Расплава Electrospinning написания трехмерных Poly(ε-caprolactone) леса с контролируемым морфологии тканей инженерных приложений
23 декабря 2017 г.
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.
В этом видеоуроке рассматривается электроспиннинг с использованием полимерных расплавов в режиме прямой записи и даются необходимые рекомендации по изготовлению скаффолдов с хорошо упорядоченной архитектурой. Электроспиннинг относится к методу обработки полимера, при котором вязкий полимер выдавливается через отверстие, в то время как приложение электрического поля провоцирует подъем струи. Электростатические силы ускоряют волокно в направлении противоположно заряженного или заземленного коллектора.
Чтобы достичь необходимого уровня вязкости, полимеры традиционно разжижались в растворителях. Они испаряются во время фазы полета, что в сочетании с электрическим полем провоцирует сильное изгибание волокон. В результате образуются полимерные каркасы, морфологические свойства которых сложно контролировать, характеризовать и воспроизводить.
В этом эксперименте демонстрируется электроспиннинг с полимерными расплавами. Вместо растворения необходимый уровень вязкости достигается за счет воздействия тепла на первичные полимеры. Недостаток растворителей улучшает запутывание макромолекул полимера и приводит к более стабильной траектории полета волокна.
Волокна микронного масштаба могут быть точно нанесены в соответствии с движением коллектора. Электроспиннинг с полимерными расплавами в режиме прямой записи позволяет изготавливать хорошо упорядоченные архитектуры скаффолдов, вплоть до микронного и даже наномасштаба. Мы прогнозируем, что эта технология будет играть ключевую роль в будущем тканевой инженерии и регенеративной медицины.
Эта технология устраняет долгожданный разрыв между традиционными процессами формовки волокон и принципами 3D-печати и открывает новые возможности для проектирования следующего поколения каркасов. Микроэлектроспиннинговая запись облегчает прямую обработку медицинских пластиков, таких как поликапролактон или PCL. Благодаря малому диаметру и высокоорганизованной структуре и пористости, расплавленные электроспиннинговые каркасы PCL являются идеальными структурами для этого как in vitro, так и in vivo.
Одним из основных условий для достижения эффективного пиролиза с ценными результатами является высокофункциональное программное и аппаратное обеспечение. Поэтому мы разработали полностью интегрированную систему с автоматизированным контролем периметра. Это способствует надежному и специально воспроизводимому производству строительных лесов, чтобы в достаточной степени удовлетворить требования пользователей.
Электроспиновая запись из расплава включает в себя изготовление скаффолдов с различной архитектурой. В следующем учебном пособии описывается подготовка материала, изготовление скаффолдов, регулировка диаметра волокна и оптимизация форсунок. Налейте два грамма PCL в трехмиллилитровый пластиковый шприц и осторожно нажмите на поршень.
Поместите шприц в разогретую духовку на восемь часов при температуре 65 градусов Цельсия. Осторожно сожмите поршень до тех пор, пока не будут удалены все попавшие в ловушку пузырьки воздуха. Подсоедините иглу 23ga и прикрепите ее к системе давления воздуха.
Прижмите его до тех пор, пока кончик иглы не выйдет из латунного горшка. Установите коллектор на сцену. Установите и очистите его с помощью 70% этанола.
Определите скорость и направление движения коллектора, запрограммировав G-код на изменение размера, пространственного расстояния волокон и количества слоев каркаса. Для трубчатых каркасов выберите скорость вращения, поступательную скорость и ее повторения, чтобы определить толщину каркаса. Подробное руководство по индивидуальному программированию G-кодов для плоских или трубчатых скаффолдов можно найти в рукописи.
Откройте программу Mach3 и загрузите сгенерированный G-код. Существует пять настраиваемых параметров системы, которые в значительной степени определяют качество получаемого каркаса. Это давление воздуха, напряжение, скорость сбора, температура и рабочее расстояние, которые должны регулироваться в следующем порядке.
