Summary
Dieses Protokoll dient als ein umfassender Leitfaden, Gerüste über Elektrospinnen mit Polymer zu fabrizieren in eine direkte Schreibmodus schmilzt. Wir beschreiben den Prozess systematisch und definieren Sie die entsprechenden Parameter-Einstellungen für gezielte Gerüst Architekturen zu erreichen.
Abstract
Dieses Tutorial zeigt auf den grundlegenden Prinzipien und Richtlinien für die Elektrospinnen schreiben mit Polymer-Plastik schmilzt, eine additive Fertigung-Technologie mit großem Potenzial für biomedizinische Anwendungen. Die Technik ermöglicht die direkte Ablagerung von biokompatiblen Polymerfasern, wohlgeordneten Gerüste in der Sub-Mikrometer auf Mikroebene zu fabrizieren. Die Errichtung eines stabilen, viskoelastische, Polymer-Jet zwischen einer Spinndüse und Sammler geschieht mit Hilfe einer angelegten Spannung und kann direkt geschrieben. Ein wesentlicher Vorteil von einem typischen poröse Gerüst ist ein hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis bietet erhöhte effektive Haftung Websites für Zellhaftung und Wachstum. Steuerung des Druckprozesses durch Feinabstimmung der Systemparameter können hohen Reproduzierbarkeit in der Qualität der gedruckten Gerüste. Es bietet auch eine flexible Fertigung-Plattform für Anwender, die morphologische Strukturen der Gerüste an ihre spezifischen Anforderungen anzupassen. Zu diesem Zweck präsentieren wir eine geführte Änderung der Parameter, einschließlich Geschwindigkeit, Spannung und Sammlung Strömungsgeschwindigkeit ein Protokoll, um unterschiedliche Faserdurchmesser mit Schmelze Elektrospinnen schreiben (MEW) zu erhalten. Darüber hinaus führen wir optimieren die Jet, oft erfahrene technische Herausforderungen zu diskutieren, erklären Problembehandlungsverfahren und präsentieren eine Vielzahl von bedruckbaren Gerüst Architekturen.
Introduction
Die Herstellung von dreidimensionalen (3D) biokompatible Strukturen für Zellen ist einer der wichtigsten Beiträge der additive Biomanufacturing Gewebe Engineering (TE), mit dem Ziel, Gewebe wiederherzustellen, indem die Anwendung maßgeschneiderte Biomaterialien, Zellen, biochemische Faktoren, oder eine Kombination davon. Fügen Sie daher die wichtigsten Anforderungen von Gerüsten für TE Anwendungen: Herstellbarkeit von biokompatiblen Materialien, steuerbare morphologischen Eigenschaften für gezielte Zellinvasion und optimierte Oberflächeneigenschaften für verstärkte Zelle Interaktion 1.
MEW ist eine lösungsmittelfreie Herstellungstechnik, die die Grundsätzen der additiven Fertigung (häufig sogenannte 3D-Druck) und Elektrospinnen für die Herstellung von Polymeren Netze mit hochgeordnete ultradünne Faser Morphologien2kombiniert. Es ist eine direkte schreiben Ansatz und präzise Einlagen Fasern nach vorprogrammierten Codes3, genannt G-Codes. Schmelze Electrospun, die Konstrukte derzeit sind mit einer flachen4,5 oder6,7 Sammler Dorn, um poröse flach und röhrenförmigen Gerüste bzw. zu fabrizieren zubereitet.
