組織工学的応用の制御可能な形態の三次元 Poly(ε-caprolactone) 足場のエレクトロスピニング記述を溶かす

サマリー

このプロトコルでは、直接書き込みモードで溶けるポリマー エレクトロスピニング足場を作製する包括的なガイドラインとして提供しています。我々 は体系的にプロセスの概要を説明し、対象となる足場アーキテクチャを実現するため適切なパラメーター設定を定義します。

要約

このチュートリアルを基本原則に反映し、エレクトロスピニング ポリマーを書くためのガイドラインが溶け、生物医学アプリケーションのための大きな可能性を持つ添加剤の製造技術。技術マイクロ スケール範囲にサブミクロンのよく整理された足場を作製する生体適合性高分子繊維の直接成膜が容易になります。安定性、粘弾性の確立、高分子ジェット、スピナレットとコレクターの間印加電圧を使用して実現され、直接記述することができます。典型的な多孔質足場材料の大きな利点は、細胞接着および成長の増加効果的な癒着を提供する高表面・体積比です。システム パラメーターを微調整することで印刷プロセスを制御することで印刷の足場の品質で再現性の高い。また、ユーザー固有の要件に足場の形態素の構造を調整するための柔軟な製造プラットフォームを提供します。このため、速度、電圧と収集の流れの速度を含むパラメーターのガイド修正溶融エレクトロスピニング執筆 (MEW) を使用して別のファイバーの直径を取得するためのプロトコルを提案する.さらに、ジェットを最適化、しばしば経験豊富な技術的な課題を話し合う、トラブルシューティング手法を説明する、印刷可能な足場のアーキテクチャの広い範囲を展示する方法を示します。

概要

細胞の三次元 (3 D) 生体構造の製造は添加物製造組織への重要な貢献の 1 つエンジニア リング (TE)、カスタマイズされた生体材料、細胞生化学的要因を適用することによって組織を復元することを目指してまたはそれらの組み合わせ。したがって、TE 用足場の主な要件を含める: ターゲット細胞浸潤の制御形態学的プロパティと最適化された表面の生体適合性材料から製造強化細胞間相互作用¹。

MEW は、添加剤の製造 (多くの場合と呼ばれる 3 D 印刷) とエレクトロスピニング高分子メッシュの生産のための原則を組み合わせて非常に発注された極薄繊維形態²溶剤フリーの製造手法です。直接執筆アプローチがあり、正確にに従ってあらかじめコード³、G コードと呼ばれる繊維を堆積します。溶融エレクトロスピニング構造が現在は、フラットおよび尿細管の多孔質をそれぞれ作製するフラット^4,5またはマンドレル^6,7コレクターを使用して準備。

この手法は、医療グレード ポリマー、生体適合性の⁸を提示 poly(ε-caprolactone) (PCL) などを直接印刷するテや可能性があるため再生医療 (RM) 地域へ重要な利点を提供しています。その他の利点は、高い表面のボリューム比率の足場を作製する非常に組織される方法で繊維を堆積することにより、気孔率の分布のサイズをカスタマイズする可能性です。MEW を実行する前にまずポリマー熱⁹のアプリケーションが必要です。一度液体状態に適用空気圧は高電圧源に接続されている金属スピナレットを通じて流出することを強制します。表面張力と接地コレクターに静電帯電液滴の魅力の力のバランスは、ジェット¹⁰の放出によって続いてテイラーの円錐形の形成に します。

画像、このプロトコルで使用する社内ビルド MEW デバイスの図は図 1のとおりです。さらに、ヒーター エレメントと紡糸を囲む電気で満たされたブラスのパーツとの間の放電を避けるために絶縁テープを使用しての原理を示します。不十分な絶縁実装されたハードウェアの内部損傷に 。

3 つのシステムのパラメーター (温度、コレクションの速度と空気の圧力) の調整によって MEW ディスカッション セクションで説明した、直径の異なる繊維の作製ができます。ほとんどの場合、ただし、微調整とジェットの最適化必要になります前に安定したジェットが飛び出します。電化旅行噴流の可視化は、一貫性とプロセスの均一性を確認する効果的な方法です。理想的な場合、飛行経路システム パラメーター¹¹によって制御される力のバランスにより取得したカテナリー曲線に似ています。さらに、足場のミクロ構造とマクロ-は高分子ジェット¹²の飛行経路に依存しています。ディスカッション セクションでは、異なる変位挙動と最適化のための措置の詳細な表が与えられます。

本研究では MEW の技術を使用して高度に制御線維性足場の製造のための加工手順を記述するプロトコルを提案する.この仕事、医療グレード PCL で (分子量 95-140 kg/mol) この医療グレード PCL は技術的な等級を超えて純度を向上し、その機械的および処理のプロパティは、MEW に優れているとして、使用されました。広い、溶解処理範囲の PCL は、その融点の低い (60 ° C) と高い熱安定性から起きる。また、PCL は、エンジニア リング アプリケーション¹³多くの組織のための優秀な材料はそれに遅い率の生分解性ポリマーです。

