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

이 비디오 튜토리얼은 직접 쓰기 모드에서 폴리머 용융물을 사용한 전기 방사를 반영하고 잘 정렬된 아키텍처로 스캐폴드를 제작하는 데 필요한 지침을 제공합니다. 전기 방사는 점성 폴리머가 오리피스를 통해 압출되는 동시에 전기장을 가하면 제트의 상승을 유발하는 폴리머 가공 기술을 말합니다. 정전기력은 광섬유를 반대 방향으로 충전되거나 접지된 수집기로 가속합니다.

필요한 수준의 점도에 도달하기 위해 폴리머는 전통적으로 용매에서 액화되었습니다. 이들은 비행 단계에서 증발하며, 이는 전기장과 결합하여 섬유의 강한 좌굴을 유발합니다. 그 결과 형태학적 특성이 제어, 특성화 및 재현하기 어려운 고분자 스캐폴드가 생성됩니다.

이 실험은 폴리머 용융물을 사용한 전기 방사를 보여줍니다. 용해되는 대신, 필요한 수준의 점도는 버진 폴리머에 열을 가함으로써 도달합니다. 용매가 부족하면 폴리머의 고분자 얽힘이 개선되고 보다 안정적인 섬유 비행 경로가 생성됩니다.

미크론 스케일 섬유는 수집기의 움직임에 따라 정확하게 증착될 수 있습니다. 직접 쓰기 모드에서 폴리머 용융물을 사용한 전기 방사를 통해 미크론 및 나노 규모까지 잘 정돈된 스캐폴드 아키텍처를 제작할 수 있습니다. 우리는 이 기술이 조직 공학 및 재생 의학의 미래에 중요한 역할을 할 것으로 예측합니다.

이 기술은 오랫동안 기다려 온 기존 섬유 형성 공정과 3D 프린팅 원리 사이의 격차를 해소하고 차세대 스캐폴드 설계를 위한 새로운 길을 열어줍니다. 마이크로 전기 방사 쓰기는 폴리카프로락톤 또는 PCL과 같은 의료용 플라스틱의 직접 가공을 용이하게 합니다. 작은 직경과 고도로 조직화된 구조 및 다공성으로 인해 용융 전기 방사 PCL 골격은 시험관 내 및 생체 내에서 이를 위한 이상적인 구조입니다.

가치 있는 결과를 가진 효과적인 열분해를 달성하기 위한 한 가지 주요 전제 조건은 고기능 소프트 및 하드웨어입니다. 따라서 우리는 자동화된 경계 제어 기능을 갖춘 완전히 통합된 시스템을 설계했습니다. 이를 통해 사용자의 요구 사항을 충분히 충족할 수 있도록 안정적이고 구체적으로 재현 가능한 스캐폴드 생산을 촉진할 수 있습니다.

용융 일렉트로스핀 쓰기는 서로 다른 아키텍처의 스캐폴드를 제조하는 것을 포함합니다. 다음 자습서에서는 재료 준비, 스캐폴드 생산, 섬유 직경 조정 및 제트 최적화에 대해 설명합니다. 3밀리리터 플라스틱 주사기에 PCL 2g을 채우고 플런저를 부드럽게 밀어 넣습니다.

주사기를 섭씨 65도에서 8시간 동안 예열된 오븐에 넣습니다. 갇힌 기포가 모두 제거될 때까지 플런저를 조심스럽게 짜십시오. 23ga 바늘을 연결하고 공기압 시스템에 부착합니다.

놋쇠 냄비에서 바늘 끝이 나올 때까지 아래로 누릅니다. 스테이지에 수집기를 설치합니다. 70% 에탄올로 장착하고 청소하십시오.

G 코드를 프로그래밍하여 스캐폴드의 크기, 공간 섬유 거리 및 레이어 수를 변경하여 수집기 이동의 속도와 방향을 결정합니다. 튜브형 스캐폴드의 경우 회전 속도, 변환 속도 및 반복을 선택하여 스캐폴드의 두께를 정의합니다. 평면 또는 관형 스캐폴드에 대한 G 코드를 개별적으로 프로그래밍하기 위한 자세한 지침은 원고에서 찾을 수 있습니다.

소프트웨어 Mach3를 열고 생성된 G 코드를 업로드합니다. 결과 스캐폴드의 품질을 크게 결정하는 5가지 조정 가능한 시스템 매개변수가 있습니다. 기압, 전압, 수집 속도, 온도 및 작동 거리이며 다음 순서로 조정해야 합니다.

바늘과 수집기 사이에 12mm 높이의 3D 프린팅 플라스틱 블록을 놓고 작업 거리를 조정합니다. 두 히터를 모두 켜고 상단 부분은 65도, 하단 부분은 82도로 설정합니다. 공기 압력을 시작하고 용융된 폴리머가 바늘에서 압출될 때까지 기다립니다.

프로세스를 시작하기 전에 모든 접지 케이블이 단단히 연결되어 있는지 확인하십시오. 인터록을 연결하는 인클로저의 전면 도어를 닫습니다. 압출된 용융물이 테일러 원뿔로 변형되고 용융 제트가 수집기를 향해 분출될 때까지 전압을 높입니다.

제트를 안정화하기 위해 고분자 용융물을 스틸 수집기 플레이트에서 5분 동안 압출합니다. 폴리머 용융물을 사용한 전기 방사를 통해 다양한 섬유 직경을 제조할 수 있습니다. 이는 거리와 온도를 일정한 수준으로 유지하면서 시스템 매개변수 압력, 전압 및 속도를 구체적으로 변경함으로써 달성할 수 있습니다.