Diese Technik bietet erhebliche Vorteile TE regenerative Medizin (RM) Gemeinschaft und durch die Möglichkeit, direkt drucken medizinischem Polymere, wie z. B. poly(ε-caprolactone) (PCL), die ausgezeichnete Biokompatibilität8präsentiert. Weitere Vorteile sind die Möglichkeit, die Größe und Verteilung der Porosität, anpassen, durch die Hinterlegung der Fasern in hohem Grade organisiert Weise Gerüste hohe Oberflächen-Volumen-Verhältnis herzustellen. Bevor MEW durchgeführt werden kann, erfordert das Polymer zunächst die Anwendung von Wärme9. Einmal in einem flüssigen Zustand ein angewandte Luftdruck zwingt es heraus durch eine metallische Spinndüse fließen, die an einer Hochspannungsquelle angeschlossen ist. Der Kräfteausgleich zwischen der Oberflächenspannung und der Reiz der elektrostatisch geladene Tropfen an den geerdeten Sammler führt zur Bildung eines Taylor Kegel, gefolgt von den Auswurf eines Jet-10.
Bilder und eine schematische Zeichnung der hauseigenen Build MEW Vorrichtung verwendet für dieses Protokoll sind in Abbildung 1dargestellt. Es zeigt zusätzlich die Grundsätze der mit Isolierband, um elektrischen Entladung zwischen den Heizelementen und die elektrisch geladenen Messingteil rund um die Spinndüse zu vermeiden. Unzureichende Isolation führt zu internen Schäden der implementierten Hardware.
Je nach Einstellung der drei System-Parameter (Temperatur, Geschwindigkeit und Luftdruck Sammlung) ermöglicht MEW die Herstellung von Fasern mit verschiedenen Durchmessern, in die Diskussion Abschnitt erklärt. In den meisten Fällen werden jedoch Feinabstimmung und Optimierung der Jet erforderlich, bevor ein stabile Jet ausgeworfen werden. Die Visualisierung der elektrifizierten Reisen Jet ist ein effektiver Weg, um die Konsistenz und Homogenität des Prozesses zu überprüfen. Im Idealfall ähnelt die Flugbahn eine Fahrleitung Kurve durch ein Kräfteausgleich, gesteuert von der System-Parameter-11erworben. Darüber hinaus ist die Mikro und Makro-Struktur die Gerüste der Flugbahn des Polymer Jet12abhängig. Eine detaillierte Tabelle mit verschiedenen Durchbiegung Verhaltensweisen und Maßnahmen zur Optimierung ist im Abschnitt Diskussion gegeben.
In der vorliegenden Studie präsentieren wir eine Protokoll, die die Fertigungsschritte zur Herstellung von streng kontrollierte faserige Gerüste mit MEW-Technologie beschreibt. In dieser Arbeit, medizinische Grade PCL (Molekulargewicht 95-140 kg/Mol) wurde verwendet, da diese medizinischem PCL Reinheit in technischer Qualität verbessert hat, und seine mechanischen und Verarbeitung Eigenschaften eignen sich hervorragend für MEW. Breite Schmelze Verarbeitung Palette von PCL stammt aus seiner niedrigen Schmelzpunkt (60 ° C) und hohe thermische Stabilität. PCL ist übrigens ein langsam-Rate biologisch abbaubare Polymer, wodurch es ein ausgezeichnetes Material für viele Gewebetechnik Anwendungen13.
Für diese Studie wird die Temperatur und Sammler Abstand konstant gehalten werden (65 ° C und 82 ° C für die Spritze und Spinndüse Temperaturen (bzw.) und 12 mm für den Sammler-Abstand); angelegte Spannung, Sammler Geschwindigkeit und Luftdruck, wird jedoch variiert werden, um Fasern mit gezielten Durchmessern zu fabrizieren. Eine detaillierte Liste der veröffentlichten Studien mit MEW Gerüste finden Sie in den Abschnitt "Ergebnisse" und zeigt verschiedene Anwendungen für die Bereiche von TE und RM (Tabelle 1).
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Protocol
1. materielle Vorbereitung
- Füllen Sie 2 g PCL in einer 3 mL Kunststoffspritze mit einem Trichter und setzen Sie einen Kolben in das offene Ende.
- Legen Sie die Spritze im vorgeheizten Ofen bei 65 ° C für 8 h Punkt der Spitze nach oben um die Luftblasen zu aggregieren schließen, um die Öffnung zu ermöglichen.