この研究のため、温度とコレクターの間隔が一定保たれるが (65 ° C と注射器とスピナレット気温 82 ° C (それぞれ) とコレクターの距離 12 mm);印加電圧、コレクターの速度と空気の圧力が対象径ファイバーを作製するただし、変更されます。MEW 足場を使用して発表された研究の詳細なリストは、結果] セクションに表示され、TE と RM (表 1) のフィールドにさまざまなアプリケーションを明らかにします。

プロトコル

1 材料の準備

1. 漏斗で 3 mL プラスチック注射器で PCL の 2 g を入力し、オープン エンドにピストンを挿入します。
2. 8 h. ポイント上方先端開口部に骨材の近くに空気の泡を許可する 65 ° C で予熱したオーブンに注射器を配置します。
3. 溶融材料内に閉じ込められた空気を解放するための細長い物体のピストンを押してください。
4. それは部屋の温度、ポリマーは、もう 10 分後は透明ではないとき達成されるまでクールなみましょう。
5. それが使用されるまで、乾燥した、暗い環境で室温で PCL あらかじめロードされた注射器を格納します。

2. ハードウェアおよびソフトウェアのセットアップ

1. 23 G (スピナレット) フラット先端針を注射器と空気圧システムに注射器を接続するもう一方の端でバレル アダプターに接続します。
2. 印字ヘッドの注射器を置き、1 mm 頭の底部側に真鍮の部分から際立っているスピナレット先端まで押し込みます。
3. ステージでコレクターをマウントし、ほこりや残留ポリマーを削除する 70% (巻/巻) エタノールとプリント ヘッドと同様に表面をきれい。
4. 紡糸とコレクター間 12 mm 高オブジェクトを配置することで作動距離を設定およびスピナレットの先端がちょうどそれに触れるまでプリント ヘッドを下げます。
5. それぞれスピナレット地域と、注射器の電気ボックス 82 の ° C から 65 ° C で温度調整器を調整し、溶融 PCL に電源を入れます。
6. ポリマーが溶解するまで少なくとも 10 分間待機し、レギュレータを 1.8 バーに設定すると、空気圧を開始します。
7. サイズと形状、フィラメント間の距離および足場の層およびプロセスのコレクション速度の数値を定義する G コードを準備します。
   注: フラットと鋼管足場を製造するため詳細なテンプレートは、議論の章 (表 2) で提供されます。
8. エンクロージャおよび壁プラグに地面のすべてのケーブルがしっかりと接続されている手動で再確認してください。
9. コンピューター上 (例えばマッハ 3) ソフトウェアを起動し、準備された G コードをアップロードします。

3. 足場作製

1. 安全インター ロックを接続し、紡糸に高電圧をトリガーするエンクロージャの前面ドアを閉じます。
   注: ドアを開いたら、たとえばとき、印刷が終了すると高電圧が低下、緊急の場合や足場削除できます安全に。
2. テイラーの円錐形が形成され、コレクターの方、繊維を取り出すまでに 0.2 kV ステップで徐々 に高電圧を増加する (見なさい模範的なテイラー コーン図 1で)。
3. 5 分間運動することがなくジェットを安定させるためにまだコレクター プレートに押出される高分子融液を許可します。新しい印刷を開始する前に、材料の山を削除します。
4. キーボードのカーソルを使用すると、プリント ヘッド G コードが開始されますポイントの上に移動します。
5. コンピューター上のソフトウェアで G コードを起動します。

4. 繊維径調整

1. 作動距離 (12 mm) を保ち、温度調整器 (82 ° C およびスピナレット地域と、注射器の 65 ° C それぞれ) 一定レベルで前に説明したようにステップ 2.4 および 2.5。
   注: 異なる直径の調整の概要は、表 3に示すです。
2. 小径サイズ (3-10 μ m) の繊維を印刷します。0.8 バーに大気の圧力レベルを減らす、8 に印加電圧を調整する 1700 mm/分速 kV およびコレクターのセット。
3. 印刷媒体繊維サイズ直径(10-20 μ m)。空気圧を調整レベルをバー、11 に設定電圧 1.5 kV と低いコレクション 1200 mm/分に高速。
4. 大径 (20-30 μ m) と繊維を印刷します。2.6 バーに空気圧を高める、12 に印加電圧を変える kV および減少コレクション 700 mm/分に高速化します。

