Method Article

Electrospinning 기본 : 최적화 솔루션 및 장치 매개 변수

DOI:

10.3791/2494

⸱

January 21st, 2011

 ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, University of Michigan, 2State Key Laboratory of Bioelectronics, Southeast University, 3Department of Neurology, University of Michigan, 4Geriatrics Research, Education and Clinical Center, Veterans Affairs Ann Arbor Healthcare Center

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

기술 Electrospinning하면 조직 공학 또는 기타 응용 프로그램에 대한 nanofibrous 공사장 공중 발판의 다양한 만들 수 있습니다. 우리는 여기서 원하는 형태와 정렬로 섬유를 얻기 위해 electrospinning 솔루션 및 장치의 매개 변수를 최적화하기위한 절차를 설명합니다. 일반적인 문제 및 문제 해결 기법도 제공됩니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Electrospun nanofiber의 공사장 공중 발판은 성숙을 가속 성장을 향상시키고, 체외에서 세포의 마이 그 레이션을 직접으로 표시되었습니다. Electrospinning가 부과 폴리머 제트가 접지된 수집에 수집되는 과정이며 무작위로 지향 섬유 매트에 빠르게 정렬 nanofibers의 컬렉터 결과를 회전하는 동안 정지 수집 결과. 폴리머 분사는 적용 정전기 충전이 솔루션의 표면 장력을 극복 때 형성됩니다. 주어진 중합체의 최소 농도가있다, 중요 얽히게함 농도는 안정적인 제트기를 얻을 수없는 아래 칭했다되며 nanofibers는 형태로되지 않습니다 - nanoparticles가 (전기 분무) 달성 수 있지만. 안정 제트는 두 도메인, 스트리밍 세그먼트와 세그먼트를 채찍질하고 있습니다. 채찍질 전투기가 육안으로 일반적으로 보이지 않는 반면, 스트리밍 세그먼트 적절한 조명 조건 하에서 종종 볼 수 있습니다. 스트림의 길이, 두께, 일관성 및 움직임을 관찰하는 것이 형성되는 nanofibers의 정렬과 형태를 예측하는 데 유용합니다. 짧은 아닌 유니폼, 일관성 및 / 또는 진동 스트림은 splattering 구슬 장식하고, 소용돌이 장식이나 물결 패턴, 가난한 섬유 정렬을 포함한 다양한 문제 나타내는 것입니다. 스트림 따라서 생산되고있는 섬유의 정렬과 형태를 최적화 솔루션의 구성과 electrospinning 장치의 구성을 조정하여 최적화할 수 있습니다. 이 프로토콜에서는, 우리는 기본적인 electrospinning 기기를 설정하는 경험적으로 폴리머 솔루션의 중요한 얽히게함 농도를 approximating하고 electrospinning 과정을 최적화하기위한 절차를 제시한다. 또한, 우리는 몇 가지 일반적인 문제 및 문제 해결 기술을 논의합니다.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 폴리머를 선택

  1. 귀하의 사양에 따라 중합체 (예 : 폴리 - L - 젖산 (PLLA), polycaprolactone (PCL), 폴리스티렌 (PS) 또는 나일론) (예, 생분해성, 열가 소성 또는 교차 linkable) 그 고분자의 용매를 선택합니다. 선택에 따라 적절한 개인 보호 장비를 선택합니다.
  2. 귀하의 신청에 따라 기판을 선택합니다 (예 : 유리, 플라스틱, 금속 또는 실리콘 웨이퍼).

2. 콜렉터를 선택하십시오

  1. 귀하의 사양에 따라 컬렉터 지오메 트리를 선택합니다. 랜덤 섬유는 고정 접시에서 수집하실 수 있습니다. 정렬 섬유는 빠르게 회전하는 바퀴, 드럼 또는 막대, 또는 병렬 접시에에서 수집하실 수 있습니다.
  2. 수집기는 전도성이어야하며, 그것도 인접 객체 테이블 톱 등 접지 않고 접지 수있는 것과 같은 방식으로 자사의 엑셀에서 격리되어 있어야합니다

