Методическая статья

Расплава Electrospinning написания трехмерных Poly(ε-caprolactone) леса с контролируемым морфологии тканей инженерных приложений

DOI:

10.3791/56289

⸱

23 декабря 2017 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

Этот протокол служит в качестве всеобъемлющего руководства изготовить подмости через electrospinning полимером тает в режиме прямой записи. Мы систематически изложить процесс и определить соответствующие параметры для достижения целевых эшафот архитектуры.

Аннотация

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

Этот учебник отражает основополагающие принципы и руководящие принципы для electrospinning, написание с полимерными расплавов, аддитивного производства технологии с большим потенциалом для биомедицинских приложений. Техника облегчает прямое осаждение биосовместимых полимерных волокон для изготовления упорядоченной леса в субмикронных для микро шкалы. Создание стабильной, вязкоупругих полимерных jet между прядильная и коллекционер достигается с помощью приложенного напряжения и может быть написано прямой. Значительное преимущество типичный пористых эшафот — высокий коэффициент поверхности к объему, который обеспечивает увеличение эффективной адгезии сайты для клеток привязанность и роста. Управление процессом печати доводкой параметров системы позволяет высокую воспроизводимость качества печатной подмостей. Он также предоставляет гибкие производственные платформы для пользователей адаптировать морфологических структур подмости с их конкретными требованиями. Для этой цели мы представляем протокол для получения различных волокно диаметров с использованием расплава electrospinning написания (МэВ) с гидом поправки параметров, включая скорость, напряжения и коллекции скорость потока. Кроме того мы показали, как оптимизировать струи, обсудить часто опытные технические проблемы, объяснить неполадок и демонстрируют широкий спектр печати эшафот архитектур.

Введение

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

Производство трехмерных (3D) биосовместимых структур для клеток является одним из основных вкладов добавка biomanufacturing ткани инженерия (TE), направленных на восстановление тканей путем применения настраиваемого биоматериалов, клетки, биохимические факторы, или их сочетание. Таким образом, основные требования подмости для TE приложений включают в себя: технологичность из биосовместимых материалов, контролируемый морфологических свойств для целевой ячейки вторжения и оптимизированные свойства поверхности для расширения взаимодействия клеток 1.

МЭВ является техника производства растворителей, которая сочетает в себе принципы аддитивного производства (часто называемые 3D печать) и electrospinning для производства полимерных сеток с высоко упорядоченную ультратонких волокон морфологии2. Это прямой написания подход и точно депозиты волокон согласно предварительно запрограммированных кодов3, называется G-кодов. Расплава electrospun конструкции в настоящее время готовятся с использованием плоский4,5 или7 коллекционер оправки6,для изготовления пористых плоские и трубчатых лесов, соответственно.

Эта техника предлагает значительные преимущества для TE и регенеративной медицины (RM) сообщества благодаря возможности непосредственно печатать медико класса полимеров, таких как poly(ε-caprolactone) (PCL), который представляет отличная биосовместимость8. Другими преимуществами являются возможность настраивать размер и распределение пористости, сдав волокна образом высоко организованной изготовить подмости высоких коэффициентов поверхности к объему. Прежде чем могут быть выполнены МэВ, полимер сначала требует применения тепла9. Однажды в состоянии жидкости, давление прикладной воздуха заставляет его вытекать через металлический прядильная, который подключен к источнику высокого напряжения. Силу баланс между поверхностное натяжение и привлечение электростатически заряженной капли сборщику обоснованных приводит к образованию Тейлор конуса, следуют выброса струи10.

На рисунке 1показаны изображения и схема, чертеж устройства МЭВ внутреннего построения, используемого для этого протокола. Он дополнительно демонстрирует принципы использования изолента во избежание электрического разряда между нагревательными элементами и электрически заряженных латуни вокруг прядильная. Недостаточная изоляция приведет к внутреннего повреждения оборудования реализована.

В зависимости от регулировки трех системных параметров (температуры, коллекции скорости и давления воздуха) МэВ позволяет изготовления волокон с различными диаметрами, описано в разделе обсуждения. В большинстве случаев Однако, тонкая настройка и оптимизация струи потребуется прежде чем стабильной jet будет извлечена. Визуализация электрифицированных путешествия jet является эффективным способом для проверки согласованности и единообразия процесса. В идеальном случае траектории полета напоминает катенарными кривую, приобретенных в результате баланс силы, контролируемые параметры системы11. Кроме того микро - и макро структура лесов зависит от траектории полета полимер струи12. Подробная таблица мер по оптимизации и различные отклонения поведения приводится в разделе обсуждения.

