Electrospinning schrijven van driedimensionale Poly(ε-caprolactone) steigers met controleerbare Morphologies voor Tissue Engineering toepassingen smelten
23 december 2017
Dit protocol fungeert als een uitgebreide richtsnoer te fabriceren steigers via electrospinning met polymeer in een directe schrijven-modus smelt. Wij systematisch overzicht van het proces en de juiste parameterinstellingen definiëren voor het bereiken van gerichte steiger platforms.
Deze video-tutorial reflecteert op elektrospinnen met polymeer smelten in een direct schrijfmodus en biedt noodzakelijke richtlijnen om scaffolds met goed geordende architectuur te fabriceren. Elektrospinnen verwijst naar een polymeerverwerkingstechniek waarbij een viskeuze polymeer wordt geëxtrudeerd door een opening terwijl de toepassing van een elektrisch veld de opkomst van een straal veroorzaakt. Elektrostatische krachten versnellen de vezel richting een tegengesteld geladen of geaard verzamelaar.
Om een vereist niveau van viscositeit te bereiken, werden polymeren traditioneel vloeibaar gemaakt in oplosmiddelen. Deze verdampen tijdens de vluchtfase, wat in combinatie met het elektrische veld, sterk scheuren van de vezels veroorzaakt. Dit resulteert in polymeer scaffolds waarvan de morfologische eigenschappen moeilijk te controleren, te karakteriseren en te reproduceren zijn.
Dit experiment demonstreert elektrospinnen met polymeer smelten. In plaats van op te lossen, wordt het vereiste niveau van viscositeit bereikt door de toepassing van warmte op maagdelijke polymeren. Het ontbreken van oplosmiddelen verbetert de macromoleculaire verstrenging van de polymeer en resulteert in een stabielere vezelvluchtbaan.
De microschaalvezels kunnen nauwkeurig worden gedeponeerd volgens de beweging van de verzamelaar. Elektrospinnen met polymeer smelten in een direct schrijfmodus maakt de fabricage van goed geordende scaffoldarchitecturen mogelijk, tot aan de micro- en zelfs nanoschaal. We voorspellen dat de technologie een sleutelrol zal spelen in de toekomst van weefselengineering en regeneratieve geneeskunde.
De technologie overbrugt een langverwachte kloof tussen conventionele vezelvormende processen en 3D-printprincipes en opent nieuwe wegen voor het ontwerpen van de volgende generatie scaffolds. Micro elektrospinnen schrijven vergemakkelijkt de directe verwerking van medische kwaliteitskunststoffen, zoals polycaprolacton of PCL. Vanwege de kleine diameters en hoog georganiseerde structuren en porositeit, zijn smeltgesponnen PCL scaffolds ideale structuren voor dit zowel in vitro als in vivo.
Een belangrijke voorwaarde om een effectieve pyrolyse met waardevolle resultaten te bereiken, is een hoog functioneel soft- en hardware. Daarom hebben we een volledig geïntegreerd systeem ontworpen met geautomatiseerde perimeter controle. Dit vergemakkelijkt een betrouwbare en specifiek reproduceerbare productie van scaffolds om voldoende aan de vereisten van de gebruikers te voldoen.
Smeltelektrospinnen schrijven omvat het fabriceren van scaffolds met verschillende architectuur. De volgende tutorial beschrijft materiaalvoorbereiding, scaffold productie, vezeldiameter aanpassing en optimalisatie van de stralen. Vul twee gram PCL in een drie milliliter plastic spuit en duw de zuiger voorzichtig in.
Plaats de spuit in een voorverwarmde oven gedurende acht uur op 65 graden Celsius. Knijp voorzichtig de zuiger totdat alle gevangen luchtbellen zijn verwijderd. Verbind een 23ga naald en bevestig deze aan het luchtdruksysteem.
Druk het neer totdat de naaldpunt uit de messing pot komt. Installeer de verzamelaar op het podium. Monteer en reinig het met 70% ethanol.
Bepaal snelheid en richting van de verzamelaarsbeweging door de G-code te programmeren om de grootte, ruimtelijke vezelafstand en het aantal lagen van de scaffold te variëren. Voor buisvormige scaffolds, selecteer rotatiesnelheid, translatiesnelheid en de herhalingen om de dikte van de scaffold te definiëren. Een gedetailleerde richtlijn om G-codes individueel te programmeren voor platte of buisvormige scaffolds is te vinden in het manuscript.
Open de software Mach3 en upload de gegenereerde G-code. Er zijn vijf instelbare systeemporameten die de kwaliteit van de resulterende scaffold aanzienlijk bepalen. Dit zijn luchtdruk, spanning, verzamel snelheid, temperatuur en werkafstand en moeten in de volgende volgorde worden aangepast.
Plaats een 12 millimeter hoge 3D-geprinte plastic blok tussen naald en verzamelaar om de werkafstand aan te passen. Zet beide verwarmingen aan en stel in op 65 graden voor het bovenste deel en 82 graden voor het onderste deel. Start de luchtdruk en wacht totdat de gesmolten polymeer uit de naald wordt geëxtrudeerd.
