Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Подготовка
- Заполните 2 g PCL в пластиковый шприц 3 мл с воронкой и вставьте поршень в открытый конец.
- Поместите шприц в предварительно разогретой духовке при температуре 65 ° C для 8 h. точку кончик вверх разрешить пузырьков воздуха в совокупных закрыть для открытия.
- Толкать поршень с тонким предметом освободить захваченного воздуха внутри расплавленный материал.
- Пусть ему остыть до комнатной температуры, которая достигается при полимер не является прозрачным больше после 10 минут.
- 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
- Прикрепите 23G с плоским наконечником иглы (прядильная) шприц и ствол адаптер на другом конце для подключения к системе давления воздуха шприц.
- 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.
- Смонтировать коллектор на сцене и чистой поверхности, а также печатающая головка с 70% (vol/vol) этанола для удаления пыли и остатков полимера.
- 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.
- Отрегулируйте регуляторы температуры на электрическую коробку до 82 ° C и 65 ° C для региона прядильная и шприц, соответственно и мощность их на расплава PCL.
- Подождите по крайней мере 10 минут до расплавленного полимера и инициировать давление воздуха, установив регулятор в 1,8 бар.
- 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). - Вручную, дважды проверьте, что все земли кабели подключены надежно корпуса и розетке.
- Запустите программное обеспечение (например, MACH 3) на компьютере и загружать готовым G-код.
3. эшафот изготовление
- 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. - 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).
- 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.
- Используйте курсоры на клавиатуре для перемещения печатающей головки над точкой, где G-кодов.
- Запустите G-код программного обеспечения на компьютере.
4. волокна диаметром регулировка
- 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. - 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.
- 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.
- 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
- Осветить струи с сильным Светодиодные света от снаружи шкафа для улучшения видимости.
- 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. - 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.
- 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.
- 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
- Открыть дверь, по завершении печати и использовать курсор для перемещения коллектора пластину к двери для повышения доступности.
- Спрей леска с 70% (vol/vol) смеси этанола и подождите 10 секунд до тех пор, пока он явно отсоединяется от коллектора.
- Сбор готовой эшафот, хватая один край с помощью пинцета и подняв его из корпуса.
7. Устранение неисправностей
- Уменьшения приложенного напряжения или открыть дверь сразу же, если есть искра между прядильная видимым или Растрескивание шума звуковой.
- Удалите всех опасных материалов и жидкостей, таких как этанол 70% (vol/vol) с внутренней стороны корпуса, как пожар может воспламенить в случае потенциальных искрообразования.
- 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.
- Проверьте прядильная под лупой и убедитесь, что нет повреждений для прядильная, как это будет значительно повлиять однородности Тейлор конуса.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 и 0/90/60 структур различных размеров широко освещаются в литературе. Кроме того возможность непосредственно сдачи расплавленного волокон на сборщике также облегчает производство случайно еще организованной структуры, когда узорной плоский коллектор используется вместо гладкой один из14.
Трубчатые
Существует большой спрос на изготовление подмостей с трубчатой архитектуры для TE приложений. МЭВ является эффективным методом для достижения трубчатых лесов с заказной пористость, используя цилиндрических коллекционеров. Эти поворота вдоль их оси, при переводе вдоль оси оправки. Благодаря тонкой настройке G-код, вращения, а также поступательные скорости определяется и ориентации волокон могут быть настроены. Выше скорость вращения, чем поступательные скорости приведет к радиусу ориентированных поры и наоборот. Общее количество слоев, распределения и морфология пористости будет настроить механических свойств леса. Внутренний диаметр трубчатых лесов будет определяться внешний диаметр реализованных оправки.
