Artigo de método

Derreter a eletrofiação escrita de andaimes Poly(ε-caprolactone) tridimensional com morfologias controláveis para aplicações de engenharia de tecidos

DOI:

10.3791/56289

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23 de dezembro de 2017

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1ARC ITTC in Additive Biomanufacturing, Institute for Health and Biomedical Innovation (IHBI), Queensland University of Technology (QUT), 2Department for Functional Materials in Medicine and Dentistry and Bavarian Polymer Institute, University of Würzburg, 3Institute for Advanced Study, Technical University of Munich (TUM), 4George W Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology

Neste artigo

Resumo

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Este protocolo serve como uma orientação abrangente para fabricar andaimes através de eletrofiação com polímero derrete em um modo de escrita direta. Nós sistematicamente descrevem o processo e definir as configurações de parâmetro apropriado para alcançar o andaime alvo arquiteturas.

Resumo

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Este tutorial reflecte sobre os princípios fundamentais e diretrizes para a eletrofiação escrevendo com polímero derrete, uma tecnologia de fabricação aditiva com grande potencial para aplicações biomédicas. A técnica facilita a deposição direta de fibras de polímero biocompatível para fabricar andaimes bem-ordenado no sub mícron a escala micro escala. O estabelecimento de um estável, viscoelástico, polímero jet entre uma fieira e um coletor é conseguido usando uma voltagem aplicada e pode ser direta-escrito. Um benefício significativo de um andaime poroso típico é uma relação elevada da superfície e o volume que proporciona maior aderência eficaz sites para o crescimento e a fixação da célula. Controlar o processo de impressão por ajustando os parâmetros do sistema permite alta reprodutibilidade na qualidade dos andaimes impressos. Ele também fornece uma plataforma de fabricação flexível para usuários adaptar as estruturas morfológicas dos andaimes para suas exigências específicas. Para o efeito, apresentamos um protocolo para obter diâmetros diferentes de fibra usando derreter eletrofiação escrito (MEW) com uma alteração guiada dos parâmetros, incluindo a velocidade do fluxo de taxa, a tensão e a coleção. Além disso, demonstramos como otimizar o jato, discutir os desafios técnicos experientes, muitas vezes, explicar as técnicas de solução de problemas e mostrar uma grande variedade de arquiteturas de andaime para impressão.

Introdução

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A fabricação de estruturas tridimensionais (3D) de biocompatível para células é uma das principais contribuições do aditivo biomanufacturing ao tecido engenharia (TE), com o objetivo de restaurar os tecidos através da aplicação de biomateriais personalizados, células, fatores bioquímicos, ou uma combinação deles. Portanto, os requisitos principais de andaimes para aplicações TE incluem: capacidade de fabricação de materiais biocompatíveis, controláveis Propriedades morfológicas para invasão da célula alvo e propriedades de superfície otimizadas para reforçada interação célula 1.

MEW é uma técnica de fabricação de solventes que combina os princípios de fabricação aditiva (muitas vezes chamado impressão 3D) e eletrofiação para a produção de malhas poliméricas com morfologias de fibra ultrafinos altamente ordenada2. É uma abordagem de escrita direta e depósitos com precisão fibras de acordo com códigos pré-programados3, conhecido como G-códigos. Electrospun de derretimento construções são atualmente preparada usando um plana4,5 ou6,7 colecionador mandril para fabricar andaimes planas e tubulares porosos, respectivamente.

Esta técnica oferece benefícios significativos para a comunidade de medicina regenerativa (RM) devido a possibilidade e TE para imprimir diretamente a classe médica de polímeros, tais como poly(ε-caprolactone) (PCL), que apresenta excelente biocompatibilidade8. Outras vantagens são a possibilidade de personalizar o tamanho e a distribuição de porosidade, depositando-se as fibras de forma altamente organizado para fabricar andaimes da alta proporção de superfície e o volume. Antes MEW pode ser executada, o polímero primeiro requer a aplicação de calor9. Uma vez em um estado fluido, uma pressão de ar aplicada força-o a fluir através de uma fieira metálica que é conectada a uma fonte de alta tensão. O equilíbrio de força entre a tensão de superfície e a atração da gota electroestática para o coletor de aterrada leva à formação de um cone de Taylor, seguido pela ejeção de um jato de10.