- Drücken Sie den Kolben mit einem dünnen Gegenstand, die eingeschlossene Luft in das geschmolzene Material veröffentlichen.
- Lassen Sie es abkühlen auf Raumtemperatur, die erreicht wird, wenn das Polymer nicht nach 10 Minuten nicht mehr transparent ist.
- Lagern Sie die vorinstallierte PCL-Spritze bei Raumtemperatur an einem trockenen und dunklen, bis es verwendet wird.
2. Hardware und Software-Setup
- Legen Sie eine 23G flache Spitzen Nadel (Spinndüse) auf die Spritze und ein Fass-Adapter am anderen Ende die Spritze mit Luft-Druck-System verbinden.
- Legen Sie die Spritze in den Druckkopf und drücken Sie an, bis 1 mm aus dem Messingteil an der Unterseite des Kopfes der Spinndüse Tipp hervorsticht.
- Montieren Sie einen Kollektor auf der Bühne und reinigen Sie die Oberfläche als auch den Druckkopf mit Ethanol 70 % (Vol/Vol), Staub oder passives Polymer zu entfernen.
- Den Arbeitsabstand von Positionierung einen 12 mm hohen Gegenstand zwischen die Spinndüse und der Sammler und senken Sie den Druckkopf zu, bis die Spinndüse Spitze nur es berührt.
- Passen Sie den Temperaturregler im elektrischen Feld auf 82 ° C und 65 ° C für die Spinndüse Region und die Spritze bzw. und macht sie auf Schmelze der PCL.
- Für mindestens 10 Minuten warten Sie, bis das Polymer geschmolzen ist und initiieren Sie den Luftdruck zu, indem Sie den Regler auf 1,8 Bar.
- Bereiten Sie den G-Code, der Größe und Form, zwischen Filament Abstand und die Anzahl der Schichten des Gerüstes und der Sammlung Geschwindigkeit des Prozesses zu definieren.
Hinweis: Eine detaillierte Vorlage für die Herstellung von flachen und röhrenförmigen Gerüste erfolgt im Abschnitt "Diskussion" (Tabelle 2). - Manuell überprüfen Sie, dass alle Boden-Kabel sicher mit das Gehäuse und der Steckdose verbunden sind.
- Starten Sie die Software (z.B.MACH 3) auf dem Computer und laden Sie die vorbereiteten G-Code.
(3) Gerüst Herstellung
- Schließen Sie die vordere Tür des Gehäuses, die verbindet der Sicherheitsverriegelung und löst die Hochspannungsversorgung, die Spinndüse.
Hinweis: Sobald die Tür geöffnet wird, können zum Beispiel wenn ein Druck beendet ist oder im Falle eines Notfalls die hohe Spannungsabfälle und das Gerüst sicher entfernt werden. - Die hohe Spannung allmählich in 0,2 kV-Schritten zu erhöhen, bis ein Taylor-Kegel gebildet wird und eine Faser wird in Richtung des Sammlers ausgeworfen (siehe beispielhafte Taylor Kegel in Abbildung 1).
- Ermöglichen der Polymerschmelze, auf der noch Sammler Platte zur Stabilisierung des Jets ohne Bewegung für 5 Minuten extrudiert werden. Entfernen Sie den Haufen Material vor Beginn einer neuen Auflage.
- Verwenden Sie den Cursor auf der Tastatur, um den Druckkopf über dem Punkt zu bewegen, wo die G-Codes beginnen werden.
- Starten Sie den G-Code in der Software auf dem Computer.
(4) Faser Durchmesser Anpassung
- Halten Sie den Arbeitsabstand (12 mm) und der Temperaturregler (82 ° C und 65 ° C für die Spinndüse Region und die Spritze bzw.) auf einem konstanten Niveau wie zuvor beschrieben Schritte in 2.4 und 2.5.
Hinweis: Eine Anpassung der unterschiedliche Durchmessern ist in Tabelle 3zusammengefasst. - Fasern mit kleinen großen Durchmessern (3-10 µm) zu drucken. Reduzieren Sie die Luft Druckniveau auf 0,8 Bar, passen Sie die angelegte Spannung bis 8 kV und Satz Kollektor bis 1700 mm/min beschleunigen.
