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

Este tutorial em vídeo reflete sobre a eletrofiação com polímeros fundidos em um modo de escrita direta e fornece as diretrizes necessárias para fabricar andaimes com arquiteturas bem ordenadas. Eletrofiação refere-se a uma técnica de processamento de polímero em que um polímero viscoso é extrudado através de um orifício enquanto a aplicação de um campo elétrico provoca a ascensão de um jato. As forças eletrostáticas aceleram a fibra em direção a um coletor de carga oposta ou aterrado.

Para atingir um nível necessário de viscosidade, os polímeros eram tradicionalmente liquefeitos em solventes. Estes evaporam durante a fase de vôo, o que, em combinação com o campo elétrico, provoca forte flambagem das fibras. Isso resulta em andaimes poliméricos cujas propriedades morfológicas são difíceis de controlar, caracterizar e reproduzir.

Este experimento demonstra eletrofiação com polímeros fundidos. Em vez de se dissolver, o nível de viscosidade necessário é alcançado pela aplicação de calor aos polímeros virgens. A falta de solventes melhora o emaranhamento macromolecular do polímero e resulta em uma trajetória de voo da fibra mais estável.

As fibras em escala de mícron podem ser depositadas com precisão de acordo com o movimento do coletor. A eletrofiação com polímero fundido em um modo de escrita direta permite a fabricação de arquiteturas de andaimes bem ordenadas, até a escala mícron e até nano. Prevemos que a tecnologia desempenhará um papel fundamental no futuro da engenharia de tecidos e da medicina regenerativa.

A tecnologia preenche uma lacuna há muito esperada entre os processos convencionais de formação de fibras e os princípios de impressão 3D e abre novos caminhos para projetar a próxima geração de andaimes. A escrita micro eletrofiação facilita o processamento direto de plásticos de grau médico, como policaprolactona ou PCL. Devido aos pequenos diâmetros e estruturas e porosidade altamente organizadas, os andaimes PCL eletrofiados por fusão são estruturas ideais para isso in vitro e in vivo.

Um pré-requisito importante para alcançar uma pirólise eficaz com resultados valiosos é um software e hardware altamente funcional. Portanto, projetamos um sistema totalmente integrado com controle de perímetro automatizado. Isso facilita uma produção confiável e especificamente reprodutível de andaimes para atender suficientemente aos requisitos dos usuários.

A escrita de eletrospin fundido envolve a fabricação de andaimes com diferentes arquiteturas. O tutorial a seguir descreve a preparação do material, a produção do andaime, o ajuste do diâmetro da fibra e a otimização dos jatos. Encha dois gramas de PCL em uma seringa de plástico de três mililitros e empurre o êmbolo suavemente.

Coloque a seringa em um forno pré-aquecido por oito horas a 65 graus Celsius. Aperte cuidadosamente o êmbolo até que todas as bolhas de ar presas sejam removidas. Conecte uma agulha de 23ga e conecte-a ao sistema de pressão de ar.

Pressione-o para baixo até que a ponta da agulha saia do pote de latão. Instale o coletor no palco. Monte e limpe-o com 70% de etanol.

Determine a velocidade e a direção do movimento do coletor programando o código G para variar o tamanho, a distância espacial da fibra e o número de camadas do andaime. Para andaimes tubulares, selecione a velocidade de rotação, a velocidade de translação e suas repetições para definir a espessura do andaime. Uma diretriz detalhada para programar individualmente códigos G para andaimes planos ou tubulares pode ser encontrada no manuscrito.

Abra o software Mach3 e carregue o código G gerado. Existem cinco parâmetros de sistema ajustáveis que determinam significativamente a qualidade do andaime resultante. Estes são pressão do ar, tensão, velocidade de coleta, temperatura e distância de trabalho e devem ser ajustados na seguinte ordem.

Coloque um bloco de plástico impresso em 3D de 12 milímetros de altura entre a agulha e o coletor para ajustar a distância de trabalho. Ligue os dois aquecedores e ajuste para 65 graus para a parte superior e 82 graus para a parte inferior. Inicie a pressão do ar e espere até que o polímero fundido seja extrudado da agulha.

Antes de iniciar o processo, certifique-se de que todos os cabos de aterramento estejam conectados firmemente. Feche a porta frontal do gabinete que conecta o intertravamento. Aumente a tensão até que o fundido extrudado se transforme em um cone de Taylor e ejete um jato fundido em direção ao coletor.

Deixe o polímero fundido ser extrudado na placa coletora de alambique por cinco minutos para estabilizar o jato. A eletrofiação com polímeros fundidos permite a fabricação de diferentes diâmetros de fibra. Isso pode ser alcançado variando especificamente os parâmetros do sistema pressão, tensão e velocidade, mantendo a distância e a temperatura em um nível constante.

