Method Article

Podstawy elektroprzędzenia: optymalizacja parametrów roztworu i aparatury

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

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

Techniki elektroprzędzenia mogą tworzyć różnorodne rusztowania z nanowłókien do inżynierii tkankowej lub innych zastosowań. Opisujemy tutaj procedurę mającą na celu optymalizację parametrów roztworu i aparatury do elektroprzędzenia w celu uzyskania włókien o pożądanej morfologii i wyrównaniu. Przedstawiono również typowe problemy i techniki rozwiązywania problemów.

Abstract

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

Elektroprzędzone rusztowania z nanowłókien wykazały, że przyspieszają dojrzewanie, poprawiają wzrost i kierują migracją komórek in vitro. Elektroprzędzenie to proces, w którym naładowany strumień polimeru jest zbierany na uziemionym kolektorze; Szybko obracający się kolektor powoduje wyrównanie nanowłókien, podczas gdy stacjonarne kolektory skutkują losowo zorientowanymi matami włóknistymi. Strumień polimeru powstaje, gdy przyłożony ładunek elektrostatyczny pokonuje napięcie powierzchniowe roztworu. Dla danego polimeru istnieje minimalne stężenie, określane jako krytyczne stężenie splątania, poniżej którego nie można osiągnąć stabilnego strumienia i nie powstaną żadne nanowłókna - chociaż można osiągnąć nanocząstki (elektrorozpylanie). Stabilny odrzutowiec ma dwie domeny, segment strumieniowy i segment biczowania. Podczas gdy strumień biczowania jest zwykle niewidoczny gołym okiem, segment strumieniowy jest często widoczny w odpowiednich warunkach oświetleniowych. Obserwacja długości, grubości, konsystencji i ruchu strumienia jest przydatna do przewidywania ułożenia i morfologii tworzących się nanowłókien. Krótki, niejednorodny, niespójny i/lub oscylujący strumień wskazuje na różne problemy, w tym słabe wyrównanie włókien, perlenia, rozpryskiwanie się oraz zakrzywione lub faliste wzory. Strumień można zoptymalizować, dostosowując skład roztworu i konfigurację aparatury do elektroprzędzenia, optymalizując w ten sposób wyrównanie i morfologię wytwarzanych włókien. W niniejszym protokole przedstawiamy procedurę ustawiania podstawowego aparatu do elektroprzędzenia, empirycznie przybliżającego krytyczne stężenie splątania roztworu polimerowego i optymalizującego proces elektroprzędzenia. Ponadto omawiamy niektóre typowe problemy i techniki rozwiązywania problemów.

Protocol

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

1. Wybierz polimer

  1. Wybierz polimer (np. kwas poli-L-mlekowy (PLLA), polikaprolakton (PCL), polistyren (PS) lub nylon) w oparciu o swoje specyfikacje (np. biodegradowalny, termoplastyczny lub sieciowany) i rozpuszczalnik tego polimeru. Wybierz odpowiednie środki ochrony osobistej w oparciu o swój wybór.
  2. Wybierz podłoże w zależności od zastosowania (np. szkło, plastik, metal lub płytka krzemowa).

2. Wybierz Kolekcjonera

  1. Wybierz geometrię kolektora w oparciu o swoje specyfikacje. Losowe włókna można zbierać na nieruchomych płytkach. Wyrównane włókna mogą być zbierane na szybko obracających się kołach, bębnach lub prętach lub na równoległych płytach.
  2. Kolektor musi być przewodzący i musi pozostawać odizolowany od swojej osi w taki sposób, aby można go było uziemić bez uziemiania sąsiednich przedmiotów, blatu stołu itp.