Рисунок 1 : МЭВ установки. (A) включая ПК, блок печати и блок электрического управления (B) руководитель и коллекционер (C) волокна в этапе идеально сбалансированный полета и (D) схема иллюстрации Тейлор конуса. (E) показывает схематическое изображение принтера и перечислены пять наиболее преобладающие параметры системы, включая «прикладная напряжения» (генератор высокого напряжения), «температура» (контроллер температуры), «давление воздуха» (регулятор давления), «рабочее расстояние» () Регулировка через внутренний дизайн подвижные оси z) и «коллекции скорость» (X и Y позиционирования слайды). (F) демонстрирует дизайн системы изоляции в пределах печатающей головки через ленты термостойкие полиамида. Это предотвращает, искрение между «нагревательный элемент 1» и заряженные «латуни». Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2 : Различные строительные леса, изготовленных с плоский коллектор (A), 0/90 решетки (B) и же решетки в большей резолюции (C). (D) демонстрирует структуру 0/60 и (E) случайно управляемой структуры.Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3 : Демонстрации различных трубчатых лесов и один соответствующих представительных изображения от растровая электронная микроскопия (SEM). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
| Инфильтрации дермы фибробластов подмостей poly(ε-caprolactone) сфабрикованы расплава electrospinning в режим прямой записи (Фарруджиа et al., 2013)4 || КВАРТИРА |
| Фибробластов дермы посеян PCL МЭВ лесов оцениваются для клеток инфильтрата. |
| Ткани инженерии гуманизированные ксенотрансплантата модель метастазов рака молочной железы человека кости (Thibaudeau et al., 2014)15 || ТРУБЧАТЫЕ |
| Трубчатые МЭВ леса используются для создания жизнеспособных внематочная «орган» кость в мышиной модели для изучения метастазов рака молочной железы человека кости. |
| Вегетационных приводные механизмы человеческого рака простаты метастазов в ткани инженерии костей (Хольцапфель et al., 2014)16 || ТРУБЧАТЫЕ |
| МЭВ леса используются для создания ткани инженерии костей для исследований рака простаты. |
| Повышение структурной целостности гидрогели, используя высоко организованной расплава electrospun волокна конструкции (Bas et al., 2015)17 || КВАРТИРА |
| МЭВ лесов с различными моделями Лай вниз и poresizes используются для улучшения механических функциональность мягкой гидрогели. |
| Армирование гидрогелей, используя трехмерно печатных микроволокна (Виссер et al., 2015)18 || КВАРТИРА |
| Мягкие гидрогели на основе желатина усилены с МЭВ PCL подмостей. |
| Расплава electrospinning на цилиндры: эффекты вращательной скорости и коллектор диаметром на словотолковании трубчатых структур (Jungst et al., 2015)6 || ТРУБЧАТЫЕ |
| Влияние поступательные и вращательные скорости на заключительном морфология трубчатых лесов МЭВ систематически расследуются. |
| Иерархической структурой пористого poly(2-oxazoline) гидрогели (Хей et al., 2016)19 || КВАРТИРА |
| МЭВ леса используются как жертвенное шаблон для создания иерархической 3D пористость сети в пределах гидрогеля. |
| A проверяются доклинических животную модель для первичных костных опухолей исследования (Wagner et al., 2016)20 || ТРУБЧАТЫЕ |
| МЭВ леса используются для создания гуманизированные ткани инженерных конструкций для доклинических исследований на первичных костных опухолей. |
| Надкостница тканевой инженерии в ортотопическая в vivo платформы (Болдуин et al., 2017) 21 || ТРУБЧАТЫЕ |
| Мультифазные эшафот, состоящий из сетки МэВ и гидрогелевые разработан для приложений регенерации тканей надкостницы. |
| Размерные метрологии ячейки матрицы взаимодействий в 3D микромасштабной волокнистые субстраты (Tourlomousis и Чанг. 2017)22 || КВАРТИРА |
| Ячейки матрицы взаимодействия исследуются МЭВ подмости с различной архитектурой. |
| Endosteal как внеклеточного матрикса выражение на расплава electrospun написано лески (Muerza-Касканте et al., 2017)23 || КВАРТИРА |
| МЭВ PCL леса используются для разработки endosteal кость как тканей, что способствует росту первичного человека кроветворных стволовых клеток. |
| 3D печать решетки активации и расширение платформы для Т-клеточной терапии (Delalat et al., 2017)24 || КВАРТИРА |
| Подмости с различными волокна интервал (200 мкм, мкм 500 и 1000 мкм) являются поверхности функционализированных и семенами с Т-клеток для расширения. |
| Biofabricated мягких сеть композиты для хрящевой ткани инженерных (Bas et al., 2017)25 || КВАРТИРА |
| Как сообщается, Biomimetic мягких сеть композиты состоящий из гидрогеля матрицы и армирующие сетки МэВ, предназначенные для ремонта суставного хряща. |
| Через точный интерфейс инженерии к bioinspired композиты с Улучшенная 3D печати технологичность и механических свойств (Hansske et al., 2017)26 || КВАРТИРА |
| Магния фторид наночастиц усилены PCL подмостей изготовлены с помощью MEW разработан и создан для костной ткани, инженерных приложений. |
Таблица 1: ссылки на перечень исследований, в котором МЭВ леса были сфабрикованы и используется для биологических приложений. В списке приведены результаты реализованных как плоские, так и трубчатых лесов.