- Print Fasern mit mittlerer Größe Durchmesser (10-20 µm). Stellen Sie den Luftdruck auf 1,5 bar, eingestellte Spannung bis 11 kV und senken die Sammlung beschleunigen bis 1200 mm/min.
- Fasern mit großem Durchmesser (20-30 µm) zu drucken. Die Luft Druck erhöhen bis 2,6 Bar, verändern die angelegte Spannung bis 12 kV und Abnahme der Sammlung bis 700 mm/min beschleunigen.
(5) Jet-Optimierung
- Den Jet mit einem starken LED-Licht von außerhalb des Gehäuses für eine bessere Sicht zu beleuchten.
- Beobachten Sie das Verhalten der Faser 1 Minute lang und passen Sie die Systemparameter zur Optimierung des Prozesses in kleinen Schritten, d.h. 0,1 kV für anliegende Spannung, 100 mm/min für Sammlung Geschwindigkeit und 0,1 Bar Luftdruck.
Hinweis: Eine Zusammenfassung ist in Tabelle 4angegeben. - Zu stabilisieren, in regelmäßigen Abständen Ablenkung Verhalten durch Verringerung des Luftdrucks, Erhöhung der Geschwindigkeit und die Spannung zu minimieren, bis die Flugbahn der Faser eine stabile Oberleitung Kurve länger als 3 Minuten ähnelt.
- Korrigieren Sie die Flugbahn ein Rückstand an Jet durch Erhöhung der Spannung, Verringerung des Luftdrucks und Verringerung der Geschwindigkeit des Sammlers. Gelten Sie diese Maßnahmen, bis die Flugbahn der Faser wieder auf eine Oberleitung Kurvenform verschoben.
- Vermeiden Sie Fasern Reisen vertikal in Richtung des Sammlers durch die angelegte Spannung verringern, Erhöhung der Geschwindigkeit des Kollektors und den Luftdruck erhöhen, bis die Flugbahn des Jets behält die Form einer Fahrleitung Kurve wieder.
(6) Gerüst Sammlung
- Öffnen Sie die Tür, wenn der Druck abgeschlossen ist, und verwenden Sie den Cursor, um die Sammler-Platte auf die Tür zur besseren Zugänglichkeit zu bewegen.
- Sprühen Sie das Gerüst mit Ethanol 70 % (Vol/Vol) Mix und warten Sie 10 Sekunden, bis es sichtbar aus dem Kollektor löst.
- Sammeln Sie das fertige Gerüst von grabbing eine Kante mit einer Pinzette und hob sie aus dem Gehäuse heraus.
7. Fehlersuche
- Verringern Sie die angelegte Spannung zu, oder öffnen Sie die Tür sofort, wenn ein Funke zwischen der Spinndüse sichtbar oder ein knackendes Geräusch hörbar ist.
- Entfernen Sie alle gefährlichen Stoffe und Flüssigkeiten wie Ethanol 70 % (Vol/Vol) aus dem Inneren des Gehäuses, wie ein Feuer im Falle möglicher Funken entzünden könnte.
- G-Code entsprechend zu programmieren, dass die Spinndüse bewegt sich weg von der Gegend wo das Gerüst wird gedruckt, nachdem alle Ebenen fertig sind. Dies vermeidet Materialanhäufung oberhalb der Stelle, wo die Spinndüse endlich aufhört.
- Überprüfen Sie die Spinndüse unter die Lupe und überprüfen Sie, ob gibt es keine Schäden an der Spinndüse, wie dies die Homogenität des Kegels Taylor maßgeblich beeinflussen wird.
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Representative Results
Zwei verschiedene Methoden der Sammlung sind in MEW, gebräuchlich sind flach und Dorn-Sammlung. Die daraus resultierenden Architekturen richten sich nach der Programmierung des G-Codes (Tabelle 2), die durch die Software ausgeführt wird.
