조직 공학 응용 프로그램에 대 한 제어 형태학과 3 차원 Poly(ε-caprolactone) 장비의 전기 글 녹아

요약

이 프로토콜은 폴리머와 전기를 통해 건설 기계를 조작 하는 포괄적인 지침 직접 쓰기 모드에 녹아 있습니다. 우리는 체계적으로 과정을 약술 하 고 타겟된 비 계 구조를 달성 하기 위한 적절 한 매개 변수 설정 정의.

초록

이 자습서의 기본 원리에 반영 하 고 전기 폴리머와 쓰기에 대 한 지침 녹는, 생명 의학 어플리케이션에 대 한 좋은 잠재력을 가진 첨가제 제조 기술. 기술은 마이크로 눈금 범위를 서브 미크론에서 정돈된 건설 기계를 조작 하는 생체 고분자 섬유의 직접 증 착을 촉진 한다. 안정, 점 탄성의 설립, 폴리머 jet는 spinneret와 컬렉터 사이 적용 되는 전압을 사용 하 여 이루어집니다 그리고 직접 작성 될 수 있습니다. 전형적인 다공성 발판의 중요 한 이점은 셀 첨부 파일 및 성장에 대 한 증가 효과적인 접착 사이트를 제공 하는 높은 표면 볼륨 비율입니다. 시스템 매개 변수를 조정 하 여 인쇄 프로세스를 제어 인쇄 장비의 품질에서 높은 재현성을 수 있습니다. 그것은 또한 사용자가 그들의 특정 요구 사항에 건설 기계 형태학 상 구조에 맞게 유연한 제조 플랫폼을 제공 합니다. 이 목적을 위해 우리 가이드 개정 매개 변수, 흐름 속도, 전압 및 수집 속도 등의 다른 섬유 직경 하 여 용융 전기 쓰기 (뮤)를 얻기 위해 프로토콜 제시. 또한, 제트 최적화 자주 경험된 기술 과제 토론, 문제 해결 기법을 설명 하 고 인쇄 비 계 아키텍처의 넓은 범위를 보여주는 하는 방법을 보여 줍니다.

서론

셀에 대 한 3 차원 (3D) 생체 구조 제조 조직에 첨가제 biomanufacturing의 주요 기여 중 하나입니다 공학 (테), 사용자 지정 된 생체, 세포, 생 화 확 적인 요인, 적용 하 여 조직 복원을 목표로 또는 그들의 조합입니다. 따라서, 건설 기계 테 응용 프로그램에 대 한 주요 요구 사항을 포함: 생체 재료, 타겟된 셀 침공에 대 한 제어 형태학 속성에 대 한 최적화 된 표면 속성에서 제조 셀 상호 작용 향상 ¹.

뮤 높게 주문한 ultrathin 섬유 형태학²첨가제 제조 (자주 라는 3D 인쇄) 및 폴리머 메시의 생산을 위한 전기의 원리를 결합 하는 용 매 없는 제조 기술입니다. 직접 쓰기 접근이 고 정확 하 게 프로그램 된 코드³, G-코드 라고 하는 섬유를 예금. 용 해 electrospun 구조는 현재 각각 다공성 평평 하 고 관 건설 기계를 조작 하는 플랫^4,5 또는 굴대^6,7 수집기를 사용 하 여 준비.

이 기술은 의료 학년 폴리머 poly(ε-caprolactone) (PCL), 우수한 생체 적합성⁸선물 등을 직접 인쇄 테 및 재생 의학 (RM) 커뮤니티 가능성 때문에 상당한 혜택을 제공 합니다. 다른 장점 높은 조직 방식으로 높은 표면 볼륨 비율의 건설 기계를 조작 하는 섬유를 입금 하 여 크기와 다공성의 분포를 사용자 지정할 수 있습니다. 뮤를 수행 하기 전에 폴리머는 먼저 열⁹의 응용 프로그램이 필요 합니다. 일단 액체 상태에서 적용 된 공기 압력 높은 전압 소스에 연결 된 금속 spinneret를 통해 밖으로 흘러 그것 강요 합니다. 표면 장력 및 접지 수집기에 정전 된 물방울의 매력 사이 힘 균형 테일러 콘 제트¹⁰의 방출 다음의 형성에 지도 한다.