Таблица 2: объяснение программирования G-код для плоских и трубчатых лесов, используя текстовый файл (.txt) для отправки в программном обеспечении. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой таблицы.
Таблица 3: представитель значения параметров воздуха давление, напряжение и коллекции скорость (температура и коллекции расстояние константа) для достижения трех диапазонов разного диаметра (малых, средних и крупных). Красные стрелки предлагают точные значения в соответствующих категориях до диаметра волокна.Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой таблицы.
Таблица 4: схематическая иллюстрация различных случаев и реальные образы возможных волокна осаждения на МэВ, а также средства оптимизации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой таблицы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 биосовместимых материалов в микронах для наномасштабных необходимые27.
Этот учебник направлен на получение фундаментальных знаний операций МэВ, объясняя физических принципов и демонстрируя практические шаги для изготовления воспроизводимые леса с использованием этой технологии.
Поскольку общие принципы МЭВ сопоставимы с обычными аддитивного производства технологий, т.е. целевые осаждения экструдированный материал в виде слой за слоем, важно контролировать относительное движение между головкой и коллектор. Из нашего опыта мы рекомендуем работать с МЭВ устройствами, которые держат фиксированный головы, в то время как соответствующие движения коллектора осуществляется поэтапно (X и Y). Зацикленная голова остается в стабильном положении и не создавать кинематической силы, которые будут действовать на конус Тейлор и потенциально привести к беспорядкам во время его создания. Кроме того проводки связанный с высоким напряжением и нагреватели не подлежит постоянной повторяющиеся движения. Коллекционер движения определяется G-код, который должен быть загружен в программном обеспечении. Этот код, также известный как RS-274, широко используется в области автоматизированного производства для управления путь инструменты. Для приложений, МЭВ с плоскими коллекторами, G-код файла определяет движение и скорость в X и оси Y; для цилиндрических коллекционеров или оправки приложений, файл G-код определяет как переводческая (X направление), так и угловой скорости. Таблица 2 объясняет программирования G-кода более подробно.
По сравнению с другими технологиями аддитивного производства, МЭВ дает возможность изготовления волокон с различными диаметрами путем корректировки параметров температуры системы, скорость сбора и приложенного напряжения, как описано в протоколе.
Для достижения мелких волокон (3-10 мкм), рекомендуется использовать низкого давления, умеренные напряжений и коллекции высокой скорости. Как правило пониженным давлением приводит к менее экструдированные массы. Это сопровождается соответствующее снижение площади поверхности струи. Таким образом меньше электростатические силы необходимы для ускорения массы волокна к сборщику, т.е. необходимо применять меньшее напряжение. Кроме того сопоставимой более высоких скоростях коллекции приводит к расширенной растяжения волокна, вызывая дополнительное сокращение окончательного волокна диаметром.
Увеличение давления вызывает больше поток расплавленного полимера и таким образом, приводит к большим диаметрам волокна (10-20 мкм). В этом случае больше электростатических сил обязан компенсировать поверхности расширенного полимера (толще волокна). Для того, чтобы получить стабильный полимер струи потока, напряжения должны быть изменены и коллекции скорость должна быть сокращена.