3 미크론에서 10 미크론 사이의 작은 직경의 섬유는 상대적으로 낮은 압력, 중소형 전기장 및 높은 수집 속도를 적용하여 인쇄 할 수 있습니다. 우리 실험실의 경험을 바탕으로 0.9 bar, 8 kilovolt 및 1, 분당 700 밀리미터의 값으로 4 개의 마이크로 미터 직경 섬유를 인쇄 할 수 있습니다. 10 - 20 미크론 사이의 중간 크기 직경은 상대적으로 낮은 압력 수준, 중간에서 높은 전압, 중간 범위의 수집 속도를 적용하여 인쇄할 수 있습니다.

우리 실험실의 경험을 바탕으로 1.5bar, 11kvolt 및 1, 200mm/min 값으로 13마이크로미터 직경의 섬유를 인쇄할 수 있습니다. 20 - 30 미크론 이상의 섬유는 비교적 높은 전압의 적용과 가장 낮은 수집 속도와 함께 큰 폴리머 압출 속도가 필요합니다. 우리 실험실의 경험을 바탕으로 2.6bar, 12kvolts 및 분당 700mm 값으로 25마이크로미터 직경의 섬유를 인쇄할 수 있습니다.

그러나 세 가지 경우 모두 균일한 직경으로 안정적인 결과를 얻기 위해 미세 조정과 최적화가 필요합니다. 용융 전기 방사에서는 폴리머 질량의 흐름을 결정하는 힘과 수집기 쪽으로 제트를 끌어당기는 힘 사이의 완벽하게 균형 잡힌 평형만이 결국 일관된 스캐폴드 형태를 이끌어 낼 것입니다. 잘 균형 잡힌 평형은 섬유의 비행 경로가 장기간에 걸친 현수선 곡선과 유사하면 달성됩니다.

그러나 세 가지 다른 일탈 행동이 알려져 있습니다. 첫째, 테일러 콘에 전달된 질량과 섬유에 가해지는 각각의 항력 사이의 불균형 분포는 불안정한 전기 제트를 초래합니다. 여기서 테일러 원뿔은 지속적으로 폴리머로 과잉 공급되고 빈번한 기간에 질량을 방출합니다.

자주 변화하는 각도를 볼 수 있으며 이로 인해 직경이 매우 다릅니다. 공정을 재안정화하려면 유속을 줄여 폴리머 전달을 최소화하고 속도와 전압을 높여 섬유에 가해지는 당기는 힘을 증폭합니다. 둘째, 광섬유는 아래로 이동하여 수집기에 수직으로 증착됩니다.

이에 따라 가속력의 양은 테일러 원뿔의 폴리머 공급을 능가합니다. 압력을 약간 증가시키고 전압을 낮추면 상황이 해결되거나 수집 속도가 변경됩니다. 셋째, 섬유는 뒤쳐지고 높은 각도에서 직선과 비슷합니다.

이에 따라 비교적 두꺼운 섬유가 생성되고 드래그됩니다. 이것은 증착 된 섬유의 부정확성을 증가시킵니다. 수집 속도가 감소하면 문제가 해결됩니다.

그러나 전기장 강도를 약간 증가시켜야 합니다. 용융 전기 방사에는 두 가지 수집 방법이 있습니다 : 평면 수집기와 맨드릴 수집기. 플랫 컬렉터를 적용하는 것은 가장 일반적인 방법을 말합니다.

크기가 다른 090 및 060도 구조는 문헌에 널리 보고되어 있습니다. 용융된 섬유를 수집기에 직접 증착할 수 있는 능력은 또한 반복적인 원형 구조와 같은 비선형 구조의 생산을 용이하게 합니다. 튜브형 아키텍처는 바늘과 평행하게 회전하고 횡단하는 원통형 수집기를 사용하여 달성할 수 있습니다.

회전 속도와 평행 이동 속도의 디코딩을 미세 조정함으로써 파이버의 방향을 수정할 수 있습니다. 평행 이동 속도보다 회전 속도가 빠르면 방사상 방향의 기공이 생성되고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 튜브의 직경은 구현된 맨드릴의 직경에 따라 다릅니다.

다양한 스캐폴드 아키텍처와 출판된 연구에서 제안된 응용 프로그램에 대한 자세한 목록은 원고에서 찾을 수 있습니다. 매우 민감한 전기장과 두 전극 사이의 거리에 대한 특정 종속성으로 인해 수집 단계와 프린트 헤드의 바닥면을 정기적으로 수평을 맞추는 것이 매우 중요합니다. 수집기와 헤드 사이의 거리를 너무 가깝게 설정하면 구성 요소 사이에 스파크가 발생할 때까지 전기장이 크게 증가합니다.

볼륨을 낮추십시오tage 즉시 전기 제어 상자에서 또는 문을 엽니다. 프로세스를 시작하기 전에 모든 케이블 연결을 다시 확인하고 느슨하지 않은지 확인하십시오. 바늘 손상은 잠재적으로 Taylor 콘을 변형시켜 인쇄 내의 불규칙성을 유발할 수 있습니다.

따라서 실수로 끝이 구부러진 바늘은 폐기해야 합니다. 우리는 이 비디오가 안정적인 전기 제트기를 구축하는 데 도움이 되기를 바라며, 우리처럼 용융 전기 방사 글쓰기가 조직 공학 및 재생 의학 분야에서 중요한 역할을 할 것임을 확신하기를 바랍니다.