이미지와이 프로토콜에 사용 되는 내부 빌드 뮤 장치의 그리기 회로도 그림 1에 표시 됩니다. 그것은 또한 단 열 테이프를 사용 하 여 난방 요소와는 spinneret 주변 전기 충전된 황동 부분 사이의 전기 방전을 방지 하기의 원리를 보여 줍니다. 부족 한 단열재는 구현 된 하드웨어의 내부 손상으로 이어질 것 이다.

3 시스템 매개 변수 (온도, 수집 속도 공기 압력)의 조정에 따라 뮤 토론 섹션에서 설명 하는 다른 직경을 가진 섬유의 제조 수 있습니다. 그러나 대부분의 경우에, 미세 조정 및 제트의 최적화가 됩니다 필요한 안정적인 제트 방출 될 것입니다 전에. 전기 여행 제트기의 시각화 과정의 일관성을 확인 하는 효과적인 방법입니다. 이상적인 경우, 비행 경로 시스템 매개 변수¹¹에 의해 제어 되는 힘 균형 결과로 획득 전차 곡선을 닮았다. 또한, 마이크로-와 매크로-구조는 건설 기계 폴리머 제트¹²의 비행 경로에 따라 달라 집니다. 다른 편향 동작 및 최적화에 대 한 조치의 상세한 테이블 토론 섹션에서 제공 됩니다.

현재 연구에서 선물이 뮤 기술을 사용 하 여 높은 제어 섬유 장비의 제조에 대 한 제조 단계를 설명 하는 프로토콜. 이 작품, 의료 학년 PCL (분자량 95-140 kg/mol)이 의료 학년 PCL 기술 학년 이상의 순도 개선 하 고 그것의 기계 및 처리 속성은 뮤로 사용 되었다. PCL의 범위를 처리 하는 광범위 한 용융 그것의 낮은 융해 점 (60 ° C) 및 높은 열 안정성에서 유래. 또한, PCL 느린 속도 생 분해성 폴리머, 그것에 게 많은 조직 공학 응용 프로그램¹³에 대 한 훌륭한 소재 이다.

이 연구에 대 한 온도 및 수집기 거리 유지 됩니다 상수 (65 ° C와 주사기 및 spinneret의 온도 대 한 82 ° C (각각) 및 컬렉터 거리 12 mm); 그러나 적용 전압, 수집 속도 공기 압력,, 타겟된 직경을 가진 섬유를 조작 하 변화 될 것입니다. 뮤 건설 기계를 사용 하 여 게시 된 연구의 상세한 목록 결과 섹션에서 제공 되 고 테와 RM (표 1)의 분야에 대 한 다른 응용 프로그램을 보여.

프로토콜

1. 재료 준비

1. 깔때기와 3 mL 플라스틱 주사기에 PCL의 2 세대를 오픈 엔드에 피스톤을 삽입.
2. 8 헤 포인트 팁 위쪽으로 개통 집계 가까이에 공기 방울 수 있도록 65 ° C에서 preheated 오븐에 주사기를 놓습니다.
3. 녹은 물자 안에서 덫을 놓은 공기를 분리 하는 얇은 개체와 피스톤을 밀어.
4. 그것은 10 분 후에 더 이상 고분자 투명 하면 달성 된다 실내 온도 아래로 멋진 보자.
5. 그것은 사용 될 때까지 건조 하 고 어두운 환경에서 실 온에서 PCL 사전 로드 된 주사기를 저장 합니다.

2. 하드웨어 및 소프트웨어 설치

1. 주사기와 공기 압력 시스템에 주사기를 연결 하는 다른 끝에 배럴 어댑터를 23 G 플랫 흘린된 바늘 (spinneret)를 연결 합니다.
2. 인쇄 머리에 주사기를 놓고 머리의 하단 측면에 황동 부분에서 1mm 띄는 spinneret 팁 때까지 아래로 누릅니다.
3. 무대에서 수집을 탑재 하 고 표면 먼지 또는 잔류 폴리머 제거를 70% (vol/vol) 에탄올과 인쇄 헤드 청소.
4. spinneret와 컬렉터 사이 12 m m 높은 개체를 배치 하 여 작동 거리를 설정 하 고 spinneret 팁은 단지 그것을 접촉 될 때까지 프린트 헤드를 내립니다.
5. 각각 spinneret 지역 및 주사기, 65 ° C 82 ° C와 전기 상자에 온도 조절기를 조정 하 고 용융은 PCL에 전원.
6. 폴리머 용 해 될 때까지 적어도 10 분 기다립니다 고 1.8 바 하는 레 귤 레이 터를 설정 하 여 공기 압력을 시작.
7. 크기와 모양, 간 멘 거리 및 발판의 레이어 및 프로세스의 컬렉션 속도의 수를 정의 하는 G-코드를 준비 합니다.
   참고: 평평 하 고 관 건설 기계 조작에 대 한 자세한 템플릿은 토론 장 (표 2)에 제공 됩니다.
8. 수동으로 모든 접지 케이블 인클로저 및 벽 플러그에 안전 하 게 연결 되어 있는지 다시 확인 합니다.
9. 컴퓨터에 소프트웨어를 (예를 들어, 마 하 3)를 시작 하 고 준비 된 G-코드를 업로드.