Волокна большие диаметры (20-30 мкм) требуют расширенной полимер экструзии, т.е. выше давления воздуха. Это провоцирует сравнительно толстые волокна и предлагается применять в сочетании с высокого напряжения поставлять достаточно электростатических сил на волокно. Кроме того снижение скорости сбора вызывают меньше волокна растяжения. Резюме приводится в таблице 3.
Все три случая, упомянутых выше, однако, по-прежнему требуют точной настройки и оптимизации для поддержания стабильной катенарными кривой в форме волокна с течением времени, пояснил в протоколе. В МэВ, только идеально сбалансированное равновесие между силами, определения расхода полимер массы и силы, привлекая струю на сборщике в конечном итоге приведет к достижению последовательного эшафот морфологии 12,28 . Таким образом расхождения пути струи отражают сильные отклонения диаметра волокна или неточной осаждения. Из нашего опыта можно получить три различных изменений в поведении.
Во-первых волокно может пульс, явления первоначально сообщалось, Далтон группы12. Несбалансированное распределение между доставлены массы и соответствующих дрэг сил по итогам волокон в постоянно перекормленные Тейлор конус, который периодически выпускает накопленные полимера. Это вызывает значительную изменчивость в углах пути и результаты различных диаметров.
Во-вторых, электрифицированных струи происходит, когда скорость коллектора выше, чем скорость экструзии струи отстает. Окончательный осаждения струи происходит далеко в вертикальном направлении прядильная, вызывая поток струи отстает. Траектории полета напоминает переоценить кривизны, которая также уменьшает размеры печатной леску.
В-третьих, реактивного выпучивания электрифицированные вызвано перпендикулярно воздействия струи на коллектор и манифесты, когда установлен коллектор скорость медленнее, чем скорость, на которой струи течет из прядильная. Применение высоких напряжений могут также вызвать выпучивания, производя чрезмерного ускорения к сборщику и путь прямой рейс волокна. В этом случае наблюдается нежелательное осаждения петель.
Средства для вновь стабилизировать процесс предусмотрены в протоколе и показано в таблице 4.
С точки зрения осуществления эшафот многочисленные преимущества существуют при использовании PCL и МЭВ, таких как биосовместимость, воспроизводимость через прямой письменной форме, или готовые настройки результате архитектур. МЭВ может проводиться на любых обычных лабораторном столе, так как он использует растворителя расплавов полимеров, поэтому она не требует дорогостоящих вытяжных или исчерпывающего рециркуляции остаточных материалов29. Существует нет запаха, при въезде в помещение, содержащие МЭВ устройства.
Кроме того достижимых высоких поверхность соотношение объема в пористых леску имеет большое преимущество и делает МЭВ подмостей, хорошо подходит для биологических приложений30.
По сравнению с известным 3D технологии печати, такие как плавленый моделирование осаждения31МЭВ имеет ограничения в печати высот упорядоченных структур.Причина видится в присущих процесс применения электростатических сил, который ловушки мобильных носителей в пределах осаждаются волокна заряда. Как только Высота подмостей превышает примерно 4 мм, сообщается, что сумма избыточного заряда накопленных эшафот акты отталкивающих для предстоящих волокна32. Впоследствии в большинстве случаев результирующий верхние слои значительно искажаются.
Еще одно отличие обычных 3D печати технологии заключается в том, что осаждения материала во время процесса не может быть прервана и исключительно остановки всех параметров системы в конечном итоге экструзии материалов. Это является ограничением дизайн и должны рассматриваться при программировании G-код. В то время как струи посвящение может быть выполнена механически33, G-код программирования необходимо учитывать непрерывный подход прямой записи.