Поместите пластиковый блок высотой 12 миллиметров, напечатанный на 3D-принтере, между иглой и коллектором, чтобы отрегулировать рабочее расстояние. Включите оба обогревателя и установите на 65 градусов для верхней и 82 градуса для нижней части. Инициируйте давление воздуха и подождите, пока расплавленный полимер выдавится из иглы.
Перед началом процесса убедитесь, что все кабели заземления надежно подключены. Закройте переднюю дверцу корпуса, к которому подсоединяется блокировка. Увеличивайте напряжение до тех пор, пока выдавленный расплав не превратится в конус Тейлора и не выбросит расплавленную струю в сторону коллектора.
Дайте расплаву полимера выдавиться на пластину коллектора в течение пяти минут, чтобы стабилизировать струю. Электропрядение с использованием полимерных расплавов позволяет изготавливать волокна различного диаметра. Это может быть достигнуто путем целенаправленного изменения параметров системы: давления, напряжения и скорости, сохраняя при этом расстояние и температуру на постоянном уровне.
Волокна малого диаметра от трех до 10 микрон могут быть напечатаны с помощью относительно низкого давления, малого или среднего электрического поля и высокой скорости сбора. Основываясь на опыте нашей лаборатории, мы можем печатать волокна диаметром четыре микрометра со следующими значениями: 0,9 бар, восемь киловольт и 1 700 миллиметров в минуту. Средние диаметры от 10 до 20 микрон могут быть напечатаны при относительно низком уровне давления, среднем и высоком напряжении и скорости сбора в среднем диапазоне.
Основываясь на опыте нашей лаборатории, мы можем печатать волокна диаметром 13 микрометров со следующими значениями: 1,5 бар, 11 киловольт и 1 200 миллиметров в минуту. Волокна в диапазоне от 20 до 30 микрон и более требуют большой скорости экструзии полимеров наряду с приложением сравнительно высокого напряжения и минимально возможной скорости сбора. Основываясь на опыте нашей лаборатории, мы можем печатать волокна диаметром 25 микрометров со следующими значениями: 2,6 бар, 12 киловольт и 700 миллиметров в минуту.
Однако во всех трех случаях потребуется тонкая настройка и оптимизация для получения стабильных результатов с однородными диаметрами. При электроспиннинге расплава только идеально сбалансированное равновесие между силами, определяющими поток полимерной массы, и силами, притягивающими струю к коллектору, в конечном итоге приведет к согласованной морфологии скаффолда. Хорошо сбалансированное равновесие достигается, когда траектория полета волокна напоминает цепную кривую в течение длительного периода времени.
Тем не менее, известны три различных отклоняющихся поведения. Во-первых, несбалансированное распределение между массой, подаваемой на конус Тейлора, и соответствующими силами сопротивления на волокнах приводит к нестабильной электризованной струе. Здесь конус Тейлора постоянно перекармливается полимером и высвобождает свою массу в частые временные промежутки.
Видны часто меняющиеся углы, что приводит к сильно различающимся диаметрам. Чтобы стабилизировать процесс, уменьшите скорость потока, чтобы свести к минимуму доставку полимера, и увеличьте скорость и напряжение для усиления тяговых сил на волокне. Во-вторых, волокно движется вниз и перпендикулярно осаждается на коллекторе.
При этом величина ускоряющих сил превышает запас полимера в конусе Тейлора. Небольшое повышение давления и понижение напряжения разрешает ситуацию или изменение скорости сбора. В-третьих, волокно отстает и напоминает прямую линию под большим углом.
При этом производятся и протягиваются относительно толстые волокна. Это приводит к увеличению неточностей отсаженных волокон. Снижение скорости сбора решит проблему.
Тем не менее, необходимо небольшое увеличение напряженности электрического поля. В электропрядении расплава существует два метода сбора: плоские коллекторы и коллекторы оправки. Применение плоских коллекторов относится к наиболее распространенному способу.
В литературе широко освещаются конструкции 090 и 060 градусов разного размера. Возможность прямого осаждения расплавленных волокон на коллекторе также облегчает производство нелинейных структур, таких как повторяющиеся круглые структуры. Трубчатая архитектура может быть достигнута с помощью цилиндрических коллекторов, которые вращаются и траверсируются параллельно игле.