3. Empirycznie przybliż krytyczne stężenie splątania1

  1. Przygotuj kilka potencjalnych stężeń polimeru (np. 4, 10, 15, 20, 30% wag.) i na początek wybierz stężenie, które płynie (roztwór powinien być lepką cieczą, ale nie żelem).
  2. Ustawić aparaturę do elektroprzędzenia2,3,4,5 (patrz rysunek 1)
    1. Załadować pompę strzykawkową i ustawić prędkość pompy w taki sposób, aby każda kropla roztworu wytarta z końcówki została natychmiast wymieniona.
    2. Uziemić kolektor i przypiąć przewód wysokiego napięcia do płytki przewodzącej (mały kwadrat materiału przewodzącego, takiego jak folia aluminiowa, przez który wystaje końcówka strzykawki).
    3. Zacznij obracać kołem.
    4. Upewnij się, że zasilacz jest ustawiony na zero przed włączeniem.
  3. Obserwuj strumień
    1. Powoli zwiększaj napięcie i obserwuj kroplę roztworu na końcówce igły.
    2. Dostosuj napięcie, aby uzyskać długi i stały strumień. Jeśli nie można uzyskać stałego strumienia, należy dostosować stężenie roztworu polimeru. Przykład znajduje się w tabeli 1.

4. Rozwiązywanie problemów - Strumień:

  1. Problemy z wyświetlaniem strumienia
    1. Użyj ciemnego, matowego tła i umieść jednokierunkowe źródło światła (takie jak latarka) między widzem a strumieniem (patrz rysunek 2).
  2. Kapie z końcówki strzykawki
    1. Jeśli roztwór polimeru kapie prosto w dół i nie przyciąga koła, upewnij się, że płytka przewodnika styka się z końcówką igły i że kolektor styka się z masą.
    2. Jeśli kropla roztworu polimeru na końcówce strzykawki pochyla się w kierunku koła, ale nie tworzy strumienia, zwiększ napięcie. Jakość strumienia można regulować, zmieniając odległość i napięcie, aż do momentu, gdy widoczny będzie stały strumień. Na rysunku 3 przedstawiono sugerowane odległości wraz z odpowiednimi napięciami dla 4% roztworu PLLA i płytki przewodzącej 8x8 cm.
  3. Duże kulki na końcu strzykawki
    1. Gdy roztwór polimeru zacznie się zbierać i twardnieć na końcu igły, odgarnij kulkę ręcznikiem papierowym przymocowanym do nieprzewodzącego patyczka.
  4. Strumienie oscylujące lub "merdające"
    Gdy strumień gwałtownie porusza się w górę i w dół, zmniejsz napięcie lub zwiększ odległość między końcówką strzykawki a kołem. Jeśli strumień nadal się kołysze, użyj polimeru o wyższym stężeniu lub dodaj trochę rozpuszczalnika o wolniejszym parowaniu.
  5. Strumienie krótkie lub nieciągłe
    Widoczne stałe strumienie, które dostrzegalnie stykają się z zestawem kołowym przy dużej prędkości obrotowej, zapewniają najwyższą jakość jednorodności i wyrównania. Gdy strumień jest krótki i nieciągły, zwiększenie roztworu polimeru, dodanie większej ilości wolno parującego rozpuszczalnika i dostosowanie napięcia poprawi długość i stabilność strumienia.

5. Rozwiązywanie problemów - Morfologia włókien6,7,8 (patrz Rysunek 4)

  1. Beading
    Po odkryciu koralików we włóknach zwiększ roztwór polimeru i upewnij się, że płytka przewodząca stale styka się z igłą i że uziemiona szczotka druciana ma ciągły kontakt z kołem.
  2. Wstążki i włókna krwawiące
    Gdy włókna tworzą się jako wstęgi lub krwawią razem, użyj polimeru o wyższym stężeniu lub rozpuszczalnika o większej szybkości parowania (bardziej lotnym).
  3. Włókna zawijałe lub faliste
    Gdy włókna tworzą fale lub zawijasy, zwiększ prędkość koła lub przesuń końcówkę igły dalej od kolektora. Sprawdź również, czy płyta przewodu i kolektor nie wibrują.
  4. Porowatość9
    Jeśli pożądane są pory, użyj szybko odparowującego rozpuszczalnika. Jeśli pory nie są pożądane, spróbuj dodać niewielką ilość współrozpuszczalnika, który jest mniej lotny niż główny rozpuszczalnik.
  5. Wyrównanie10
    Gdy kolektor porusza się z niskimi obrotami lub w spoczynku, jakość wyrównania jest słaba. Zwiększ wyrównanie, zwiększając prędkość koła.