Повышение эффективности процесса и пропускную способность МЭВР также остается проблемой и представляет собой основной причиной нашей точки зрения, и другие почему эта технология не была масштабируется до промышленного уровня еще34. Во-первых процесс МЭВ является имманентно низкой пропускной способности из-за низкого расхода и скорости лимитированной коллекции. Оба аспекта, однако, необходимы для обеспечения контролируемого осаждения jet и воспроизводимость в печати. Действительно, скорость максимальная коллекции во время процесса печати ограничивается физических границ материала используется, т.е. слишком высокой скорости приведет к поломке струи когда силы сопротивления превышает возможные ограничения. Еще одна стратегия для высококлассных опирается на использование multi экструзионно МЭВ устройств, то есть машин с несколькими печатающих головок в близком расстоянии друг от друга; Однако эти несколько глав вызовет взаимодействий между электрическое поле каждой главы и впоследствии исказить окончательный волокна осаждения35. Безыгольной расплава electrospinning главы вызвали значительное количество электрифицированных струй36, хотя Управление точное размещение прямой написано волокон может быть трудно достичь. Будущие изменения в направлении повышения эффективности МэВ, однако, не только выиграют биомедицинского сообщества, но и отрасли фильтрации, текстиля, или приложения для энергии2.
Хотя этот учебник содержит руководящие принципы для изготовления индивидуальных подмостки под предлагаемые значения параметров, необходимо отметить, что незначительные зависимости от экологических условий, например при комнатной температуре или влажности существуют и может привести к непреднамеренным отклонения37. Результаты, представленные в данном руководстве, основаны на ноу-хау в группе Hutmacher, проведенного в стабильных условиях окружающей среды в пределах контролируемой лаборатории запрещено.
PCL является наиболее известных кандидатом для МЭВ. С инженерной точки зрения, его низкую температуру плавления (60 ° C) выгодно, поскольку это не требует реализации сложной высокотемпературных нагревателей (> > 100 ° C) в тесном расстояние до источников высокого напряжения. На материальном уровне инженерной PCL полупроводящей и обеспечивает прочное сцепление макромолекулярных как жидкости и твердые. Несмотря на сильное механическое растяжение, вязкий материал облигаций в определенной степени, которая приводит к выдающихся волокна истончение при увеличении скорости коллектор или применяться напряжения. Обычные расплава electrospinning без перемещения коллекционеров поступили с различных полимеров, таких как полипропилен, полиэтилен или нейлон9. Применение принципов прямой записи однако, преимущественно сообщается с PCL и некоторые смеси PCL с добавками для дальнейшего снижения его вязкости38, хотя есть исключения39,40. В будущем однако, мы предвидим более широкий спектр материалов, обработанных МэВ. Это, в свою очередь, будет означать, что обновление аппаратных компонентов для этой технологии, как пример обработки полипропилена (температура плавления при 160° C) изменяет текущие технические требования аппаратных устройств МэВ.
Существует растущий интерес к биосовместимых полимерных подмости с очень точный и контролируемый архитектуры; МэВ, до настоящего времени, является единственной технологией, которая, по сравнению с другими методами biomanufacturing, способна изготовлять приказал архитектуры в нижнем диапазоне микрон (с исключениями в диапазоне субмикронных41). В течение последних лет это приведет к экспоненциально растет количество патентов и публикации30. Таким образом решение технической сложности путем осуществления оптимизированы оборудования и установление в процессе контроля МЭВ имеет большое значение. Это будет способствовать производства строительных лесов с учетом архитектуры для широкого круга приложений в будущем.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
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.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Plastic syringe | Nordson Australia Pty Ltd | 7012072 | EFD BARREL O 3mL Clear 50 |
| Medical grade Poly (ε-caprolactone) (mPCL) | Corbion Purac, The Netherlands | PURASORB PC12 | |
| 23 GA needle | Nordson Australia Pty Ltd | 7018302 | #23GP .013 X .25 ORANGE 50 PC |
| Plunger | Nordson Australia Pty Ltd | 7012166 | PISTON O 3mL WH WIPER 50 |
| Pressure adapter | Nordson Australia Pty Ltd | 7012059 | ADAPTER ASM O 3mL BL 1.8M |
| Aluminium collector | Action Aluminium, Australia | SHP2 | Sheet 5005 H34 |
| Acrylic glass | Mulford Plastics Pty Ltd | ACC6-13094 | |
| Mach 3 software | Art Soft | Purchased online | |
| Safety switch interlock | RS components Pty Ltd | 12621330 | |
| High voltage generator | EMCO High Voltage Co. | DX250R | |
| Temperature controller | WATLOW | PM9R1FJ | |
| X and Y positioning slide | VELMEX Inc. | XN-10-0020-M011 |
References
- 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).