В настоящем исследовании мы представляем протокол, который описывает шаги производства для изготовления высоко контролируемых волокнистых подмостей, с использованием технологии МэВ. В этой работе, медицинский класс PCL (молекулярный вес 95-140 кг/моль) был использован, как этот медицинский класс PCL улучшилось чистоты за технический сорт, и его механические свойства и свойства обработки превосходны для МЭВ. Широкий расплава, обработки диапазона PCL исходит от его низкой температурой плавления (60 ° C) и высокой термостойкостью. Кроме того PCL является медленно скорость биоразлагаемые полимерные, что делает его отличным материалом для многих тканей, инженерные приложения13.

Для этого исследования, температура и коллекционер расстояние будет оставаться постоянной (65 ° C и 82 ° C для шприца и прядильная температур (соответственно) и 12 мм для расстояния коллектор); применяется напряжения, коллекционер скорости и давления воздуха, однако, будут изменяться для изготовления волокон с целенаправленных диаметров. Подробный перечень опубликованных исследований с использованием МЭВ подмостей приводится в разделе результаты и раскрывает различные приложения для полей TE и RM (Таблица 1).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Подготовка

  1. Заполните 2 g PCL в пластиковый шприц 3 мл с воронкой и вставьте поршень в открытый конец.
  2. Поместите шприц в предварительно разогретой духовке при температуре 65 ° C для 8 h. точку кончик вверх разрешить пузырьков воздуха в совокупных закрыть для открытия.
  3. Толкать поршень с тонким предметом освободить захваченного воздуха внутри расплавленный материал.
  4. Пусть ему остыть до комнатной температуры, которая достигается при полимер не является прозрачным больше после 10 минут.
  5. Храните PCL поджатые шприц при комнатной температуре в сухом и темном среде до тех пор, пока он используется.

2. аппаратного обеспечения и настройка программного обеспечения

  1. Прикрепите 23G с плоским наконечником иглы (прядильная) шприц и ствол адаптер на другом конце для подключения к системе давления воздуха шприц.
  2. Поместите шприц в печатающей головки и нажмите его вниз до тех пор, пока кончик прядильная выделяется 1 мм от латуни части на нижней стороне головы.
  3. Смонтировать коллектор на сцене и чистой поверхности, а также печатающая головка с 70% (vol/vol) этанола для удаления пыли и остатков полимера.
  4. Установите рабочее расстояние позиционирования объекта высокой 12 мм между прядильная и коллекционер и ниже печатающей головки, до тех пор, пока кончик прядильная только коснется его.
  5. Отрегулируйте регуляторы температуры на электрическую коробку до 82 ° C и 65 ° C для региона прядильная и шприц, соответственно и мощность их на расплава PCL.
  6. Подождите по крайней мере 10 минут до расплавленного полимера и инициировать давление воздуха, установив регулятор в 1,8 бар.
  7. Подготовьте G-код, чтобы определить размер и форму, расстояние между накаливания и количество слоев эшафот и коллекции скорость процесса.
    Примечание: Подробные шаблон для изготовления плоских и трубчатых лесов приводится в главе обсуждения (Таблица 2).
  8. Вручную, дважды проверьте, что все земли кабели подключены надежно корпуса и розетке.
  9. Запустите программное обеспечение (например, MACH 3) на компьютере и загружать готовым G-код.

3. эшафот изготовление

  1. Закройте переднюю дверцу шкафа, который соединяет блокировка безопасности и вызывает высокого напряжения питания к прядильная.
    Примечание: После того, как дверь открыта, например когда печать завершена или в случае возникновения чрезвычайной ситуации, высокое напряжение падает и леска могут быть удалены безопасно.
  2. Увеличение высокого напряжения постепенно в 0,2 кв шаги, пока не образуется Тейлор конус и волокно выбрасывается к сборщику (см. образцовое Тейлор конус рис. 1 d).
  3. Разрешить расплава полимера для экструдированный на пластину еще коллектор для стабилизации jet без движения в течение 5 минут. Удалите кучу материала до начала новой печати.
  4. Используйте курсоры на клавиатуре для перемещения печатающей головки над точкой, где G-кодов.
  5. Запустите G-код программного обеспечения на компьютере.

