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

このビデオチュートリアルでは、ポリマー溶融物を用いたエレクトロスピニングを直筆記モードで行い、整然としたアーキテクチャでスキャフォールドを作製するために必要なガイドラインを提供します。エレクトロスピニングとは、粘性ポリマーをオリフィスから押し出し、電界を印加するとジェットの上昇を引き起こすポリマー加工技術を指します。静電気力は、ファイバーを逆に帯電または接地されたコレクターに向けて加速します。

必要な粘度レベルに到達するために、ポリマーは従来、溶剤で液化されていました。これらは飛行段階で蒸発し、電界と組み合わさって、繊維の強い座屈を引き起こします。その結果、形態学的特性の制御、特性評価、および再現が困難な高分子スキャフォールドが生まれます。

この実験では、ポリマー溶融物によるエレクトロスピニングを実証しています。溶解する代わりに、バージンポリマーに熱を加えることにより、必要な粘度レベルに到達します。溶媒がないため、ポリマーの高分子の絡み合いが改善され、繊維の飛行経路がより安定します。

ミクロンスケールの繊維は、コレクターの動きに応じて正確に堆積することができます。ポリマー溶融物を直接描画モードでエレクトロスピニングすることで、ミクロンスケール、さらにはナノスケールまで、秩序立った足場構造を作製することができます。この技術は、組織工学や再生医療の未来において重要な役割を果たすと予測しています。

この技術は、従来の繊維形成プロセスと3Dプリンティングの原理との間の待望のギャップを埋め、次世代の足場を設計するための新たな道を切り開きます。マイクロエレクトロスピニングライティングは、ポリカプロラクトンやPCLなどの医療グレードのプラスチックの直接加工を容易にします。小径で高度に組織化された構造と多孔性のため、溶融エレクトロスピニングPCL足場は、in vitroおよびin vivoと同様にこれに理想的な構造です。

価値ある結果をもたらす効果的な熱分解を達成するための主要な前提条件の1つは、高機能なソフトウェアとハードウェアです。そのため、自動化された境界制御を備えた完全に統合されたシステムを設計しました。これにより、ユーザーの要件を十分に満たすために、信頼性が高く、特に再現性のある足場の製造が容易になります。

メルトエレクトロスピンライティングには、さまざまなアーキテクチャのスキャフォールドの製造が含まれます。次のチュートリアルでは、材料の準備、足場の製作、繊維径の調整、ジェットの最適化について説明します。3ミリリットルのプラスチックシリンジに2グラムのPCLを満たし、プランジャーを静かに押し込みます。

シリンジを予熱したオーブンに65°Cで8時間入れます。閉じ込められた気泡がすべて取り除かれるまで、プランジャーを慎重に押します。23gaの針を接続し、空気圧システムに取り付けます。

針先が真鍮の鍋から出てくるまで押し下げます。ステージにコレクターをインストールします。70%エタノールでマウントして清掃します。

Gコードをプログラミングして、スキャフォールドのサイズ、空間ファイバー距離、およびスキャフォールドの層数を変化させることにより、コレクターの動きの速度と方向を決定します。チューブ状のスキャフォールドの場合、回転速度、並進速度、およびその繰り返しを選択して、スキャフォールドの厚さを定義します。フラットまたはチューブラーの足場のGコードを個別にプログラムするための詳細なガイドラインは、原稿に記載されています。

ソフトウェアMach3を開き、生成されたGコードをアップロードします。5つの調整可能なシステムパラメータがあり、結果として得られるスキャフォールドの品質を大きく左右します。これらは、空気圧、電圧、収集速度、温度、および作動距離であり、次の順序で調整する必要があります。

高さ12mmの3Dプリントプラスチックブロックを針とコレクターの間に置き、作動距離を調整します。両方のヒーターのスイッチを入れ、上部が65度、下部が82度に設定します。空気圧を開始し、溶融ポリマーが針から押し出されるまで待ちます。

プロセスを開始する前に、すべての接地ケーブルがしっかりと接続されていることを確認してください。インターロックを接続しているエンクロージャーの前面ドアを閉じます。押し出された溶融物がテイラーコーンに変化し、溶融ジェットがコレクターに向かって噴出するまで電圧を上げます。