5. ジェット最適化

1. 強力な LED の改善された可視性のエンクロージャの外から光でジェットを照らします。
2. 1 分繊維の挙動を観察し、すなわち0.1、小さなステップでプロセスを最適化するシステム パラメーターを調整 kV 印加電圧、コレクション速度 100 mm/分、空気圧を 0.1 バー。
   注:表 4にまとめます。
3. 定期的に空気圧の減少、速度を上げると繊維の飛行経路 3 分以上の安定したカテナリー曲線のようになるまで電圧を最小化による動作を偏向を安定させます。
4. 遅れてジェットの飛行経路を修正すると、電圧を増加、空気の圧力を減らして、コレクターの速度を下げます。カテナリー曲線形状に繊維の飛行経路を移動するまでは、これらの措置を適用します。
5. 印加電圧を減少、コレクターの速度を増加させる、ジェット機の飛行経路が再びカテナリー曲線の形状を保持するまで空気圧を増やすことによってコレクターに向かって垂直方向に旅行繊維は避けてください。

6. 足場コレクション

1. 印刷が終わったら、ドアを開き、カーソルを使用してアクセシビリティを向上させるためにドアに向かってコレクター プレートを移動します。
2. エタノール 70% (巻/巻) ミックスで足場をスプレーし、それは目に見えてコレクターからデタッチするまで 10 秒を待ちます。
3. ピンセットとエンクロージャのそれを持ち上げて掴んの片方の端を完成した足場を収集します。

7. トラブルシューティング

1. 印加電圧を減少または可聴表示の紡糸や割れノイズ間の火花放電がある場合すぐにドアを開けます。
2. 潜在的な火花の場合火に火を付ける可能性がありますと、エンクロージャの内側からすべての危険物、エタノール 70% (巻/巻) などの液体を削除します。
3. G コードをそれに応じてプログラム紡糸移動すべてのレイヤーが行われた後、足場を印刷領域からは離れています。紡糸が最終的に停止した位置の上の物質の蓄積を避けることができます。
4. 拡大鏡の下で紡糸とこれがテイラーの円錐形の均一性に影響を与える大幅に紡糸に損傷がないことを確認します。

結果

多くの場合、コレクションの 2 つの方法は、フラット コレクションとマンドレル コレクションである MEW で使用されます。結果として得られるアーキテクチャは、G-コード (表 2)、ソフトウェアによって実行されるのプログラミングに依存します。

フラット コレクション
フラット コレクターを適用する最も一般的な方法を参照し、事前にプログラムの G コードを参照材料の直接成膜が容易になります。0 と 0/90/60 サイズ異なる構造体は文献で広く報告します。さらに、コレクターの溶融繊維に直接蒸着の機能はまたの生産を容易にランダムにまだパターン フラット コレクターを使用する代わりに滑らかな 1 つ¹⁴構造を整理します。

ディスカッション

21^st世紀の新しいパラダイムを提示午前を統合医療の分野での課題は、革新的なソリューションを見つけるために。いわゆる「バイオ加工」分野増加と加工技術の革新がテ ・ アプリケーションの高度なアーキテクチャ生産有効にします。直接書き込みモード (ここで MEW) で高分子の溶融エレクトロスピニングはナノスケールにミクロンにおける生体適合性材料の秩序構造があるテ ・ コミュニティのニーズに準拠する見て製造の最も有望な候補者の 1 つとして必要な²⁷。

このチュートリアルは、物理の原理を説明して、この技術を使用して再現性のある足場を製造するための操作手順を示す、MEW の操作の基本的な知識の生成を目指しています。

MEW の一般原則、従来の添加剤の製造技術、すなわち層によって方法で押出された材料のターゲット蒸着のそれらに匹敵するので頭の間の相対的な動きを制御することが重要だとコレクター。私たちの経験からは、固定ヘッドをまま (X と Y) のステージでコレクターのそ...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
プラスチック シリンジ	ノードソン オーストラリア Pty Ltd	7012072	EFD BARREL O 3mL クリア 50
医療グレード ポリ (ε-カプロラクトン) (mPCL)	Corbion Purac, オランダ	PURASORB PC12
23 GA ニードル	ノードソン オーストラリア Pty Ltd	7018302	#23GP .013 X .25 ORANGE 50 PC
プランジャー	ノードソン オーストラリア Pty Ltd	7012166	ピストン O 3mL WHワイパー 50
圧力アダプター	ノードソンオーストラリアPty Ltd	7012059	アダプター ASM O 3mL BL 1.8M
アルミコレクター	アクション アルミニウム、オーストラリア	SHP2	シート 5005 H34
アクリルガラス	Mulford Plastics Pty Ltd	ACC6-13094
マッハ3ソフトウェア	アートソフト		オンライン購入
安全スイッチインターロック	RSコンポーネントPty Ltd	12621330
高電圧発電機	EMCO High Voltage Co.	DX250R
温度調節器	ワトロー	PM9R1FJ
X・Y位置決めスライド	ヴェルメックス(株)	XN-10-0020-M011