$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Produkcja trójwymiarowych (3D) biokompatybilnych struktur dla komórek jest jednym z kluczowych wkładów bioprodukcji addytywnej do inżynierii tkankowej (TE), mającej na celu odtworzenie tkanek poprzez zastosowanie niestandardowych biomateriałów, komórek, czynników biochemicznych lub ich kombinacji. Dlatego główne wymagania dotyczące rusztowań do zastosowań TE obejmują: możliwość produkcji z materiałów biokompatybilnych, kontrolowane właściwości morfologiczne dla ukierunkowanej inwazji komórek oraz zoptymalizowane właściwości powierzchni dla lepszej interakcji między komórkami1.
MEW to bezrozpuszczalnikowa technika wytwarzania, która łączy zasady wytwarzania przyrostowego (często nazywanego drukiem 3D) i elektroprzędzenia do produkcji siatek polimerowych o wysoce uporządkowanych ultracienkich morfologiach włókien2. Jest to podejście do bezpośredniego zapisu i dokładnie osadza włókna zgodnie z zaprogramowanymi kodami3, określanymi jako G-Codes. Konstrukcje elektroprzędzone ze stopu są obecnie przygotowywane przy użyciu kolektora płaskiego4,5 lub mandrel6,7 do wytwarzania porowatych rusztowań płaskich i rurowych.
Ta technika oferuje znaczące korzyści dla społeczności TE i medycyny regeneracyjnej (RM) ze względu na możliwość bezpośredniego drukowania polimerów klasy medycznej, takich jak poli(ε-kaprolakton) (PCL), który wykazuje doskonałą biokompatybilność8. Inne zalety to możliwość dostosowania wielkości i rozkładu porowatości, poprzez osadzanie włókien w wysoce zorganizowany sposób w celu wytworzenia rusztowań o wysokim stosunku powierzchni do objętości. Zanim MEW będzie można wykonać, polimer wymaga najpierw zastosowania heat9. W stanie płynnym przyłożone ciśnienie powietrza zmusza je do wypłynięcia przez metalową dyszę przędzalniczą, która jest podłączona do źródła wysokiego napięcia. Równowaga sił między napięciem powierzchniowym a przyciąganiem naładowanej elektrostatycznie kropli do uziemionego kolektora prowadzi do powstania stożka Taylora, po którym następuje wyrzucenie jet10.
Obrazy i schematyczny rysunek urządzenia MEW zbudowanego przez nas dla tego protokołu są pokazane na rysunku 1. Dodatkowo demonstruje zasady stosowania taśmy izolacyjnej, aby uniknąć wyładowań elektrycznych między elementami grzejnymi a naładowaną elektrycznie mosiężną częścią otaczającą dyszę przędzalniczą. Niewystarczająca izolacja doprowadziłaby do wewnętrznych uszkodzeń zaimplementowanego sprzętu.
W zależności od dostosowania trzech parametrów systemu (temperatura, prędkość zbierania i ciśnienie powietrza), MEW umożliwia wytwarzanie włókien o różnych średnicach, co wyjaśniono w sekcji dyskusji. Jednak w większości przypadków konieczne będzie dostrojenie i optymalizacja strumienia, zanim stabilny strumień zostanie wyrzucony. Wizualizacja zelektryfikowanego strumienia jezdnego jest skutecznym sposobem weryfikacji spójności i jednorodności procesu. W idealnym przypadku tor lotu przypomina krzywą łańcuchową uzyskaną w wyniku zrównoważenia sił kontrolowanego przez parametry systemu11. Co więcej, mikro- i makrostruktura rusztowań jest zależna od toru lotu polimerowego jet12. Szczegółowa tabela różnych zachowań ugięcia i miar optymalizacji znajduje się w sekcji dyskusji.
W niniejszym badaniu prezentujemy protokół, który opisuje etapy produkcji wysoce kontrolowanych rusztowań włóknistych przy użyciu technologii MEW. W tej pracy zastosowano PCL klasy medycznej (masa cząsteczkowa 95-140 kg / mol), ponieważ ten PCL klasy medycznej ma lepszą czystość w porównaniu z klasą techniczną, a jego właściwości mechaniczne i przetwórcze są doskonałe dla MEW. Szeroki zakres przetwarzania PCL w stanie stopionym wynika z jego niskiej temperatury topnienia (60 °C) i wysokiej stabilności termicznej. Co więcej, PCL jest polimerem biodegradowalnym o niskiej szybkości, co czyni go doskonałym materiałem do wielu zastosowań w inżynierii tkankowej13.
Dla tego badania, temperatura i odległość kolektora będą utrzymywane na stałym poziomie (65 °C i 82 °C dla temperatur strzykawki i dyszy przędzalniczej (odpowiednio) oraz 12 mm dla odległości kolektora); przyłożone napięcie, prędkość kolektora i ciśnienie powietrza będą jednak zmieniane, aby wytworzyć włókna o docelowych średnicach. Szczegółowa lista opublikowanych badań z wykorzystaniem rusztowań MEW znajduje się w sekcji wyników i ujawnia różne zastosowania w dziedzinach TE i RM (Tabela 1).