ポリマー溶融物をスチルコレクタープレート上に5分間押し出して、ジェットを安定させます。ポリマーメルトによるエレクトロスピニングにより、さまざまな繊維径の作製が可能になります。これは、距離と温度を一定レベルに保ちながら、システムパラメータの圧力、電圧、速度を具体的に変化させることで実現できます。

3〜10ミクロンの小径繊維は、比較的低い圧力、小から中程度の電界、および高い収集速度を適用することで印刷できます。私たちの研究室での経験に基づいて、0.9バール、8キロボルト、および毎分1、700ミリメートルの値で直径4マイクロメートルの繊維を印刷できます。10〜20ミクロンの中径は、比較的低い圧力レベル、中〜高電圧、および中範囲の収集速度を適用することで印刷できます。

私たちの研究室での経験に基づいて、直径13マイクロメートルの繊維を次の値で印刷できます:1.5バール、11キロボルト、および1,200ミリメートル/分。20〜30ミクロン以上の繊維は、比較的高い電圧と可能な限り低い収集速度の印加に加えて、大きなポリマー押出速度を必要とします。私たちの研究室での経験に基づいて、直径25マイクロメートルの繊維を次の値で印刷できます:2.6バール、12キロボルト、および毎分700ミリメートル

ただし、3つのケースすべてにおいて、均一な直径で安定した結果を得るには、微調整と最適化が必要になります。溶融エレクトロスピニングでは、ポリマー塊の流れを決定する力と、ジェットをコレクターに引き寄せる力との間の完全にバランスの取れた平衡のみが、最終的に一貫した足場の形態につながります。バランスの取れた平衡状態は、ファイバーの飛行経路が長期間にわたってカテナリー曲線に似れば達成されます。

ただし、3つの異なる逸脱動作が知られています。まず、テイラーコーンに供給される質量と繊維上のそれぞれの抗力との間の不均衡な分布により、不安定な帯電ジェットが発生します。ここでは、テイラーコーンには常にポリマーが過剰に供給され、頻繁にその質量を放出します。

頻繁に変化する角度が見え、その結果、直径が大きく異なります。プロセスを再安定させるには、流量を減らしてポリマーの供給を最小限に抑え、速度と電圧を上げてファイバーの引っ張り力を増幅します。次に、ファイバーは下に移動し、コレクターに垂直に堆積します。

これにより、加速力の量は、テイラーコーン内のポリマー供給を上回ります。圧力をわずかに上げて電圧を下げると状況が解決するか、収集速度が変わります。第三に、ファイバーは遅れをとり、高角度での直線に似ています。

これにより、比較的太い繊維が生成され、引きずられます。これにより、堆積した繊維の不正確さが増します。収集速度を落とすと問題が解決します。

ただし、電界強度をわずかに増加させる必要があります。溶融エレクトロスピニングには、フラットコレクターとマンドレルコレクターの2つの収集方法があります。フラットコレクターの適用は、最も一般的な方法を指します。

異なるサイズの090度および060度構造は、文献で広く報告されています。また、溶融繊維をコレクターに直接堆積させることができるため、反復的な円形構造などの非線形構造の生成も容易になります。管状構造は、針に平行に回転および横断する円筒形コレクターで実現できます。

回転速度と並進速度の両方のデコードを微調整することで、ファイバーの配向を変更することができます。並進速度よりも高い回転速度は、放射状に配向した細孔につながり、その逆も同様です。チューブの直径は、実装されたマンドレルの直径によって異なります。

さまざまなスキャフォールドアーキテクチャの詳細なリストと、公開された研究で提案されたアプリケーションについては、原稿を参照してください。電界は非常に敏感であり、2つの電極間の距離に特異的に依存するため、収集ステージとプリントヘッドの下面の両方を定期的に水平にすることが非常に重要です。コレクタとヘッドの間の距離が近すぎると、電界が大幅に増加し、コンポーネント間で火花が発生します。

電圧を下げてくださいtag電気制御ボックスですぐに、またはドアを開けてください。プロセスを開始する前に、すべてのケーブル接続を再確認し、緩んでいないことを確認してください。針が損傷すると、テイラーコーンが変形し、印刷に不規則性が生じる可能性があります。

そのため、誤って先端が曲がってしまった針は廃棄する必要があります。このビデオが安定した帯電ジェットの確立に役立ち、私たちと同じように、溶融エレクトロスピニングライティングが組織工学と再生医療の分野で重要な役割を果たすと確信するようになることを願っています。