Voordat u met het proces begint, moet u ervoor zorgen dat alle aardingskabels stevig zijn verbonden. Sluit de voordeur van de behuizing die de vergrendeling verbindt. Verhoog de spanning totdat de geëxtrudeerde smelt in een Taylor-kegel transformeert en een gesmolten straal naar de verzamelaar uitwerpt.
Laat de polymeer smelt op de stilstaande verzamelaarplaat gedurende vijf minuten extrusiëren om de straal te stabiliseren. Elektrospinnen met polymeer smelten maakt de fabricage van verschillende vezeldiameters mogelijk. Dit kan worden bereikt door specifiek de systeemporameten druk, spanning en snelheid te variëren, terwijl afstand en temperatuur op een constant niveau worden gehouden.
Vezels met kleine diameter tussen drie en 10 micron kunnen worden afgedrukt door een relatief lage druk, klein tot medium elektrisch veld en hoge verzamel snelheden toe te passen. Op basis van de ervaring in ons lab, kunnen we vezels met een diameter van vier micrometer afdrukken met de volgende waarden: 0,9 bar, acht kilovolt en 1.700 millimeter per minuut. Middelgrote diameters tussen 10 en 20 micron kunnen worden afgedrukt door een relatief lage drukniveau, medium tot hoge spanning en verzamel snelheden in het mediumbereik toe te passen.
Op basis van de ervaring in ons lab, kunnen we vezels met een diameter van 13 micron afdrukken met de volgende waarden: 1,5 bar, 11 kilovolt en 1.200 millimeter per minuut. Vezels in het bereik van 20 tot 30 micron of meer vereisen grote polymeerextrusiesnelheden naast de toepassing van vergelijkbaar hoge spanningen en de laagst mogelijke verzamel snelheden. Op basis van de ervaring in ons lab, kunnen we vezels met een diameter van 25 micron afdrukken met de volgende waarden: 2,6 bar, 12 kilovolt en 700 millimeter per minuut.
In alle drie de gevallen zal echter fijne afstemming en optimalisatie vereist zijn om stabiele resultaten met homogene diameters te verkrijgen. In smeltelektrospinnen zal uiteindelijk alleen een perfect uitgebalanceerd evenwicht tussen de krachten die de stroming van de polymeermassa bepalen en de krachten die de straal naar de verzamelaar aantrekken, leiden tot consistent
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol dient als een uitgebreide richtlijn voor het vervaardigen van scaffolds via electrospinning met polymeersmelten in een direct write-modus. De video-tutorial reflecteert op het electrospinning-proces en biedt de nodige richtlijnen voor het bereiken van goed geordende scaffold-architecturen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Neurowetenschappen
- Biomaterialen
- Polymeerverwerking
Achtergrond
- Electrospinning is een polymeerverwerkingstechniek.
- Een viskeus polymeer wordt door een opening geëxtrudeerd.
- Een elektrisch veld induceert de vorming van een jet.
- Controle over de morfologische eigenschappen van scaffolds is uitdagend.
Doel van de studie
- Om het electrospinning-proces voor de fabricage van scaffolds te schetsen.
- Om parameterinstellingen te definiëren voor gerichte scaffold-architecturen.
- Om de reproduceerbaarheid en karakterisering van scaffolds te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Electrospinning met polymeersmelten.
- Directe schrijfmodus voor de fabricage van scaffolds.
- Toepassing van elektrische velden om de vezelvorming te beheersen.
- Systematische uiteenzetting van het fabricageproces.
Belangrijkste resultaten
- Richtlijnen voor het verkrijgen van goed geordende scaffold-architecturen.
- Gedefinieerde parameterinstellingen voor het electrospinning-proces.
- Inzichten in de uitdagingen bij het beheersen van de scaffold-morfologie.
- Verbeterd begrip van de electrospinning-techniek.
Conclusies
- Dit protocol verbetert technieken voor de fabricage van scaffolds.
- Het biedt een systematische aanpak voor electrospinning.
- Toekomstige studies kunnen voortbouwen op deze richtlijnen voor een beter scaffoldontwerp.
Veelgestelde Vragen
Industriële Relevantie voor Management
Melt electrospinning writing maakt de reproduceerbare fabricage mogelijk van goed geordende polycaprolacton-scaffolds met instelbare vezeldiameters en architecturen, wat voldoet aan de behoefte aan schaalbare, biomimetische nabootsingen van de extracellulaire matrix in tissue engineering. Deze aanpak ondersteunt het voorspellend vertrouwen in het ontwerp van de scaffold door solventgerelateerde variabiliteit te ontkoppelen en macromoleculaire verstrengeling te verbeteren voor een stabiele jetvorming. De technologie slaat een brug tussen vezelvormende precisie en de flexibiliteit van additive manufacturing, wat de risicoreductie bij de preklinische evaluatie van scaffolds faciliteert door gecontroleerde porositeit en afstemming van de oppervlakte-volumeratio.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om structuur-functie-relaties in biomaterialen te onderzoeken door systematisch de vezeldiameter en de architectuur van het scaffold te variëren om cellulaire responsmechanismen te beoordelen.