Imagens e um desenho esquemático do dispositivo in-house compilação MEW usado para este protocolo são mostrados na Figura 1. Além disso, ele demonstra os princípios do uso de fita isolante para evitar uma descarga elétrica entre os elementos de aquecimento e a parte de bronze eletricamente carregado em torno da fieira. Isolamento insuficiente provocaria danos internos do hardware implementado.

Dependendo do ajuste dos parâmetros três sistema (temperatura, pressão de ar e a velocidade de coleta), MEW permite a fabricação de fibras com diâmetros diferentes, explicados na seção de discussão. Na maioria dos casos, no entanto, ajustes e otimização do jato será necessários antes um jato estável será ejetado. A visualização do jato eletrificada itinerante é uma forma eficaz de verificar a consistência e homogeneidade do processo. Em um caso ideal, a rota de voo se assemelha a uma curva catenária adquirida como resultado de um equilíbrio de força controlado pelo sistema parâmetros11. Além disso, a micro-macroestrutura e dos andaimes é dependente à trajetória do polímero jato12. Uma tabela detalhada de medidas para otimização e comportamentos diferentes de deflexão é dada na seção de discussão.

No presente estudo, apresentamos um protocolo que descreve as etapas de fabricação para a fabricação de andaimes fibrosos altamente controlados, usando tecnologia MEW. Dessa série de trabalho, médicos PCL (peso molecular 95-140 kg/mol) foi usado, como essa classe médica PCL melhorou pureza grau técnico, e suas propriedades mecânicas e processamento são excelentes para MEW. Derretimento amplo gama de PCL de processamento se origina de seu baixo ponto de fusão (60 ° C) e alta estabilidade térmica. Além disso, o PCL é um polímero biodegradável taxa lenta, o que o torna um excelente material para muitos tecidos, engenharia de aplicações13.

Para este estudo, a distância de temperatura e coletor será mantida constante (65 ° C e 82 ° C para as temperaturas de seringa e fieira (respectivamente) e 12 mm para a distância do coletor); aplicada a tensão, pressão de ar e velocidade do coletor, no entanto, irá variar para fabricar fibras com diâmetros de alvo. Uma lista detalhada dos estudos publicados usando MEW andaimes é fornecida na seção de resultados e revela diferentes aplicações para os campos de TE e de RM (tabela 1).

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Protocolo

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1. material preparação

  1. Preencher 2 g de PCL em uma seringa de plástico 3 mL com um funil e introduza a extremidade aberta de um pistão.
  2. Coloque a seringa em um forno pré-aquecido a 65 ° C para 8 h. ponto a ponta para cima permitir que as bolhas de ar a agregação próximo à abertura.
  3. Empurre o pistão com um objeto fino para liberar o ar aprisionado dentro do material fundido.
  4. Deixe-o esfriar até a temperatura de quarto, que é alcançada quando o polímero não é transparente, mais depois de 10 minutos.
  5. Armazene a seringa pré-carregada PCL à temperatura ambiente em um ambiente seco e escuro, até que ele é usado.