Благодаря тонкой настройке декодирования как вращательной, так и поступательной скорости, ориентация волокон может быть изменена. Более высокие скорости вращения, чем поступательные, приводят к радиально ориентированным порам и наоборот. Диаметр трубки зависит от диаметра реализованной оправки.
Подробный список различных архитектур скаффолдов и их предполагаемое применение в опубликованных исследованиях можно найти в рукописи. Из-за высокой чувствительности электрического поля и его специфической зависимости от расстояния между двумя электродами очень важно регулярно выравнивать как сборную ступень, так и нижнюю сторону печатающей головки. Если расстояние между коллектором и головкой установлено слишком близко, электрическое поле значительно увеличивается до тех пор, пока между компонентами не возникнет искра.
Немедленно убавьте напряжение на электрическом блоке управления или откройте дверцу. Перед каждым началом процесса дважды проверяйте все кабельные соединения и убедитесь, что они не ослаблены. Любое повреждение иглы может привести к деформации конусов Тейлора и, следовательно, к неровностям печати.
Поэтому иглы, где кончик был случайно загнут, необходимо утилизировать. Мы надеемся, что это видео поможет в создании стабильной электрифицированной струи и что вы, как и мы, убедитесь, что электроспиннинговая письменность из расплава сыграет значительную роль в области тканевой инженерии и регенеративной медицины.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Данный протокол представляет собой подробное руководство по изготовлению каркасов методом электроспиннинга расплавов полимеров в режиме прямой записи. Видеоурок демонстрирует процесс электроспиннинга и содержит необходимые рекомендации по созданию упорядоченных архитектур каркасов.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Биоматериалы
- Переработка полимеров
Теоретические сведения
- Электроспиннинг — это метод обработки полимеров.
- Вязкий полимер выдавливается через отверстие.
- Электрическое поле вызывает формирование струи.
- Контроль морфологических свойств скаффолдов представляет собой сложную задачу.
Цель исследования
- Описать процесс электроспиннинга для изготовления скаффолдов.
- Определить настройки параметров для создания скаффолдов с заданными архитектурными характеристиками.
- Повысить воспроизводимость и улучшить характеризацию скаффолдов.
Используемые методы
- Электроспиннинг из расплавов полимеров.
- Режим прямой записи для изготовления скаффолдов.
- Применение электрических полей для контроля формирования волокон.
- Систематическое описание процесса изготовления.
Основные результаты
- Рекомендации по созданию упорядоченных структур скаффолдов.
- Определенные параметры процесса электроспиннинга.
- Анализ сложностей контроля морфологии скаффолдов.
- Углубленное понимание метода электроспиннинга.
Выводы
- Данный протокол совершенствует методы изготовления скаффолдов.
- Он предлагает систематический подход к электроспиннингу.
- Будущие исследования могут опираться на эти рекомендации для улучшения дизайна скаффолдов.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Метод электроспиннинга расплава позволяет воспроизводимо изготавливать хорошо структурированные каркасы из поликапролактона с регулируемым диаметром волокон и архитектурой, что отвечает потребности тканевой инженерии в масштабируемых биомиметических имитациях внеклеточного матрикса. Данный подход повышает предсказуемость проектирования каркасов за счет исключения вариативности, связанной с использованием растворителей, и усиления макромолекулярного переплетения для формирования стабильной струи. Эта технология сочетает точность формирования волокон с гибкостью аддитивного производства, что позволяет снизить риски при доклинической оценке каркасов путем контролируемого изменения пористости и соотношения поверхности к объему.
Стратегические области применения в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишеней
- Научная ценность: позволяет исследовать взаимосвязь между структурой и функцией биоматериалов путем систематического изменения диаметра волокон и архитектуры каркаса для оценки механизмов клеточного ответа.
- Практическая ценность: предоставляет воспроизводимую платформу для создания стандартизированных каркасов из PCL с целью снижения вариабельности в анализах биосовместимости и механотрансдукции на ранних этапах.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: позволяет создавать каркасы с высоким отношением поверхности к объему, что увеличивает количество эффективных участков адгезии и обеспечивает количественную оценку прикрепления, пролиферации и миграции клеток в стандартизированных форматах.