- Operationele waarde: Biedt een reproduceerbaar platform voor het genereren van gestandaardiseerde PCL-scaffolds om variabiliteit in vroege biocompatibiliteits- en mechanotransductie-assays te verminderen.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Produceert scaffolds met hoge oppervlakte-volumeratio's die het aantal effectieve adhesieplaatsen vergroten, waardoor kwantitatieve beoordeling van celhechting, proliferatie en migratie in gestandaardiseerde formaten mogelijk wordt.
- Operationele waarde: Ondersteunt de standaardisatie van assays door nauwkeurige controle van de vezelafzetting via instelbare parameters (stroomsnelheid, voltage, opvangsnelheid), wat de interlab-vergelijkbaarheid van resultaten uit fenotypische screening verbetert.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert de fabricage van ziekterelevante scaffold-architecturen (bijv. tubulair, circulair) die inheemse weefselmicro-omgevingen nabootsen, wat bijdraagt aan mechanistische risicoreductie bij toepassingen in de regeneratieve geneeskunde.
- Operationele waarde: Maakt translationele continuïteit mogelijk door hetzelfde melt electrospinning-proces te gebruiken van in vitro screening tot in vivo implantatiestudies, waardoor de last van revalidatie wordt verminderd.
Integratie van Pipeline & Workflow
Binnen het continuüm van wetenschappelijke ontdekkingen ondersteunt melt electrospinning writing het testen van hypothesen in de vroege fase van discovery, maakt het de productie van assay-ready scaffolds voor screening mogelijk en levert het kwantitatieve morfologische resultaten die informeren bij de identificatie van lead-verbindingen en beslissingen over preklinische verdere ontwikkeling.
- Discovery Biology: Ondersteunt biologische risicoreductie door systematische variatie van de morfologie van het scaffold mogelijk te maken, om structuurafhankelijke cellulaire pathways en mechanismen van target engagement te verduidelijken.
- Screening: Levert assay-ready scaffolds met reproduceerbare vezeldiameters en porositeit, wat de betrouwbaarheid van screening op basis van verbindingen of cellen in biomateriaalcontexten verbetert.
- Analytics: Biedt kwantitatieve read-outs van de vezeldiameter, scaffoldporositeit en architecturale getrouwheid, waardoor objectieve vergelijkingen tussen materiaalformuleringen of procescondities mogelijk worden.
- Translationeel onderzoek: Verbindt discovery met preklinische validatie via schaalbare fabricage van PCL-scaffolds met instelbare degradatie en mechanische eigenschappen die relevant zijn voor weefselregeneratiemodellen.
- Enterprise-hergebruik: Vestigt een herbruikbare platformtechnologie die aanpasbaar is over meerdere biomateriaalprogramma's, waardoor redundante procesontwikkeling wordt verminderd en platformgebaseerde investeringsbeslissingen worden ondersteund.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen in de prestaties van scaffolds door nauwkeurige controle mogelijk te maken over morfologische parameters die cel-scaffold-interacties en weefselintegratie beïnvloeden.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid en schaalbaarheid via parametergestuurde vezelafzetting, waardoor de variabiliteit tussen batches bij de productie van scaffolds wordt verminderd voor consistente experimentele resultaten.
- Strategische waarde: Ondersteunt betere go/no-go-beslissingen bij de ontwikkeling van biomaterialen door risico's op falen in een laat stadium, geassocieerd met onvoorspelbare scaffoldarchitectuur of slechte celinfiltratie, te verminderen.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van biomateriaalkandidaten mogelijk door gestandaardiseerde, gekenmerkte scaffolds te genereren die de translationele voorspelbaarheid in de ontdekkings- en preklinische fasen verbeteren.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in polymeerverwerking, elektrostatica en bewegingscontrolesystemen om de jetstabiliteit en vezeldepositie te optimaliseren.
- Necessiteert gespecialiseerde instrumentatie, waaronder een verwarmd spuitensysteem, een hoogspanningsvoeding, een precisiebewegingsplatform en een omhullende behuizing voor consistente thermische en elektrische omstandigheden.
- Vraagt om standaardisatie tussen teams wat betreft G-code-programmering, parameterlogging en post-processing karakterisering om reproduceerbaarheid tussen gebruikers en locaties te waarborgen.
- Omvat overwegingen voor aanpassing bij het overdragen van het proces naar verschillende polymeren of scaffoldgeometrieën, wat heroptimalisatie van de spanning, stroomsnelheid en opvangsnelheid noodzakelijk maakt.
- Houdt rekening met praktische beperkingen, zoals gevoeligheid voor fluctuaties in de werkafstand, verstopping van de naald en omgevingsverstoringen die de jetstabiliteit kunnen verstoren en frequente systeemkalibratie vereisen.