4. волокна диаметром регулировка

  1. Рабочее расстояние (12 мм) и регуляторы температуры (82 ° C и 65 ° C для региона прядильная и шприц, соответственно) на постоянном уровне, как описано ранее в шаги 2.4 и 2.5.
    Примечание: Резюме регуляции различных диаметров приводится в таблице 3.
  2. Печать волокон с небольшого размера диаметра (3-10 мкм). Уменьшить уровень давления воздуха до 0,8 бар, настроить приложенного напряжения до 8 кв и установить сборщик скорость до 1700 мм/мин.
  3. Печать волокон с среднего размера диаметра (10-20 мкм). Отрегулируйте давление воздуха до 1,5 бар, напряжения до 11 кв и ниже коллекции скорость до 1200 мм/мин.
  4. Печать волокон с большим диаметром (20-30 мкм). Увеличить уровень давления воздуха в 2,6 бар, изменить приложенного напряжения до 12 кв и уменьшение коллекции скорости до 700 мм/мин.

5. jet оптимизация

  1. Осветить струи с сильным Светодиодные света от снаружи шкафа для улучшения видимости.
  2. Наблюдать за поведением волокна на 1 минуту и настроить параметры системы для оптимизации процесса в малых шагов, т.е. 0,1 кв для приложенного напряжения, 100 мм/мин для коллекции скорость и 0,1 бар для давления воздуха.
    Примечание: Резюме приводится в таблице 4.
  3. Стабилизируйте периодически Отклонятьть поведение путем уменьшения давления воздуха, увеличивая скорость и минимизации напряжения до тех пор, пока траекторию полета волокно напоминает стабильной катенарными кривую для более чем 3 минуты.
  4. Скорректировать траекторию полета отставание струи путем повышения напряжения, уменьшение давления воздуха и сокращения скорость коллектора. Применять эти меры до тех пор, пока траектории полета волокна движется обратно к фигуре катенарными кривой.
  5. Избегайте волокон, путешествия вертикально к сборщику путем уменьшения приложенного напряжения, увеличивая скорость коллектора и увеличивая давление воздуха до полета струи сохраняет форму кривой катенарными снова.

6. эшафот коллекция

  1. Открыть дверь, по завершении печати и использовать курсор для перемещения коллектора пластину к двери для повышения доступности.
  2. Спрей леска с 70% (vol/vol) смеси этанола и подождите 10 секунд до тех пор, пока он явно отсоединяется от коллектора.
  3. Сбор готовой эшафот, хватая один край с помощью пинцета и подняв его из корпуса.

7. Устранение неисправностей

  1. Уменьшения приложенного напряжения или открыть дверь сразу же, если есть искра между прядильная видимым или Растрескивание шума звуковой.
  2. Удалите всех опасных материалов и жидкостей, таких как этанол 70% (vol/vol) с внутренней стороны корпуса, как пожар может воспламенить в случае потенциальных искрообразования.
  3. Программа G-код соответственно что Прядильная отходит от района, где леска печатается после того, как сделали все слои. Это предотвращает накопление материала выше точки, где прядильная наконец останавливается.
  4. Проверьте прядильная под лупой и убедитесь, что нет повреждений для прядильная, как это будет значительно повлиять однородности Тейлор конуса.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Два различных метода коллекции обычно используются в МэВ, которые являются оправки и плоские коллекцию. Результате архитектуры зависит от программирования G-код (Таблица 2), который выполняется программное обеспечение.

Плоские коллекции
Применяя плоскими коллекторами относится к наиболее распространенным методом и облегчает прямое осаждение материала, ссылаясь на запрограммированный G-код. 0 ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Интеграция утра для того, чтобы найти новаторские решения проблем в области медицины представляет новую парадигму в веке 21Сент . Так называемые поля «Био изготовление» находится на подъеме и инновации в технологии изготовления позволяют производство сложных архитектур для TE приложений. Electrospinning расплавов полимеров в режим прямой записи (здесь МэВ) рассматривается как один из самых перспективных кандидатов производства в соответствии с потребностями сообщества TE, где находятся упорядоченных структур б...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

