Zapis elektroprzędzenia ze stopu trójwymiarowych rusztowań poli(ε-kaprolaktonu) z kontrolowanymi morfologiami do zastosowań w inżynierii tkankowej

Ten samouczek wideo omawia elektroprzędzenie ze stopionymi polimerami w trybie bezpośredniego pisania i zawiera niezbędne wskazówki dotyczące wytwarzania rusztowań o dobrze uporządkowanej architekturze. Elektroprzędzenie odnosi się do techniki przetwarzania polimerów, w której lepki polimer jest wytłaczany przez otwór, podczas gdy przyłożenie pola elektrycznego powoduje powstanie strumienia. Siły elektrostatyczne przyspieszają światłowód w kierunku przeciwnie naładowanego lub uziemionego kolektora.

Aby osiągnąć wymagany poziom lepkości, polimery tradycyjnie upłynniano w rozpuszczalnikach. Odparowują one w fazie lotu, co w połączeniu z polem elektrycznym powoduje silne wyboczenie włókien. W ten sposób powstają rusztowania polimerowe, których właściwości morfologiczne są trudne do kontrolowania, charakteryzowania i rozmnażania.

Ten eksperyment demonstruje elektroprzędzenie z udziałem stopionych polimerów. Zamiast rozpuszczać, wymagany poziom lepkości osiąga się poprzez zastosowanie ciepła do pierwotnych polimerów. Brak rozpuszczalników poprawia makromolekularne splątanie polimeru i skutkuje bardziej stabilną ścieżką lotu włókien.

Włókna w skali mikronowej mogą być dokładnie osadzane zgodnie z ruchem kolektora. Elektroprzędzenie z topionymi polimerami w trybie bezpośredniego zapisu pozwala na wytwarzanie dobrze uporządkowanych architektur rusztowań, w skali mikronów, a nawet nano. Przewidujemy, że technologia ta odegra kluczową rolę w przyszłości inżynierii tkankowej i medycyny regeneracyjnej.

Technologia ta wypełnia długo oczekiwaną lukę między konwencjonalnymi procesami formowania włókien a zasadami druku 3D i otwiera nowe możliwości projektowania rusztowań nowej generacji. Pisanie mikroprzędzalnicze ułatwia bezpośrednie przetwarzanie tworzyw sztucznych klasy medycznej, takich jak polikaprolakton lub PCL. Ze względu na małe średnice oraz wysoce zorganizowane struktury i porowatość, rusztowania PCL ze stopu są idealnymi konstrukcjami do tego celu, zarówno in vitro, jak i in vivo.

Jednym z głównych warunków wstępnych do osiągnięcia skutecznej pirolizy z cennymi wynikami jest wysoce funkcjonalny sprzęt programowy. Dlatego zaprojektowaliśmy w pełni zintegrowany system ze zautomatyzowaną kontrolą obwodową. Ułatwia to niezawodną i specyficznie powtarzalną produkcję rusztowań, aby w wystarczającym stopniu spełnić wymagania użytkowników.

Pisanie elektrospinowe melt polega na wytwarzaniu rusztowań o różnych architekturach. Poniższy samouczek opisuje przygotowanie materiału, produkcję rusztowań, regulację średnicy włókien i optymalizację dysz. Napełnij dwa gramy PCL do trzymililitrowej plastikowej strzykawki i delikatnie wciśnij tłok.

Umieść strzykawkę w piekarniku nagrzanym do ośmiu godzin w temperaturze 65 stopni Celsjusza. Ostrożnie ścisnąć tłok, aż wszystkie uwięzione pęcherzyki powietrza zostaną usunięte. Podłącz igłę 23ga i przymocuj ją do systemu ciśnienia powietrza.

Dociśnij go, aż końcówka igły wysunie się z mosiężnego garnka. Zainstaluj kolektor na scenie. Zamontuj i wyczyść go 70% etanolem.

Określ prędkość i kierunek ruchu kolektora, programując G-code tak, aby zmieniał rozmiar, przestrzenną odległość włókien i liczbę warstw rusztowania. W przypadku rusztowań rurowych należy wybrać prędkość obrotową, prędkość translacyjną i jej powtórzenia, aby określić grubość rusztowania. Szczegółowe wytyczne dotyczące indywidualnego programowania G-kodów dla rusztowań płaskich lub rurowych można znaleźć w manuskrypcie.

Otwórz oprogramowanie Mach3 i wgraj wygenerowany G-code. Dostępnych jest pięć regulowanych parametrów systemu, które w znacznym stopniu decydują o jakości powstałego rusztowania. Są to ciśnienie powietrza, napięcie, prędkość zbierania, temperatura i odległość robocza i należy je dostosować w następującej kolejności.

Umieść plastikowy blok o wysokości 12 milimetrów wydrukowany w 3D między igłą a kolektorem, aby dostosować odległość roboczą. Włącz obie grzałki i ustaw na 65 stopni dla górnej części i 82 stopnie dla dolnej części. Zainicjuj ciśnienie powietrza i poczekaj, aż stopiony polimer zostanie wytłoczony z igły.

Przed rozpoczęciem procesu upewnij się, że wszystkie uziemiające są dobrze podłączone. Zamknij przednie drzwiczki obudowy, która łączy blokadę. Zwiększaj napięcie, aż wytłoczony stop przekształci się w stożek Taylora i wyrzuci stopiony strumień w kierunku kolektora.

Pozwól, aby stopiony polimer został wytłoczony na płycie kolektora przez pięć minut, aby ustabilizować strumień. Elektroprzędzenie ze stopionymi polimerami pozwala na wytwarzanie włókien o różnych średnicach. Można to osiągnąć poprzez specyficzną zmianę parametrów systemu: ciśnienia, napięcia i prędkości, przy jednoczesnym utrzymaniu odległości i temperatury na stałym poziomie.