Fibras de pequeno diâmetro entre três e 10 mícrons podem ser impressas através da aplicação de uma pressão relativamente baixa, campo elétrico pequeno a médio e altas velocidades de coleta. Com base na experiência em nosso laboratório, podemos imprimir fibras de quatro micrômetros de diâmetro com os seguintes valores: 0,9 bar, oito quilovolts e 1.700 milímetros por minuto. Diâmetros de tamanho médio entre 10 e 20 mícrons podem ser impressos através da aplicação de nível de pressão relativamente baixo, média a alta tensão e velocidades de coleta na faixa média.

Com base na experiência em nosso laboratório, podemos imprimir fibras de 13 micrômetros de diâmetro com os seguintes valores: 1,5 bar, 11 quilovolts e 1.200 milímetros por minuto. Fibras na faixa de 20 a 30 mícrons ou mais requerem grandes taxas de extrusão de polímero, juntamente com a aplicação de tensões comparativamente altas e as menores velocidades de coleta possíveis. Com base na experiência em nosso laboratório, podemos imprimir fibras de 25 micrômetros de diâmetro com os seguintes valores: 2,6 bar, 12 quilovolts e 700 milímetros por minuto.

Em todos os três casos, no entanto, o ajuste fino e a otimização serão necessários para obter resultados estáveis com diâmetros homogêneos. Na eletrofiação por fusão, apenas um equilíbrio perfeitamente equilibrado entre as forças que determinam o fluxo da massa do polímero e as forças que atraem o jato em direção ao coletor acabará por levar a morfologias consistentes do andaime. Um equilíbrio bem equilibrado é alcançado quando a trajetória de voo da fibra se assemelha a uma curva de catenária por um longo período de tempo.

No entanto, três comportamentos desviantes diferentes são conhecidos. Primeiro, uma distribuição desequilibrada entre a massa entregue ao cone de Taylor e as respectivas forças de arrasto nas fibras resulta em um jato eletrificado instável. Aqui, o cone de Taylor é constantemente superalimentado com polímero e libera sua massa em períodos de tempo frequentes.

Ângulos que mudam frequentemente são visíveis e resultam em diâmetros extremamente diferentes. Para reestabilizar o processo, diminua a vazão para minimizar a entrega do polímero e aumente a velocidade e a tensão para amplificar as forças de tração na fibra. Em segundo lugar, a fibra desce e se deposita perpendicularmente no coletor.

Por meio deste, a quantidade de forças de aceleração supera o suprimento de polímero no cone de Taylor. Pequenos aumentos de pressão e redução da tensão resolvem a situação, ou alteram a velocidade de coleta. Em terceiro lugar, a fibra fica para trás e se assemelha a uma linha reta sob um ângulo alto.

Por meio disso, fibras relativamente grossas são produzidas e arrastadas. Isso leva ao aumento das imprecisões das fibras depositadas. Uma diminuição na velocidade de coleta resolverá o problema.

No entanto, são necessários pequenos aumentos na intensidade do campo elétrico. Na eletrofiação por fusão, existem dois métodos de coleta: coletores planos e coletores de mandril. A aplicação de coletores planos refere-se ao método mais comum.

Estruturas de 090 e 060 graus de diferentes tamanhos são amplamente relatadas na literatura. A capacidade de depositar diretamente fibras fundidas no coletor também facilita a produção de estruturas não lineares, como estruturas circulares repetitivas. As arquiteturas tubulares podem ser alcançadas com coletores cilíndricos que giram e atravessam paralelamente à agulha.

Através do ajuste fino da decodificação da velocidade de rotação e translação, a orientação das fibras pode ser modificada. Velocidades de rotação mais altas do que as velocidades de translação levam a poros orientados radialmente e vice-versa. O diâmetro do tubo depende do diâmetro do mandril implementado.

Uma lista detalhada de diferentes arquiteturas de andaimes e suas aplicações propostas em estudos publicados pode ser encontrada no manuscrito. Devido ao campo elétrico altamente sensível e sua dependência específica da distância entre os dois eletrodos, é de grande importância nivelar regularmente o estágio de coleta e a parte inferior da cabeça de impressão. Se a distância entre o coletor e o cabeçote for muito próxima, o campo elétrico aumenta significativamente até que uma faísca suba entre os componentes.

Diminua a tensão imediatamente na caixa de controle elétrico ou abra a porta. Antes de cada início de um processo, verifique novamente todas as conexões dos cabos e confirme se não estão soltas. Qualquer dano à agulha pode levar a cones de Taylor deformados e, portanto, irregularidades na impressão.

Portanto, as agulhas onde a ponta foi dobrada acidentalmente devem ser descartadas. Esperamos que este vídeo ajude no estabelecimento de um jato eletrificado estável e que você se convença, como nós, de que a escrita eletrogiratória por fusão desempenhará um papel significativo no campo da engenharia de tecidos e medicina regenerativa.