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

Эта работа финансовую поддержку КПР центр совместных исследований для клетки терапии производства, Австралийский центр дуги Совета исследований в Институте перспективных исследований в техническом университете Мюнхена и добавка Biomanufacturing. Это исследование было проведено, Австралийский исследовательский совет промышленного преобразования учебный центр в Biomanufacturing добавка http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026). Пожалуйста, посетите сайт для статей, книг, программ телевидения или Радио, электронные средства массовой информации или любые другие литературные произведения, связанные с проектом. Кроме того авторы с благодарностью признаем Мария Фландес ИПАРРАГИРРЕ для поддержки в съемки, Филипп Хаббард для голоса и Luise Гроссман для съемки и редактирования.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Пластиковый шприцNordson Australia Pty Ltd7012072EFD BARREL O 3mL Clear 50
Medical grade Poly (ε-caprolactone) (mPCL)Corbion Purac, НидерландыPURASORB PC12
23 GA иглаNordson Australia Pty Ltd7018302#23GP .013 X .25 ORANGE 50 PC
PlungerNordson Australia Pty Ltd7012166PISTON O 3mL WH WIPER 50
Напорный адаптерNordson Australia Pty Ltd7012059АДАПТЕР ASM O 3mL BL 1,8M
Алюминиевый коллекторAction Aluminium, AustraliaSHP2Sheet 5005 H34
Акриловое стеклоMulford Plastics Pty LtdACC6-13094
Mach 3 программное обеспечениеArt SoftПриобретено онлайн
Защитный выключатель блокировкаRS компоненты Pty Ltd12621330
Высоковольтный генераторEMCO High Voltage Co.DX250R
Регулятор температурыWATLOWPM9R1FJ
X и Y позиционирование горкиVELMEX Inc.СН-10-0020-М011