Włókna o małej średnicy od trzech do 10 mikronów można drukować poprzez zastosowanie stosunkowo niskiego ciśnienia, małego lub średniego pola elektrycznego i dużych prędkości zbierania. Bazując na doświadczeniu w naszym laboratorium, możemy drukować włókna o średnicy czterech mikrometrów o następujących wartościach: 0,9 bara, osiem kilowoltów i 1 700 milimetrów na minutę. Średnie średnice od 10 do 20 mikronów mogą być drukowane poprzez zastosowanie stosunkowo niskiego poziomu ciśnienia, średniego do wysokiego napięcia i prędkości zbierania w średnim zakresie.

Bazując na doświadczeniu w naszym laboratorium, możemy drukować włókna o średnicy 13 mikrometrów o następujących wartościach: 1,5 bara, 11 kilowoltów i 1 200 milimetrów na minutę. Włókna w zakresie od 20 do 30 mikronów lub więcej wymagają dużych szybkości wytłaczania polimerów przy zastosowaniu porównywalnie wysokich napięć i najniższych możliwych prędkości zbierania. Bazując na doświadczeniu w naszym laboratorium, możemy drukować włókna o średnicy 25 mikrometrów z następującymi wartościami: 2,6 bara, 12 kilowoltów i 700 milimetrów na minutę.

Jednak we wszystkich trzech przypadkach konieczne będzie precyzyjne dostrojenie i optymalizacja, aby uzyskać stabilne wyniki przy jednorodnych średnicach. W elektroprzędzeniu ze stopu tylko idealnie zrównoważona równowaga między siłami decydującymi o przepływie masy polimerowej a siłami przyciągającymi strumień w kierunku kolektora ostatecznie doprowadzi do spójnych morfologii rusztowania. Dobrze zrównoważona równowaga jest osiągana, gdy tor lotu światłowodu przypomina krzywą łańcuchową w długim okresie czasu.

Znane są jednak trzy różne zachowania odbiegające od normy. Po pierwsze, niezrównoważony rozkład między masą dostarczaną do stożka Taylora a odpowiednimi siłami oporu na włóknach powoduje niestabilny strumień naelektryzowany. Tutaj stożek Taylora jest stale przekarmiany polimerem i uwalnia swoją masę w częstych okresach czasu.

Widoczne są często zmieniające się kąty, które skutkują bardzo różnymi średnicami. Aby ponownie ustabilizować proces, zmniejsz natężenie przepływu, aby zminimalizować dostarczanie polimeru oraz zwiększ prędkość i napięcie, aby wzmocnić siły ciągnące na włókno. Po drugie, światłowód przemieszcza się w dół i prostopadle osadza się na kolektorze.

W ten sposób wielkość sił przyspieszenia przewyższa podaż polimeru w stożku Taylora. Niewielki wzrost ciśnienia i obniżenie napięcia rozwiązuje sytuację lub zmienia prędkość odbioru. Po trzecie, włókno pozostaje w tyle i przypomina linię prostą pod dużym kątem.

W ten sposób wytwarzane i przeciągane są stosunkowo grube włókna. Prowadzi to do zwiększonych niedokładności osadzonych włókien. Zmniejszenie szybkości zbierania rozwiąże problem.

Potrzebne są jednak niewielkie wzrosty natężenia pola elektrycznego. W elektroprzędzeniu ze stopu istnieją dwie metody zbierania: kolektory płaskie i kolektory trzpieniowe. Stosowanie kolektorów płaskich jest najczęstszą metodą.

Struktury 090 i 060 stopni o różnych rozmiarach są szeroko opisywane w literaturze. Możliwość bezpośredniego osadzania stopionych włókien na kolektorze ułatwia również wytwarzanie struktur nieliniowych, takich jak powtarzalne struktury kołowe. Architekturę rurową można osiągnąć za pomocą cylindrycznych kolektorów, które obracają się i przesuwają równolegle do igły.

Poprzez precyzyjne dostrojenie dekodowania zarówno prędkości obrotowej, jak i translacyjnej, można modyfikować orientację włókien. Wyższe prędkości obrotowe niż prędkości translacyjne prowadzą do promieniście zorientowanych porów i odwrotnie. Średnica rury uzależniona jest od średnicy zaimplementowanego trzpienia.

Szczegółowa lista różnych architektur rusztowań i ich proponowanych zastosowań w opublikowanych badaniach znajduje się w manuskrypcie. Ze względu na bardzo czułe pole elektryczne i jego specyficzną zależność od odległości między dwiema elektrodami, bardzo ważne jest regularne poziomowanie zarówno stolika zbierającego, jak i dolnej części głowicy drukującej. Jeśli odległość między kolektorem a głowicą jest zbyt mała, pole elektryczne znacznie wzrasta, aż do momentu, gdy między elementami pojawi się iskra.

Natychmiast zmniejsz napięcie w elektrycznej skrzynce sterowniczej lub otwórz drzwi. Przed każdym rozpoczęciem procesu należy dokładnie sprawdzić wszystkie połączenia kablowe i upewnić się, że nie są luźne. Każde uszkodzenie igły potencjalnie prowadzi do deformacji stożków Taylora, a tym samym nieprawidłowości w obrębie nadruku.

Dlatego igły, w których końcówka została przypadkowo wygięta, należy zutylizować. Mamy nadzieję, że ten film pomoże w stworzeniu stabilnego zelektryfikowanego odrzutowca i że przekonasz się, tak jak my, że pisanie elektroprzędzenia ze stopu odegra znaczącą rolę w dziedzinie inżynierii tkankowej i medycyny regeneracyjnej.