2. hardware e configuração do Software

  1. Anexe uma agulha com ponta lisa 23G (fieira) para a seringa e um adaptador de barril na outra extremidade para conectar a seringa para o sistema de pressão de ar.
  2. Coloque a seringa na cabeça de impressão e pressione-o para baixo até a ponta da fieira destaca-se 1 mm da parte de bronze no lado inferior da cabeça.
  3. Montar um coletor no palco e limpar a superfície, bem como a cabeça de impressão com etanol a 70% (vol/vol) para remover poeira ou polímero residual.
  4. Definir a distância de trabalho posicionando um objeto elevado de 12 mm entre a fieira e o coletor e abaixe a cabeça de impressão até a ponta de fieira apenas toca-lo.
  5. Ajustar os reguladores de temperatura na caixa elétrica de 82 ° C e 65 ° C para a região de fiandeira e a seringa, respectivamente e lhes poder para derreter o PCL.
  6. Aguardar pelo menos 10 min até que o polímero fundido e iniciar a pressão do ar, definindo o regulador para 1,8 bar.
  7. Prepare o G-código para definir o tamanho e forma, filamento Interamericano de distância e o número de camadas do cadafalso e a velocidade de coleta do processo.
    Nota: Um modelo detalhado para fabricar andaimes tubulares e planas é fornecido no capítulo discussão (tabela 2).
  8. Verifica manualmente todos chão cabos estão conectados firmemente para o cerco e a tomada de parede.
  9. Inicie o software (por exemplo, MACH 3) no computador e carregar o código G preparado.

3. fabricação de andaime

  1. Feche a porta da frente do gabinete, que se conecta a trava de segurança e desencadeia a fonte de alta tensão para a fieira.
    Nota: Uma vez que a porta está aberta, por exemplo quando uma impressão for concluída, ou em caso de emergência, a alta tensão cai e o andaime podem ser removidos com segurança.
  2. Aumente a alta tensão gradualmente em 0,2 kV passos até um cone de Taylor é formado e uma fibra é ejectada para o coletor (ver exemplar cone de Taylor na Figura 1).
  3. Permitir que o derretimento do polímero a ser extrudado na placa de coletor ainda para estabilizar o jato sem movimento por 5 minutos. Remova a pilha do material antes de iniciar uma nova impressão.
  4. Use os cursores do teclado para mover a cabeça de impressão acima do ponto onde os G-códigos vão começar.
  5. Inicie o G-código do software no computador.

4. ajuste do diâmetro da fibra

  1. Mantenha a distância de trabalho (12 mm) e os reguladores de temperatura (82 ° C e 65 ° C para a região de fiandeira e a seringa, respectivamente) em um nível constante, conforme descrito antes no passos 2.4 e 2.5.
    Nota: Um resumo dos diferentes diâmetros de ajuste é dado na tabela 3.
  2. Imprima as fibras com diâmetros de tamanhos pequenos (3-10 µm). Reduzir o nível de pressão de ar para 0,8 bar, ajustar a tensão aplicada a 8 kV e conjunto coletor de velocidade a 1700 mm/min.
  3. Fibras de impressão com médio porte diâmetros (10-20 µm). Ajustar a pressão de ar nível para 1,5 bar, conjunto tensão de 11 kV e inferior a coleção velocidade de 1200 mm/min.
  4. Fibras de impressão com grandes diâmetros (20-30 µm). Aumentar o nível de pressão de ar para 2,6 bar, alterar a tensão aplicada a 12 kV e diminuição da coleção velocidade a 700 mm/min.

5. jet otimização

  1. Ilumine o jato com um forte LED luz de fora do gabinete, para melhor visibilidade.
  2. Observar o comportamento da fibra durante 1 minuto e ajustar os parâmetros do sistema para otimizar o processo em pequenas etapas, ou seja, 0,1 kV de tensão aplicada, 100 mm/min. para velocidade de coleção e 0.1 bar para pressão de ar.
    Nota: Um resumo é dado na tabela 4.
  3. Estabilize-se periodicamente, desviando comportamento diminuindo a pressão de ar, aumentando a velocidade e minimizando a tensão até à trajetória da fibra se assemelha a uma curva catenária estável por mais de 3 minutos.
  4. Corrigi a trajectória de voo de um atraso jato aumentando a tensão, reduzindo a pressão de ar e reduzindo a velocidade do coletor. Aplica essas medidas até à trajetória da fibra transfere de volta para uma forma curva catenária.
  5. Evite fibras viajar verticalmente para o coletor de diminuir a tensão aplicada, aumentando a velocidade do coletor e aumentando a pressão de ar até à trajetória do jato retém a forma de uma curva catenária novamente.