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Muerza-Cascante, M. L., Haylock, D., Hutmacher, D. W., Dalton, P. D. Melt Electrospinning and Its Technologization in Tissue Engineering. Tissue Eng Part B Rev. 21 (2), 187-202 (2015).
  2. Brown, T. D., Dalton, P. D., Hutmacher, D. W. Melt electrospinning today: An opportune time for an emerging polymer process. Prog. in pol Sci. , (2015).
  3. Brown, T. D., Dalton, P. D., Hutmacher, D. W. Direct writing by way of melt electrospinning. Adv Mater. 23 (47), 5651-5657 (2011).
  4. Farrugia, B. L., et al. Dermal fibroblast infiltration of poly(ε-caprolactone) scaffolds fabricated by melt electrospinning in a direct writing mode. Biofabrication. 5 (2), 025001(2013).
  5. Brown, T. D., et al. Melt electrospinning of poly (ε-caprolactone) scaffolds: Phenomenological observations associated with collection and direct writing. Mater. Sci. Eng. C. 45, 698-708 (2014).
  6. Jungst, T., et al. Melt electrospinning onto cylinders: effects of rotational velocity and collector diameter on morphology of tubular structures. Polym Int. 64 (9), 1086-1095 (2015).
  7. Brown, T. D. Design and Fabrication of Tubular Scaffolds via Direct Writing in a Melt Electrospinning Mode. Biointerphases. 7 (1), 1-16 (2012).
  8. Woodruff, M. A., Hutmacher, D. W. The return of a forgotten polymer-Polycaprolactone in the 21st century. Prog. in pol Sci. 35 (10), 1217-1256 (2010).
  9. Hutmacher, D. W., Dalton, P. D. Melt electrospinning. Chem Asian J. 6 (1), 44-56 (2011).
  10. Wei, C., Gang, T. Q., Chen, L. J., Zhao, Y. Critical condition for the transformation from Taylor cone to cone-jet. Chin. Phys. B. 23 (6), 064702(2014).
  11. Mikl, B., et al. Discrete viscous threads. ACM Trans. Graph. 29 (4), 1-10 (2010).
  12. Hochleitner, G., et al. Fibre pulsing during melt electrospinning writing. BioNanoMaterials. 17 (3-4), 159(2016).
  13. Poh, P. S. P., et al. Polylactides in additive biomanufacturing. Adv Drug Del Rev. 107, 228-246 (2016).
  14. Vaquette, C., Cooper-White, J. J. Increasing electrospun scaffold pore size with tailored collectors for improved cell penetration. Acta Biomater. 7 (6), 2544-2557 (2011).
  15. Thibaudeau, L., et al. A tissue-engineered humanized xenograft model of human breast cancer metastasis to bone. Dis Model Mech. 7 (2), 299-309 (2014).
  16. Holzapfel, B. M., et al. Species-specific homing mechanisms of human prostate cancer metastasis in tissue engineered bone. Biomaterials. 35 (13), 4108-4115 (2014).
  17. Bas, O., et al. Enhancing structural integrity of hydrogels by using highly organised melt electrospun fibre constructs. Eur. Polym. J. 72, 451-463 (2015).
  18. Visser, J., et al. Reinforcement of hydrogels using three-dimensionally printed microfibres. Nat. Commun. 6, 6933(2015).
  19. Haigh, J. N., et al. Hierarchically Structured Porous Poly(2-oxazoline) Hydrogels. Macromol. Rapid Commun. 37 (1), 93-99 (2016).
  20. Wagner, F., et al. A validated preclinical animal model for primary bone tumor research. JBJS. 98 (11), 916-925 (2016).
  21. Baldwin, J., et al. Periosteum tissue engineering in an orthotopic in vivo platform. Biomaterials. 121, 193-204 (2017).
  22. Tourlomousis, F., Chang, R. C. Dimensional Metrology of Cell-matrix Interactions in 3D Microscale Fibrous Substrates. Procedia CIRP. 65, 32-37 (2017).
  23. Muerza-Cascante, M. L., et al. Endosteal-like extracellular matrix expression on melt electrospun written scaffolds. Acta Biomater. 52, 145-158 (2017).
  24. Delalat, B., et al. 3D printed lattices as an activation and expansion platform for T cell therapy. Biomaterials. 140, 58-68 (2017).
  25. Bas, O., et al. Biofabricated soft network composites for cartilage tissue engineering. Biofabrication. 9 (2), 025014(2017).
  26. Hansske, F., et al. Via precise interface engineering towards bioinspired composites with improved 3D printing processability and mechanical properties. J. Mater. Chem. B. , (2017).
  27. Melchels, F. P. W., et al. Additive manufacturing of tissues and organs. Prog. in pol Sci. 37 (8), 1079-1104 (2012).
  28. Hochleitner, G., et al. Fibre pulsing during melt electrospinning writing. BioNanoMaterials. 17, 159(2016).
  29. Persano, L., Camposeo, A., Tekmen, C., Pisignano, D. Industrial Upscaling of Electrospinning and Applications of Polymer Nanofibers: A Review. Macromol. Mater. Eng. 298 (5), 504-520 (2013).
  30. Wunner, F. M., et al. Comprehensive Biomaterials II. , Elsevier. 217-235 (2017).
  31. Loh, Q. L., Choong, C. Three-Dimensional Scaffolds for Tissue Engineering Applications: Role of Porosity and Pore Size. Tissue Eng Part B Rev. 19 (6), 485-502 (2013).
  32. Ristovski, N., et al. Improved fabrication of melt electrospun tissue engineering scaffolds using direct writing and advanced electric field control. Biointerphases. 10 (1), 011006(2015).
  33. Wei, C., Dong, J. Direct fabrication of high-resolution three-dimensional polymeric scaffolds using electrohydrodynamic hot jet plotting. J Micromech Microeng. 23 (2), 025017(2013).
  34. Hacker, C., et al. Electrospinning of polymer melt : steps towards an upscaled multi-jet process. Proceedings of the International Conference on Latest Advances in High Tech Textiles and Textile-Based Materials, , 71-76 (2009).
  35. Nayak, R., Padhye, R., Kyratzis, I. L., Truong, Y. B., Arnold, L. Recent advances in nanofibre fabrication techniques. Text. Res. J. 82 (2), 129-147 (2012).
  36. Li, H., et al. Interjet distance in needleless melt differential electrospinning with umbellate nozzles. J. Appl. Polym. Sci. 131 (15), (2014).
  37. Liao, S., et al. Effect of humidity on melt electrospun polycaprolactone scaffolds. BioNanoMaterials. 17, 173(2016).
  38. Detta, N., et al. Melt electrospinning of polycaprolactone and its blends with poly(ethylene glycol). Polym Int. 59 (11), 1558-1562 (2010).
  39. Hochleitner, G., Hümmer, J. F., Luxenhofer, R., Groll, J. High definition fibrous poly(2-ethyl-2-oxazoline) scaffolds through melt electrospinning writing. Polymer. 55 (20), 5017-5023 (2014).
  40. Chen, F., et al. Additive Manufacturing of a Photo-Cross-Linkable Polymer via Direct Melt Electrospinning Writing for Producing High Strength Structures. Biomacromolecules. 17 (1), 208-214 (2016).
  41. Hochleitner, G., et al. Additive manufacturing of scaffolds with sub-micron filaments via melt electrospinning writing. Biofabrication. 7 (3), 035002(2015).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи