Electrospinning Fundamentals: Het optimaliseren van Solution en Apparatuur Parameters

Summary

Electrospinning technieken kan een verscheidenheid van nanofibrous scaffolds voor tissue engineering of andere toepassingen. We beschrijven hier een procedure om de parameters van de electrospinning oplossing en apparatuur te optimaliseren om vezels te verkrijgen met de gewenste morfologie en uitlijning. Veel voorkomende problemen en het oplossen van problemen technieken worden ook gepresenteerd.

Abstract

Electrospun nanovezel steigers is aangetoond dat de rijping te versnellen, de groei te verbeteren en de migratie van cellen in vitro te sturen. Elektrospinproces is een proces waarbij een geladen polymeer jet is verzameld op een geaarde collector, een snel roterende verzamelaar resultaten in lijn nanovezels tijdens het stilstaan ​​verzamelaars resulteren in willekeurig georiënteerde vezels matten. Het polymeer jet wordt gevormd wanneer een toegepast elektrostatische lading van de oppervlaktespanning van de oplossing overwint. Er is een minimale concentratie voor een bepaald polymeer, aangeduid als de kritische verstrengeling concentratie, waaronder een stabiele jet niet kan worden bereikt en er geen nanovezels zal vormen - hoewel nanodeeltjes kan worden bereikt (electrospray). Een stabiele jet heeft twee domeinen, een streaming segment en een zweep segment. Terwijl de opzwepende jet is meestal onzichtbaar voor het blote oog, de streaming segment is vaak zichtbaar onder de juiste lichtomstandigheden. Observeren van de lengte, dikte, consistentie en de beweging van de stroom is nuttig om de uitlijning en de morfologie van de nanovezels gevormd voorspellen. Een korte, niet-uniform, inconsistent en / of oscillerende stroom is indicatief voor een aantal problemen, zoals een slechte vezels uitlijning, beading, spatten, en grillig motief of golvende patronen. De stroom kan worden geoptimaliseerd door het aanpassen van de samenstelling van de oplossing en de configuratie van de electrospinning apparaat, waardoor het optimaliseren van de afstemming en de morfologie van de vezels wordt geproduceerd. In dit protocol, presenteren we een procedure voor het opzetten van een basis electrospinning apparaat, empirisch onderlinge aanpassing van de kritische verstrengeling concentratie van een polymeeroplossing en optimaliseren van de elektrospinproces. Daarnaast bespreken we enkele veel voorkomende problemen en het oplossen van problemen technieken.

Protocol

1. Kies een Polymer

1. Kies een polymeer (bijvoorbeeld poly-L-melkzuur (PLLA), polycaprolacton (PCL), polystyreen (PS) of nylon) op basis van uw specificaties (bv. biologisch afbreekbaar, thermoplastische of cross-koppelbare) en een oplosmiddel van dat polymeer. Kies een geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen op basis van uw selectie.
2. Selecteer een substraat op basis van uw toepassing (bv. glas, kunststof, metaal of silicium wafer).

2. Kies een Collector

1. Kies de collector geometrie op basis van uw specificaties. Willekeurige vezels kunnen worden verzameld aan stationaire platen. Uitgelijnde vezels kunnen worden verzameld op snel draaiende wielen, trommels of stangen of op parallelle platen.
2. De collector moet geleidend en moet blijven geïsoleerd van haar axel op een zodanige wijze dat het kan worden geaard zonder ook aarding aangrenzende objecten, het tafelblad, enz.

3. Onderlinge aanpassing van de Kritische Entanglement Concentratie Empirisch ^een

1. Bereid een aantal kandidaat-polymeer-concentraties (bijvoorbeeld 4, 10, 15, 20, 30 gew%) en kies een concentratie die stroomt (de oplossing moet een stroperige vloeistof, maar niet een gel worden) om mee te beginnen.
2. Stel de electrospinning apparaat ^2,3,4,5 (zie figuur 1)
   1. Plaats de spuit pomp en stel de snelheid van de pomp zodanig dat elke kraal van de oplossing weggevaagd van de punt onmiddellijk wordt vervangen.
   2. Grond van de collector en de clip van de hoge spanning draad aan op de geleider plaat (een klein vierkant van geleidend materiaal, zoals aluminiumfolie, waardoor de spuit steekt).
   3. Start het wiel draaien.
   4. Zorg ervoor dat de voeding is ingesteld op nul voordat u hem aan.
3. Let op de stroom
   1. Ramp spanning langzaam en kijk naar de kraal van de oplossing bij de naald.
   2. Stel de spanning om een ​​langdurige en stabiele stroom te verkrijgen. Als er een gestage stroom niet kan worden verkregen, past u de polymeeroplossing concentratie. Zie tabel 1 voor een voorbeeld.

4. Het oplossen van problemen - het Stream:

1. Problemen het bekijken van de stroom
   1. Gebruik een donkere matte achtergrond en plaats een unidirectioneel lichtbron (zoals een zaklamp) tussen de kijker en de stroom (zie figuur 2).
2. Druipen van de spuit
   1. Als de polymeeroplossing is recht naar beneden druipt met geen aantrekkingskracht aan het wiel, zorg ervoor dat de dirigent plaat is contact maken met de naald en dat de verzamelaar is het maken van contact met de grond.
   2. Als de druppel polymeeroplossing op de spuit is leunend in de richting van het wiel, maar is geen deel van een beek, verhoging van de spanning. De kwaliteit van de stroom kan worden aangepast door het variëren van de afstand en de spanning tot een gestage stroom zichtbaar is. Zie figuur 3 voor aanbevolen afstanden met bijbehorende spanningen voor een 4% PLLA-oplossing en een 8x8 cm dirigent plaat.
3. Grote klodders op de spuit
   1. Wanneer het polymeer oplossing begint te verzamelen en te harden aan het uiteinde van de naald, veegt de klodder weg met een papieren handdoek aan een niet-geleidende stick.
4. Oscillerende of 'kwispelen' streams
   Wanneer de stroom is kwispelen op en snel naar beneden, zet de spanning of vergroot de afstand tussen de spuit en het wiel. Als de stroom blijft kwispelen gebruik maken van een hogere concentratie van polymeer of een beetje oplosmiddel met een tragere verdamping toe te voegen.
5. Korte of discontinue stromen
   Zichtbare gestage stromen maken waarneembaar contact met het wiel op een hoog rotatiesnelheid opbrengst van de hoogste kwaliteit van uniformiteit en afstemming. Wanneer de stroom is kort en discontinue, het verhogen van de polymeer-oplossing, het toevoegen van meer langzaam verdampen oplosmiddel, en het aanpassen van de spanning zal de lengte en de stabiliteit van de beek te verbeteren.

5. Het oplossen van problemen - Fiber Morfologie ^6,7,8 (zie figuur 4)

1. Beading
   Wanneer kralen worden ontdekt in de vezels, verhoging van de polymeeroplossing en zorg ervoor dat de geleider plaat is continu contact maakt met de naald en dat het geaarde staalborstel is het maken van continu contact met het wiel.
2. Linten en bloeden vezels
   Wanneer vezels worden gevormd als linten of samen bloeden, gebruik dan een hogere concentratie van polymeer of een oplosmiddel met een hogere mate van verdamping (meer vluchtige).
3. Grillig motief of golvend vezels
   Wanneer vezels worden golven of krullen vormen, verhogen de wielsnelheid of verder beweeg de naald van de collector. Controleer ook of de dirigent plaat en collector niet trillen.
4. Porositeit ⁹
   Indien poriën gewenst zijn, gebruik maken van een snel verdampende oplosmiddel. Als poriën zijn niet gewenst, probeer dan het toevoegen van een kleine hoeveelheid co-oplosmiddel, dat is minder volatiel dan de grote oplosmiddel.
5. Alignment ¹⁰
   Wanneer de collector is movING op een laag toerental of in rust, de uitlijning kwaliteit is slecht. Verhoog de uitlijning door het verhogen van de snelheid van het wiel.

6. Representatieve resultaten:

Verwijzen wij u naar figuur 4 voor de voorstellingen van typische vezels resultaten.

Figuur 1. Een typische electrospinning setup. Een polymeer-oplossing (blauw) is vrijgesteld van een injectiepomp (oranje). Een hoog voltage DC voeding (groen) gronden een snel roterende wiel collector (grijs) op die lijn nanovezels worden verzameld. Het polymeer jet tussen de spuit en de collector bestaat uit een stabiele streaming segment en een snel oscillerende zweepslagen segment.

. Figuur 2 De streaming-straal is zichtbaar het verlaten van de spuit, de geseling jet is te klein om gezien te worden.

Onderlinge aanpassing van de kritische verstrengeling concentratie van PLLA

PLLA (% wt / v)	Observatie	Concentratie Aanpassing
0.5	Druipend, geen stroom	Verhogen
2.0	Spitting kleine klodders, geen stroom	Increse licht
4.0	Gestage stroom	Goed
6.0	Spugen grote klodders of kralen	Daling iets
12,0	Klonteren op de punt, geen stroom	Afname

Tabel 1. Een voorbeeld beeltenis van de onderlinge aanpassing van de kritische verstrengeling concentratie van PLLA. Verschillende concentraties polymeer worden berecht en de daaruit voortvloeiende streaming jets waargenomen totdat er een gestage stroom wordt verkregen.

Figuur 3. De afstand tussen de spuit en de collector moet worden afgewogen tegen de aangelegde spanning om een constante streaming jet te verkrijgen. Overtollige aangelegde spanning veroorzaakt een oscillerende of 'kwispelen' jet met die resultaten vormen in minder goed uitgelijnd vezels. Wanneer de spanning te laag is, zal geen straal vormen en de oplossing zal alleen het druppelen uit de spuit. De paarse gearceerde gebied staat boven de spanning bereik waarover een stabiele streaming jet kan voor PLLA worden verkregen als een functie van de spuit-to-verzamelaar afstand.

Figuur 4. Electrospun vezels kunnen vertonen een verscheidenheid van morfologieën, inclusief beading (A), linten (B), krullen (C), poreuze globs (D), een goede afstemming (E) en een slechte uitlijning (F).

Discussion

Let op: Het merendeel van de voorbeelden die hier omgaan met electrospinning poly-L-melkzuur (PLLA) nanovezels. Dit komt simpelweg omdat PLLA is de meest voorkomende polymeer gesponnen in ons laboratorium. We hebben echter ook met succes gebruikt deze methoden om andere polymeren (bijvoorbeeld PLGA, PCL, PS) electrospin en dat de hier gepresenteerde technieken gemakkelijk zijn van toepassing op het merendeel van de midden-tot hoog moleculair gewicht polymeer-oplossingen geloven.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
High voltage DC power supply	Gamma High Voltage	ES40P-5W
Syringe pump	KD Scientific	KDS100
Aluminum foil	Reynolds Wrap
Blunt metal tips, 23ga	Fisher Scientific	13-850-102
Polypropylene syringe	BD Biosciences	309585
Rotating or stationary collector	Custom Made
Various alligator clips and wires
Dimethylformamide	Fisher Scientific	AC11622-0010
Chloroform	Fisher Scientific	AC42355-0040
PLLA	Boehringer Ingeheim	Resomer L210
PLGA 85:15	Sigma-Aldrich	43471
Carbon tape	Ted Pella, Inc.	13073-1