6. Reprezentatywne wyniki:

Proszę zapoznać się z Rysunkiem 4, aby zapoznać się z typowymi wynikami włókien.

figure-protocol-1
Rysunek 1. Typowy zestaw do elektroprzędzenia. Roztwór polimeru (niebieski) jest dozowany z pompy strzykawkowej (pomarańczowy). Wysokonapięciowy zasilacz prądu stałego (kolor zielony) uziemia szybko obracający się kolektor kołowy (kolor szary), na którym gromadzone są wyrównane nanowłókna. Strumień polimeru między strzykawką a kolektorem składa się ze stałego segmentu strumieniowego i szybko oscylującego segmentu ubijania.

figure-protocol-2
Rysunek 2. Strumień strumieniowy jest widoczny wychodząc z końcówki strzykawki; Bicz jest zbyt mały, aby go zobaczyć.

Przybliżenie krytycznego stężenia splątania PLLA

PLLA (% wag./v) obserwacja Regulacja koncentracji 0,5 Kapie, brak strumienia wzrost 2.0 Plucie małymi kulkami; brak strumienia Zwiększ nieznacznie Wersja 4.0 Stały strumień dobry 6,0 Plucie dużymi kulkami lub koralikami Nieznacznie zmniejsz 12,0 Zbrylanie się na końcu; brak strumienia spadek

Tabela 1. Przykład przedstawiający przybliżenie krytycznego stężenia splątania PLLA. Testuje się różne stężenia polimerów i obserwuje się powstałe strumienie, aż do uzyskania stałego strumienia.

figure-protocol-3
Rysunek 3. Odległość między końcówką strzykawki a kolektorem musi być zrównoważona przyłożonym napięciem, aby uzyskać stały strumień strumieniowy. Nadmierne przyłożone napięcie powoduje powstawanie oscylującego lub "merdającego" strumienia, który skutkuje mniej dobrze wyrównanymi włóknami. Gdy napięcie jest zbyt niskie, nie powstanie żaden strumień, a roztwór będzie kapał tylko z końcówki strzykawki. Fioletowy zacieniony obszar powyżej reprezentuje zakres napięcia, w którym można uzyskać stały strumień strumieniowy dla PLLA w funkcji odległości od strzykawki do kolektora.

figure-protocol-4
Rysunek 4. Włókna elektroprzędzone mogą wykazywać różne morfologie, w tym koraliki (A), wstęgi (B), zawijasy (C), porowate kulki (D), dobre wyrównanie (E) i słabe wyrównanie (F).

Discussion

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

Nuta: Większość przedstawionych tu przykładów dotyczy elektroprzędzenia nanowłókien poli-L-mlekowych (PLLA). Dzieje się tak po prostu dlatego, że PLLA jest najczęściej przędzonym polimerem w naszym laboratorium. Jednak z powodzeniem zastosowaliśmy te metody również do elektrowirowania innych polimerów (np. PLGA, PCL, PS) i uważamy, że przedstawione tutaj techniki można łatwo zastosować do większości roztworów polimerów o średniej i wysokiej masie cząsteczkowej.

Disclosures

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

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Acknowledgements

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

Ta praca była wspierana przez NIH K08 EB003996 oraz Grant 2573 Fundacji Badawczej Sparaliżowanych Weteranów Ameryki.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Wysokonapięciowy zasilacz prądu stałegoGamma High VoltageES40P-5W
Pompa strzykawkowaKD ScientificKDS100
Folia aluminiowaReynolds Wrap
Blunt metalowe końcówki, 23gaFisher Scientific13-850-102
Strzykawka polipropylenowaBD Biosciences309585
Obrotowa lub kolektor stacjonarnyCustom Made
Różne zaciski i druty
DimethylformamideFisher ScientificAC11622-0010
ChloroformFisher ScientificAC42355-0040
PLLABoehringer IngeheimResomer L210
PLGA 85:15Sigma-Aldrich43471
Taśma węglowaTed Pella, Inc.13073-1
aligatorowe

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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. 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. 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. 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. 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. Tan, S. -H., Kotaki, M., Ramakrishna, S. Systematic parameter study for ultra-fine fiber fabrication via electrospinning process. Polymer. 46, 6128-6134 (2005).
  7. 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. 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. 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. 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