6. andaime coleção

  1. Abra a porta quando a impressão for concluída e use o cursor para mover a placa de coletor em direção à porta para melhor acessibilidade.
  2. Pulverize o andaime com mistura de etanol 70% (vol/vol) e espere 10 segundos até que ele desconecta-se visivelmente do coletor.
  3. Recolha o andaime terminado por agarrar uma borda com uma pinça e retire-a do recinto.

7. resolução de problemas

  1. Diminuir a tensão aplicada ou abra a porta imediatamente se houver uma faísca entre a fieira visível ou um ruído de craqueamento audível.
  2. Retire todos os materiais perigosos e líquidos, tais como etanol 70% (vol/vol) do interior do recinto como um fogo pode causar a ignição em caso de faíscas potenciais.
  3. O G-código do programa nesse sentido que a fieira move-se longe da área onde o andaime é impresso depois de todas as camadas são feitas. Isso evita o acúmulo de material acima do ponto onde a fieira finalmente para.
  4. Verifique a fieira sob uma lupa e verificar que não há nenhum dano para a fieira como isso influenciará significativamente a homogeneidade do cone de Taylor.

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Resultados

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Dois métodos diferentes de coleta são comumente usados em MEW, que são plana coleção e coleção de mandril. As arquiteturas resultantes dependem da programação do G-código (tabela 2), que é executado pelo software.

Coleção plana
Aplicação de coletores planos refere-se ao método mais comum e facilita a deposição direta de material referindo-se ao G-código pré-programados. 0/90 e 0/60 estruturas...

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Discussão

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Integração AM a fim de encontrar soluções inovadoras para os desafios no campo da medicina apresenta um novo paradigma para o século 21st . O campo chamado de "Bio-fabricação" está em ascensão e inovações em tecnologias de fabricação permitem a produção de arquiteturas altamente sofisticadas para aplicações de TE. A eletrofiação de polímeros derrete em um modo de escrita direta (MEW aqui) é vista como um dos mais promissores candidatos fabricação em conformidade com as necessidades da Comunidade TE, onde estru...

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Divulgações

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Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

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Este trabalho foi apoiado financeiramente pelo CRC de centro de pesquisa cooperativa para fabricação de terapia celular, Australian Conselho ARC centro de investigação em Biomanufacturing do aditivo e do Instituto de estudos avançados da Universidade Técnica de Munique. Esta pesquisa foi realizada pelo australiano Conselho Industrial transformação formação centro de investigação em aditivo Biomanufacturing http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026). Por favor, visite o site para artigos, livros, programas de televisão ou rádio, meios eletrônicos ou qualquer outras obras literárias relacionadas ao projeto. Além disso, os autores com gratidão reconhecem Maria Flandes Iparraguirre pelo apoio nas filmagens, Philip Hubbard para a voz e Luise Grossmann para filmagem e edição.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Seringa de plásticoNordson Australia Pty Ltd7012072EFD BARREL Ø 3mL Clear 50
Poli (ε-caprolactona) de grau médico (mPCL)Corbion Purac, HolandaAgulha PURASORB PC12
23 GANordson Australia Pty Ltd7018302#23GP .013 X .25 LARANJA 50 PC
ÊmboloNordson Australia Pty Ltd7012166PISTÃO Ø 3mL WH WIPER 50
Adaptador de pressãoNordson Australia Pty Ltd7012059ADAPTADOR ASM Ø 3mL BL 1.8M
Ação do coletor de alumínioAlumínio, AustráliaSHP2Folha 5005 H34
Vidro acrílicoMulford Plastics Pty LtdACC6-13094
Mach 3 softwareArt SoftComprado on-line
intertravamento do interruptor de segurança Pty Ltd12621330
Gerador de alta tensãoEMCO High Voltage Co.DX250R
Controlador de temperaturaWATLOWPM9R1FJ
corrediça de posicionamento X e YVELMEX Inc.XN-10-0020-M011
Componentes RS de

Referências

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