- Практическая ценность: способствует стандартизации анализа за счет точного контроля осаждения волокон с помощью регулируемых параметров (скорость потока, напряжение, скорость сбора), что улучшает сопоставимость результатов фенотипического скрининга между различными лабораториями.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Облегчает изготовление архитектур каркасов, имеющих значение для изучения заболеваний (например, трубчатых, кольцевых), которые имитируют микроокружение нативных тканей, что способствует снижению рисков при изучении механизмов в приложениях регенеративной медицины.
- Практическая ценность: Обеспечивает трансляционную непрерывность, позволяя использовать один и тот же процесс расплавленного электроспиннинга на этапах от скрининга in vitro до исследований по имплантации in vivo, что снижает необходимость в повторной валидации.
Интеграция в пайплайн и рабочий процесс
Находясь в рамках процесса научных открытий, электроспиннинг расплава позволяет проверять гипотезы на ранних этапах исследований, обеспечивает производство готовых к анализу скаффолдов для скрининга и предоставляет количественные морфологические данные, которые служат основой для идентификации ведущих соединений и принятия решений по доклиническому развитию.
- Фундаментальная биология: способствует снижению биологических рисков, позволяя систематически изменять морфологию скаффолда для выяснения структурно-зависимых клеточных путей и механизмов взаимодействия с мишенью.
- Скрининг: обеспечивает создание готовых к анализу скаффолдов с воспроизводимым диаметром волокон и пористостью, что повышает надежность скрининга соединений или клеток в контексте биоматериалов.
- Аналитика: предоставляет количественные данные о диаметре волокон, пористости скаффолда и точности архитектуры, что позволяет проводить объективное сравнение различных составов материалов или условий процесса.
- Трансляционные исследования: связывают этап открытий с доклинической валидацией посредством масштабируемого изготовления скаффолдов из PCL с настраиваемой скоростью деградации и механическими свойствами, соответствующими моделям регенерации тканей.
- Корпоративное повторное использование: создает повторно используемую платформенную технологию, адаптируемую для множества программ по биоматериалам, что сокращает избыточную разработку процессов и поддерживает инвестиционные решения на базе платформы.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозирования характеристик скаффолда за счет обеспечения точного контроля морфологических параметров, влияющих на взаимодействие клеток со скаффолдом и интеграцию тканей.
- Практическая ценность: Повышает воспроизводимость и масштабируемость за счет управляемого параметрами осаждения волокон, что снижает вариативность между партиями при производстве скаффолдов для получения стабильных результатов экспериментов.
- Стратегическая ценность: Способствует принятию более обоснованных решений о целесообразности дальнейшей разработки биоматериалов, снижая риски неудач на поздних этапах, связанных с непредсказуемой архитектурой скаффолда или плохой инфильтрацией клеток.
- Влияние на портфель разработок: Позволяет проводить приоритизацию кандидатов из биоматериалов с учетом рисков путем создания стандартизированных, охарактеризованных скаффолдов, что улучшает трансляционную предсказуемость на этапах поиска и доклинических исследований.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области переработки полимеров, электростатики и систем управления движением для оптимизации стабильности струи и осаждения волокон.
- Необходимы специализированные приборы, включая систему с подогреваемым шприцем, источник высокого напряжения, прецизионный привод перемещения и защитный кожух для поддержания стабильных температурных и электрических условий.
- Требуется межкомандная стандартизация программирования G-кода, регистрации параметров и анализа после обработки для обеспечения воспроизводимости результатов разными пользователями и на разных площадках.
- Процесс требует адаптации при переходе на другие полимеры или геометрии скаффолдов, что влечет за собой необходимость повторной оптимизации напряжения, скорости потока и скорости сбора.
- Существуют практические ограничения, такие как чувствительность к колебаниям рабочего расстояния, засорение иглы и внешние помехи, которые могут нарушить стабильность струи и потребовать частой калибровки системы.