- 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).
- Brown, T. D., Dalton, P. D., Hutmacher, D. W. Direct writing by way of melt electrospinning. Adv Mater. 23 (47), 5651-5657 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- Brown, T. D. Design and Fabrication of Tubular Scaffolds via Direct Writing in a Melt Electrospinning Mode. Biointerphases. 7 (1), 1-16 (2012).
- 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).
- Hutmacher, D. W., Dalton, P. D. Melt electrospinning. Chem Asian J. 6 (1), 44-56 (2011).
- 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).
- Mikl, B., et al. Discrete viscous threads. ACM Trans. Graph. 29 (4), 1-10 (2010).
- Hochleitner, G., et al. Fibre pulsing during melt electrospinning writing. BioNanoMaterials. 17 (3-4), 159 (2016).
- Poh, P. S. P., et al. Polylactides in additive biomanufacturing. Adv Drug Del Rev. 107, 228-246 (2016).
- 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).
- 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).
- Holzapfel, B. M., et al. Species-specific homing mechanisms of human prostate cancer metastasis in tissue engineered bone. Biomaterials. 35 (13), 4108-4115 (2014).
- Bas, O., et al. Enhancing structural integrity of hydrogels by using highly organised melt electrospun fibre constructs. Eur. Polym. J. 72, 451-463 (2015).
- Visser, J., et al. Reinforcement of hydrogels using three-dimensionally printed microfibres. Nat. Commun. 6, 6933 (2015).
- Haigh, J. N., et al. Hierarchically Structured Porous Poly(2-oxazoline) Hydrogels. Macromol. Rapid Commun. 37 (1), 93-99 (2016).
- Wagner, F., et al. A validated preclinical animal model for primary bone tumor research. JBJS. 98 (11), 916-925 (2016).
- Baldwin, J., et al. Periosteum tissue engineering in an orthotopic in vivo platform. Biomaterials. 121, 193-204 (2017).
- Tourlomousis, F., Chang, R. C. Dimensional Metrology of Cell-matrix Interactions in 3D Microscale Fibrous Substrates. Procedia CIRP. 65, 32-37 (2017).
- Muerza-Cascante, M. L., et al. Endosteal-like extracellular matrix expression on melt electrospun written scaffolds. Acta Biomater. 52, 145-158 (2017).
- Delalat, B., et al. 3D printed lattices as an activation and expansion platform for T cell therapy. Biomaterials. 140, 58-68 (2017).
- Bas, O., et al. Biofabricated soft network composites for cartilage tissue engineering. Biofabrication. 9 (2), 025014 (2017).
- Hansske, F., et al. Via precise interface engineering towards bioinspired composites with improved 3D printing processability and mechanical properties. J. Mater. Chem. B. , (2017).
- Melchels, F. P. W., et al. Additive manufacturing of tissues and organs. Prog. in pol Sci. 37 (8), 1079-1104 (2012).
- Hochleitner, G., et al. Fibre pulsing during melt electrospinning writing. BioNanoMaterials. 17, 159 (2016).
- 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).
- Wunner, F. M., et al. Comprehensive Biomaterials II. , Elsevier. 217-235 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Li, H., et al. Interjet distance in needleless melt differential electrospinning with umbellate nozzles. J. Appl. Polym. Sci. 131 (15), (2014).
- Liao, S., et al. Effect of humidity on melt electrospun polycaprolactone scaffolds. BioNanoMaterials. 17, 173 (2016).
- Detta, N., et al. Melt electrospinning of polycaprolactone and its blends with poly(ethylene glycol). Polym Int. 59 (11), 1558-1562 (2010).
- 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).
- 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).
- Hochleitner, G., et al. Additive manufacturing of scaffolds with sub-micron filaments via melt electrospinning writing. Biofabrication. 7 (3), 035002 (2015).