Flache Sammlung
Anwenden von Flachkollektoren bezieht sich auf die am häufigsten verwendete Methode und ermöglicht die direkte Ablagerung von Material unter Bezugnahme auf die vorprogrammierten G-Code. 0/90 und 0/60 Strukturen in verschiedenen Größen sind in der Literatur ausführlich berichtet. Darüber hinaus die Möglichkeit, direkt anlagern von geschmolzenem Fasern auf den Kollektor auch erleichtert die Herstellung von zufällig noch Strukturen organisiert, wenn eine gemusterte Flachkollektors statt eine glatte 114verwendet wird.
Röhrenförmige
Es gibt eine große Nachfrage für die Herstellung von Gerüsten mit röhrenförmigen Architekturen für TE Anwendungen. MEW ist eine wirksame Methode, röhrenförmigen Gerüste mit maßgeschneiderten Porosität zu erreichen, durch die Verwendung von zylindrischen Sammler. Diese drehen ihre eigenen Achse während der Übersetzung entlang der Achse des Dorns. Durch fine-tuning des G-Codes, die Drehzahl sowie die translatorische Geschwindigkeit ermittelt und die Ausrichtung der Fasern kann besonders angefertigt werden. Höhere Drehzahlen als translatorische Geschwindigkeit zu radial führen ausgerichteten Poren und umgekehrt. Die Gesamtzahl der Schichten, Verteilung und Morphologie der Porosität konfiguriere die mechanischen Eigenschaften des Gerüstes. Der Innendurchmesser des röhrenförmigen Gerüstes richtet sich nach dem Außendurchmesser der implementierten Dorn.
Abbildung 1 : MEW Setup. (A) auch einen PC, das Druckwerk und elektrischen Schaltkasten (B) der Kopf und der Kollektor (C) die Faser in eine perfekt ausbalancierte Flugphase und (D) eine schematische Abbildung eines Taylor Kegel. (E) zeigt eine schematische Darstellung eines Druckers und listet die fünf am meisten vorherrschenden Systemparameter, einschließlich "angelegte Spannung" (hohe Spannung Generator), "Temperatur" (Temperaturregler), "Luftdruck" (Druckregler), "Arbeitsabstand" () Einstellung über Inhouse entwickelt bewegliche z-Achse) und "Sammlung Geschwindigkeit" (X- und Y-Positionierung Folien). (F) zeigt das Design des Isoliersystems innerhalb der Druckkopf über ein hitzebeständiges Polyamid-Band. Dies verhindert Funkenbildung zwischen den "Heizelement 1" und der geladenen "Messing-Teil". Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2 : Verschiedene Gerüste mit einem Flachkollektors hergestellt (A), 0/90 Gitter (B) und das gleiche Gitter in höherer Auflösung (C). (D) zeigt eine 0/60-Struktur und (E) eine nach dem Zufallsprinzip kontrollierte Struktur.Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3 : Präsentation der verschiedenen röhrenförmigen Gerüste und einem entsprechenden repräsentatives Bild von Rasterelektronenmikroskopie (SEM). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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| 3D-Druck Gitter als Aktivierung und Expansion Plattform für T-Zell-Therapie (Delalat Et Al., 2017)24 || WOHNUNG |
| Gerüste mit verschiedenen Faser Abstand (200 µm, 500 µm und 1000 µm) sind Oberfläche funktionalisierter und T-Zellen für die Expansion ausgesät. |
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| Biomimetische weichen Netzwerk Verbundwerkstoffe bestehend aus einem Hydrogelmatrix und Stärkung der MEW Maschen für den Gelenkknorpel Reparatur werden gemeldet. |
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| Magnesium Fluorid Nanopartikel verstärkt PCL Gerüste hergestellt mittels MEW sind entworfen und entwickelt für technische Anwendungen Knochengewebe. |
Tabelle 1: Verweise auf eine Liste von Studien, in denen MEW Gerüste wurden hergestellt und für Anwendungen in der Biologie verwendet. Die Liste enthält Ergebnisse der implementierten flache sowie röhrenförmigen Gerüste.