3. 경험적으로 하나 대략 중요 얽히게함 농도

  1. 여러 후보 고분자 농도 (예, 4, 10, 15, 20, 30 WT %)를 준비하고 시작하는 (솔루션이 점성 액체 아니라 젤한다) 흐름 농도를 선택합니다.
  2. electrospinning 장치 2,3,4,5를 (그림 1 참조) 설정
    1. 주사기 펌프를로드하고 일각에서 지워 솔루션의 구슬 즉시 교체되는 등 펌프 속도를 설정합니다.
    2. 지상 수집기와 도체 플레이트 (예 : 어떤 주사기 팁 protrudes 통해 알루미늄 호일과 같은 전도성 물질의 작은 사각형)에 높은 전압 와이어 클립.
    3. 바퀴 회전을 시작합니다.
    4. 전원 공급 장치가 그것을 켜기 전에 0으로 설정되어 있는지 확인하십시오.
  3. 스트림을 준수
    1. 천천히 전압을 램프와 바늘 끝에 솔루션의 비드를 봐.
    2. 길고 꾸준한 스트림을 얻을 수있는 전압을 조정합니다. 꾸준한를 얻을 수없는 경우, 폴리머 솔루션 농도를 조정합니다. 예를 들어, 표 1을 참조하십시오.

4. 문제 해결 - 스트림 :

  1. 스트림을 보는 데 문제가
    1. 어두운 매트 배경을 사용하여 뷰어 및 스트림 (그림 2 참조) 사이의 단방향 광원 (예 : 손전등 등) 장소.
  2. 주사기 팁에서 드리핑
    1. 폴리머 솔루션 바퀴없이 매력과 함께 곧장 피가 뚝뚝 떨어지는 경우, 도체 판은 바늘 끝과 연락을하고 수집기가지면과 접촉하고있다는 점이다 있는지 확인합니다.
    2. 주사기 끝에 폴리머 솔루션의 드롭 바퀴의 방향으로 기울고 있지만 스트림을 형성하지 않으면 전압을 높일 수 있습니다. 스트림의 품질은 꾸준한 볼 때까지 거리와 전압을 변화하여 조정할 수 있습니다. 4 % PLLA 솔루션과 8x8 cm 도체 판에 대한 해당 전압과 제안 거리 그림 3을 참조하십시오.
  3. 주사기 끝에 대형 globs
    1. 폴리머 솔루션이 아닌 전도성 스틱에 부착된 종이 타월로 글로브 떨어진 바늘, 강타의 끝에 수집하고 강화하기 시작하면.
  4. 요동 또는 'wagging'스트림
    스트림이 빠르게 위아래로 wagging 및되면 전압을 낮추거나 주사기 팁과 바퀴 사이의 거리를 향상시킬 수 있습니다. 스트림이 게으름 뱅이는 폴리머의 높은 농도를 사용하거나 느린 증발과 함께 약간의 용매를 추가하는 계속하는 경우.
  5. 단기 또는 불연속 스트림
    높은 회전 속도에서 휠 세트 관찰할 수 교신 보이는 지속적인 스트림 균일 성과 정렬 최상의 품질을 얻을 수 있습니다. 스트림이 더 느린 추가 용매 증발하고, 전압이 스트림의 길이와 steadiness을 향상시킬 수 조정, 폴리머 솔루션을 증가, 짧고 불연속 때.

5. 문제 해결 - 섬유 형태론 6,7,8 (4 그림 참조)

  1. 구슬 장식
    구슬이 섬유 발견되면 폴리머 솔루션을 향상시키고 도체 판은 바늘로 지속적인 연락을하고 접지 와이어 브러시는 바퀴와 함께 지속적인 접촉을하고있는 것이 있는지 확인하십시오.
  2. 리본 및 출혈 섬유
    섬유 리본으로 형성거나 함께 출혈이 경우 고분자의 높은 농도 또는 증발의 높은 속도 (더 많은 휘발성)과 용제를 사용합니다.
  3. 소용돌이 장식이나 물결 모양의 섬유
    섬유 파도 또는 curlicues을 형성하는 경우, 휠 속도를 늘리거나 수집기에서 추가로 바늘 끝을 이동합니다. 또한, 도체 판과 수집기가 진동하지 않는 확인하십시오.
  4. 다공성 9
    모공이 원하는 경우, 신속하게 증발 용제를 사용합니다. 모공이 원하는하지 않는 경우, 주요 용매보다 휘발성 공동 용매의 작은 금액을 추가해보십시오.
  5. 정렬 10
    수집기는 MOV 때낮은 RPM이나 휴식을 주입, 정렬 품질이 떨어집니다. 바퀴의 속도를 증가하여 정렬을 늘리십시오.