3. 비 계 제조

1. 인클로저, 안전 내부 고정기를 연결 하 고 트리거는 spinneret에 높은 전압 공급의 전면 도어를 닫습니다.
   참고: 일단 문을 열면 예를 들어 때 인쇄 완료 또는 비상시, 높은 전압 강하 및 발판 제거할 수 있습니다 안전 하 게.
2. 테일러 콘 형성 되 고 섬유 컬렉터 쪽으로 배출 될 때까지 0.2 k v 단계에서 점차 높은 전압을 증가 ( 그림 1D에 참조 모범적인 테일러 콘).
3. 폴리머 용융을 5 분 동안 운동 없이 제트를 안정화 하기 위해 여전히 수집기 접시에 돌출 될 수 있습니다. 새로운 인쇄를 시작 하기 전에 재료의 더미를 제거 합니다.
4. G-코드 시작 됩니다 지점 위에 인쇄 헤드를 이동 하려면 키보드에서 커서를 사용 합니다.
5. 컴퓨터에 소프트웨어에서 G-코드를 시작 합니다.

4. 섬유 직경 조정

1. 작동 거리 (12mm) 및 온도 레 귤 레이 터 (82 ° C와 spinneret 지역 및 주사기, 65 ° C 각각) 일정 수준에 전에 설명한 대로에 단계 2.4 및 2.5.
   참고: 다른 직경을 조정의 요약 표 3에서 제공 됩니다.
2. (3-10 µ m) 작은 크기의 직경을 가진 섬유를 인쇄 합니다. 0.8 바 공기 압력 수준을 낮추기, 8에 적용 된 전압 kV 및 수집기 1700 m m/분 속도.
3. 매체와 인쇄 섬유 직경 크기의 (10-20 µ m). 공기 압력 조절 레벨 바, 11 설정된 전압 1.5 kV와 낮은 컬렉션-1200 m m/분 속도.
4. 큰 직경 (20-30 μ m)와 인쇄 섬유. 2.6 바 공기 압력 레벨 증가, 변경 12 적용된 전압 kV 및 감소 컬렉션 700 m m/분 속도.

5. 제트 최적화

1. 제트 강한 led 향상 된 가시성에 대 한 인클로저 외부에서 빛을 밝히는.
2. 1 분에 대 한 섬유의 동작을 관찰 하 고 작은 단계, 즉 0.1에서에서 프로세스를 최적화 하는 시스템 매개 변수를 조정 위해 적용된 전압, 100 mm/min 컬렉션 속도 공기 압력에 대 한 0.1 kV.
   참고: 요약 표 4에서 주어진 다.
3. 정기적으로 공기 압력 감소, 속도 증가 및 섬유의 비행 경로 3 분 이상 안정적인 전차 곡선을 닮을 때까지 전압을 최소화 하 여 동작을 왜곡 안정화 합니다.
4. 전압을 증가, 공기 압력을 감소 시키고 수집기의 속도 줄여 제트 뒤에 후행의 비행 경로 수정 합니다. 섬유의 비행 경로 전차 곡선 모양으로 다시 이동 될 때까지 이러한 조치를 적용 합니다.
5. 섬유가 적용된 전압 감소, 수집기의 속도 증가 및 제트기의 비행 경로 유지 전차 곡선의 모양을 다시 때까지 공기 압력을 증가 하 여 컬렉터를 향해 수직으로 여행 하지 마십시오.