Tabelle 2: Erklärung der Programmierung eines G-Codes für flach und röhrenförmigen Gerüste mit einer Textdatei (.txt) in der Software hochgeladen werden. Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Tabelle zu sehen.
Tabelle 3: repräsentative Werte der Parameter der Luft Druck, Spannung und Sammlung (Temperatur und Sammlung Abstand konstant), drei verschiedene Durchmesserbereiche (kleine, mittlere und große) zu erreichen. Die roten Pfeile schlagen exakte Werte innerhalb der jeweiligen Kategorien der Faserdurchmesser erreichen.Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Tabelle anzuzeigen.
Tabelle 4: Schematische Darstellung der verschiedenen Fällen und realen Bildern möglich Faser Ablagerung an MEW sowie Mittel zur Optimierung der. Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Tabelle zu sehen.
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Discussion
AM zu integrieren, um innovative Lösungen für die Herausforderungen im Bereich Medizin zu finden stellt ein neues Paradigma für das 21St -Jahrhundert. Das so genannte "Bio-Fabrication" ist auf dem Vormarsch und Innovationen in Fertigungstechnologien ermöglichen die Produktion von hoch entwickelten Architekturen für TE Anwendungen. Elektrospinnen von Polymerschmelzen in eine direkte Schreibmodus (hier MEW) gilt als eines der vielversprechendsten Kandidaten Fertigung erfüllen die Bedürfnisse der Gemeinschaft TE wo sind geordnete Strukturen von biokompatiblen Materialien in Mikron bis Nanobereich erforderlich27.
Dieses Tutorial soll Grundlagenwissen über die Operationen der MEW bis die physikalischen Grundlagen erklären und demonstrieren Handlungsschritte zur Herstellung von reproduzierbaren Gerüste mit dieser Technologie zu erzeugen.
Da die allgemeinen Grundsätze der MEW vergleichbar mit denen von konventionellen Additiven Fertigungstechnologien, d.h. eine gezielte Ablagerung von extrudierte Material in gewissem Sinne Schicht für Schicht sind, ist es wichtig, die relative Bewegung zwischen dem Leiter Steuern und die Sammler. Aus unserer Erfahrung empfehlen wir arbeiten mit MEW-Geräte, die einen festen Kopf zu halten, während die jeweiligen Bewegung des Kollektors durch die Stadien (X und Y) durchgeführt wird. Ein fixiert Kopf bleibt in einer stabilen Position und erzeugt keine kinematische Kräfte, die wirken auf die Taylor-Konus und führen zu Störungen bei der Erstellung. Darüber hinaus die Verkabelung verbunden mit Hochspannung und Heizungen unterliegt nicht nachhaltig sich wiederholende Bewegung. Die Sammler-Bewegung wird durch den G-Code definiert, muss in der Software hochgeladen werden. Dieser Code, auch bekannt als RS-274, ist im Bereich Computer aided Manufacturing verbreitet, um den Weg der Werkzeuge zu kontrollieren. Für MEW Anwendungen mit Flachkollektoren, die G-Code-Datei bestimmt die Bewegung und die Geschwindigkeit in X und Y-Richtung; für zylindrische Sammler oder Dorn Anwendungen, die G-Code-Datei definiert sowohl die (X-Richtung) translatorische und rotatorische Geschwindigkeiten. Tabelle 2 erklärt die Programmierung eines G-Codes im Detail.
Im Vergleich zu anderen Additiven Fertigungstechnologien, ermöglicht MEW die Herstellung von Fasern mit verschiedenen Durchmessern durch die Anpassung der Parameter Systemtemperatur, Sammlung Geschwindigkeit und Spannung, wie im Protokoll beschrieben.