6. 대표 결과 :

전형적인 섬유 결과의 묘사 4 그림을 참조하십시오.

figure-protocol-1
그림 1. 전형적인 electrospinning 설정. 폴리머 솔루션 (파란색)은 주사기 펌프 (오렌지)에서 적절합니다. 고전압 DC 전원 공급 장치 (녹색)은 근거 정렬의 nanofibers가 수집하는쪽으로 빠르게 회전 바퀴 수집기 (회색). 주사기와 컬렉터 사이의 폴리머 제트는 꾸준한 스트리밍 세그먼트와 빠른 속도로 진동 채찍질 세그먼트로 구성되어 있습니다.

figure-protocol-2
. 그림 2 스트리밍 제트는 주사기의 끝부분을 종료 볼 수 있으며, 갈기 제트기가 볼 수 너무 작습니다.

PLLA의 중요한 얽히게함 농도를 Approximating

PLLA (% WT / V) 관찰 농도 조정
0.5 드리핑 없으며 어떤 흐름을 증가
2.0 작은 globs를 풍기고 없으며 어떤 흐름을 약간 Increse
4.0 꾸준한 좋은
6.0 대형 globs이나 구슬를 풍기고 약간 감소
12.0 끝에 Clumping 없다; 더 스트림 감소

표 1. 예는 PLLA의 중요한 얽히게함 농도의 근사치를 묘사. 다양한 폴리머 농도가 시도하고 꾸준한까지 관찰 결과 스트리밍 전투기가 얻어진다.

figure-protocol-3
그림 3. 주사기 팁 및 수집기 사이의 거리를 지속적으로 스트리밍 제트를 얻기 위해 적용된 전압 균형을해야합니다. 초과 적용 전압은 덜 잘 정렬 섬유에 결과를 산출하는 요동 또는 'wagging'제트가 발생합니다. 전압이 너무 낮은 경우에는 제트 형태로되지 않습니다 및 솔루션은 주사기 팁에서 똑 것입니다. 보라색 ​​음영 지역은 위에서 지속적으로 스트리밍 제트가 주사기 - 투 - 컬렉터 거리의 함수로 PLLA에 대해 얻을 수있는 이상의 전압 범위를 나타냅니다.

figure-protocol-4
그림 4. Electrospun 섬유 구슬 장식 (A), 리본 (B), curlicues (C), 다공성 globs (D), 좋은 정렬 (E)와 가난한 정렬 (F)를 포함, morphologies 다양한 전시하실 수 있습니다.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

참고 : 예제의 대부분은 폴리 - L - 젖산 (PLLA) nanofibers를 electrospinning과 함께 계약을 발표했다. PLLA 우리 연구실에서 가장 일반적으로 늘인 폴리머이기 때문에 이것은 간단합니다. 그러나, 우리는 성공적으로 다른 폴리머 (예, PLGA, PCL, PS) electrospin 여기에 제시된 기술을 쉽게 높은 분자량 폴리머 솔루션 중순에 대다수에 해당하는 믿을 이러한 메서드를 사용합니다.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
관심 없음 충돌 선언하지 않습니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 작품은 NIH K08 EB003996과 미국 연구 재단 부여 2573의 굳는 베테랑에 의해 지원되었다.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
고전압 DC 전원 공급 장치감마 고전압ES40P-5W
주사기 펌프KD ScientificKDS100
알루미늄 호일레이놀즈 랩
블런트 메탈 팁, 23gaFisher Scientific13-850-102
폴리프로필렌 주사기BD Biosciences309585
회전 또는 고정식 수집기맞춤형
다양한 악어 클립 및 와이어
DimethylformamideFisher ScientificAC11622-0010
클로로포름Fisher ScientificAC42355-0040
PLLABoehringer IngeheimResomer L210
PLGA 85:15Sigma-Aldrich43471
카본 테이프Ted Pella, Inc.13073-1
년