6. 비 계 컬렉션

1. 인쇄 완료 되 면 문을 열고 커서를 사용 하 여 더 나은 접근성에 대 한 문 쪽으로 수집가 격판덮개를 이동 합니다.
2. 에탄올 70% (vol/vol) 믹스와 발판을 스프레이 하 고 가시는 수집기에서 분리 될 때까지 10 초를 기다립니다.
3. 족집게와 인클로저에서 해제 잡아 한쪽 가장자리에 의해 완성 된 비 계를 수집 합니다.

7. 문제 해결

1. 적용된 전압이 감소 또는 청취 표시 spinneret 또는 크래킹 잡음 사이 불꽃 경우 즉시 문을 열어.
2. 잠재적인 점화 시 불 점화 수 있습니다으로 인클로저 내부에서 모든 유해 물질 및 에탄올 70% (vol/vol) 등 액체를 제거 합니다.
3. 프로그램 G-코드는 spinneret 모든 레이어 완료 후 발판을 인쇄 하는 지역에서 이동. 이 spinneret가 마지막으로 중지 하는 위치 지점 위에 소재 축적을 방지 합니다.
4. 확대경 아래 spinneret을 확인 하 고이 크게 테일러 콘의 균질 성에 영향을 미칠 것으로 spinneret 손상 인지 확인 합니다.

결과

컬렉션의 두 가지 방법은 일반적으로 평면 고 고 곡 괭이는 뮤에 사용 됩니다. 결과 아키텍처의 G-코드 (표 2), 소프트웨어에 의해 실행 되는 프로그램에 따라 달라 집니다.

플랫 컬렉션
편평한 수집가 적용 하는 가장 일반적인 방법을 참조 하며 미리 프로그램 된 G-코드를 참조 하는 자료의 직접 증 착을 용이 하 게. 0/90과 0/다양 한 크기의 60 구조는 문학에서 넓게 보고 된다. 또한, 수집기에 녹은 섬유를 직접 입금의 기능 또한 무작위로의 생산을 용이 하 게 아직 부드러운 한¹⁴대신 꽃무늬 플랫 수집기를 사용 하는 경우 구조를 조직.

토론

의료 분야에서도 전에 대 한 혁신적인 솔루션을 찾기 위해 오전 통합 21^st 세기에 대 한 새로운 패러다임을 제공 합니다. "바이오-제조"의 소위 필드 상승세 이며 제조 기술에서 혁신 테 응용 프로그램에 대 한 매우 정교한 아키텍처의 생산을 활성화. 직접 쓰기 모드 (여기 뮤)에 폴리머 용융 전기 볼 가장 유망한 제조 후보 중 하나로 테 커뮤니티의 요구를 준수 nanoscale에 미크론에 생체 재료의 정렬된 구조는 필요한²⁷.

이 자습서는 물리적 원리를 설명 하 고이 기술을 사용 하 여 재현할 수 건설 기계 제조 작업 단계를 보여주는 뮤의 작업의 기본적인 지식을 생성 목표로 합니다.

뮤의 일반적인 원리는 기존의 첨가제 제조 기술, 즉 레이어 레이어 방식으로 압출된 재료의 증 착 대상된의 비교 이므로 머리 사이의 상대적 움직임을 제어 하는 중요 한과 수집 가입니다. 우리...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
플라스틱 주사기	Nordson Australia Pty Ltd	7012072	EFD BARREL O 3mL Clear 50
Medical grade Poly (ε-caprolactone) (mPCL)	Corbion Purac, The Netherlands	PURASORB PC12
23 GA needle	Nordson Australia Pty Ltd	7018302	#23GP .013 X .25 ORANGE 50 PC
플런저	Nordson Australia Pty Ltd	7012166	피스톤 O 3mL WH 와이퍼 50
압력 어댑터	Nordson Australia Pty Ltd	7012059	어댑터 ASM O 3mL BL 1.8M
알루미늄 컬렉	액션 알루미늄, 호주	SHP2	Sheet 5005 H34
아크릴 유리	Mulford Plastics Pty Ltd	ACC6-13094
Mach 3 소프트웨어	Art Soft		온라인 구매
안전 스위치 인터록	RS 구성 요소 Pty Ltd	12621330
고전압 발전기	EMCO High Voltage Co.	DX250R
온도 컨트롤러	WATLOW	PM9R1FJ
X 및 Y 포지셔닝 슬라이드	VELMEX Inc.	XN-10-0020-M011