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Role of chain entanglements on fiber formation during electrospinning of polymer solutions: good solvent, non-specific polymer-polymer interaction limit. Polymer. 46, 3372-3384 (2005).">Shenoy, S. L., Bates, W. D., Frisch, H. L., Wnek, G. E. Role of chain entanglements on fiber formation during electrospinning of polymer solutions: good solvent, non-specific polymer-polymer interaction limit. Polymer. 46, 3372-3384 (2005).
  2. Accelerated neuritogenesis and maturation of primary spinal motor neurons in response to nanofibers. Dev. Neurobiol. 70, 589-603 (2010).">Gertz, C. C., Leach, M. K., Birrel, L. K., Martin, D. C., Feldman, E. L., Corey, J. M. Accelerated neuritogenesis and maturation of primary spinal motor neurons in response to nanofibers. Dev. Neurobiol. 70, 589-603 (2010).
  3. Tailored nanofiber morphologies using modulated electrospinning for biomedical applications. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 736, D3.8.1-D3.8.6 (2003).">Lin, D. Y., Johnson, M. A., Vohden, R. A., Chen, D., Martin, D. C. Tailored nanofiber morphologies using modulated electrospinning for biomedical applications. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 736, D3.8.1-D3.8.6 (2003).
  4. The design of electrospun PLLA nanofiber scaffolds compatible with serum-free growth of primary motor and sensory neurons. Acta. Biomater. 4, 863-875 (2008).">Corey, J. M., Gertz, C. C., Wang, B. S., Birrell, L. K., Johnson, S. L., Martin, D. C., Feldman, E. L. The design of electrospun PLLA nanofiber scaffolds compatible with serum-free growth of primary motor and sensory neurons. Acta. Biomater. 4, 863-875 (2008).
  5. Aligned electrospun nanofibers specify the direction of dorsal root ganglia neurite growth. J. Biomed. Mater. Res. A. 83, 636-645 (2007).">Corey, J. M., Lin, D. Y., Mycek, K. B., Chen, Q., Samuel, S., Feldman, E. L., Martin, D. C. Aligned electrospun nanofibers specify the direction of dorsal root ganglia neurite growth. J. Biomed. Mater. Res. A. 83, 636-645 (2007).
  6. Systematic parameter study for ultra-fine fiber fabrication via electrospinning process. Polymer. 46, 6128-6134 (2005).">Tan, S. -H., Kotaki, M., Ramakrishna, S. Systematic parameter study for ultra-fine fiber fabrication via electrospinning process. Polymer. 46, 6128-6134 (2005).
  7. Electrospinning of nano/micro scale poly(L-lactic acid) aligned fibers and their potential in neural tissue engineering. Biomaterials. 26, 2603-2610 (2005).">Yang, F., Murugan, R., Wang, S., Ramakrishna, S. Electrospinning of nano/micro scale poly(L-lactic acid) aligned fibers and their potential in neural tissue engineering. Biomaterials. 26, 2603-2610 (2005).
  8. Electrospun nanofibrous structure: A novel scaffold for tissue engineering. J. Biomed. Mater. Res. A. 60, 613-621 (2002).">Li, W., Laurencin, C. T., Caterson, E. J., Tuan, R. S., Ko, F. K. Electrospun nanofibrous structure: A novel scaffold for tissue engineering. J. Biomed. Mater. Res. A. 60, 613-621 (2002).
  9. Effect of collector temperature on the porous structure of electrospun fibers. Macromol. Res. 14, 59-65 (2006).">Kim, C. H., Jung, Y. H., Kim, H. Y., Lee, D. R. Effect of collector temperature on the porous structure of electrospun fibers. Macromol. Res. 14, 59-65 (2006).
  10. Creation of highly aligned electrospun poly-L-lactic acid fibers for nerve regeneration applications. J. Neural Eng. 6, (2009).">Wang, H. B., Mullins, M. E., Cregg, J. M., Hurtado, A., Oudega, M., Trombley, M. T., Gilbert, R. J. Creation of highly aligned electrospun poly-L-lactic acid fibers for nerve regeneration applications. J. Neural Eng. 6, (2009).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

ElectrospinningNanofiber ScaffoldsCritical Entanglement ConcentrationPolymer SolutionCollector GeometrySolution CompositionApparatus ConfigurationFiber AlignmentFiber MorphologyTroubleshooting Techniques

Related Articles