Um kleine Fasern (3-10 µm) zu erreichen, ist es ratsam, niedrige Drücke, moderate Spannungen und hohe Geschwindigkeiten zu verwenden. Im Allgemeinen führt vermindertem Druck zu weniger extrudierte Masse. Damit einher geht eine entsprechende Abnahme der Oberfläche des Strahls. Daher kleinere elektrostatische Kräfte sind erforderlich, um die Masse der Faser in Richtung der Sammler zu beschleunigen, d. h. niedriger Spannung angewendet werden muss. Darüber hinaus führen vergleichbar höhere Sammlung Geschwindigkeiten zu verstärkten Dehnung der Faser, verursacht eine zusätzliche Ermäßigung von der endgültigen Faserdurchmesser.
Erhöhung des Drucks mehr Flow der geschmolzene Polymer induziert und führt somit zu größeren Faserdurchmesser (10-20 µm). In diesem Fall muss größere elektrostatischer Kraft der erweiterten Polymeroberfläche (dickere Fasern) zu kompensieren. Um eine stabile Polymer-Jet-Stream zu erhalten, darf die Spannung verändert werden und die Sammlung Geschwindigkeit verringert werden sollte.
Große Faserdurchmesser (20-30 µm) erfordern verstärkte Polymer Extrusion, d.h. höheren Luftdruck. Dies provoziert relativ dickere Fasern und wird vorgeschlagen, in Kombination mit höherer Spannung liefern ausreichenden elektrostatischen Kraft auf die Faser aufgebracht werden. Darüber hinaus induzieren reduzierte sammeln Drehzahlen weniger Ballaststoffe dehnen. Eine Zusammenfassung wird in Tabelle 3angegeben.
Alle drei Fälle erwähnt, erfordern jedoch noch Feinabstimmung und Optimierung um eine stabile Oberleitung Kurve beizubehalten geformt Faser im Laufe der Zeit in das Protokoll erklärt. In MEW, nur ein perfekt ausgewogenes Gleichgewicht zwischen den Kräften, die Bestimmung der Strömung des Polymers Masse und die Kräfte, die Gewinnung des Jets in Richtung der Sammler führt schließlich erreichen konsistent Gerüst Morphologien 12,28 . Abweichungen von den Weg des Strahls reflektieren daher starke Abweichungen der Faserdurchmesser oder ungenau Ablagerung. Drei verschiedene Varianten im Verhalten erhalten Sie von unserer Erfahrung.
Erstens kann eine Faser Puls, ein Phänomen berichtet zunächst von Dalton Gruppe12. Eine unausgewogene Verteilung zwischen Masse und jeweiligen Drag-Kräfte auf die Fasern Ergebnisse in einem ständig saturierte Taylor Kegel, der in regelmäßigen Abständen angesammelten Polymer freisetzt geliefert. Dadurch erhebliche Variabilität in den Winkeln der Weg und die Ergebnisse in unterschiedlichen Durchmessern.
Zweitens eine rückständige elektrifizierten Jet tritt auf, wenn die Geschwindigkeit des Sammlers höher als die Extrusion Geschwindigkeit des Jets. Die endgültige Ablagerung des Strahls geschieht weit weg aus der vertikalen Richtung der Spinndüse, verursacht eines rückständigen Jet-Streams. Die Flugbahn ähnelt eine überbetont Krümmung, die wodurch auch die Abmessungen der gedruckten leski minimiert wird.
Drittens wird ein Knick elektrifizierter Jet durch die senkrechte Auswirkungen des Jets auf dem Sammler und Manifeste, verursacht, wenn die Kollektor-Geschwindigkeit eingestellt ist langsamer als die Geschwindigkeit, an dem die Jet aus der Spinndüse fließt. Anwendung von hohen Spannungen kann auch dazu führen, Knicken, indem Sie eine übermäßige Beschleunigung in Richtung der Sammler und einer geraden Flugbahn der Faser produzieren. Unerwünschte Ablagerung von Schleifen ist in diesem Fall beobachtet.
Mittel, um den Prozess erneut zu stabilisieren sind in das Protokoll zur Verfügung gestellt und in Tabelle 4dargestellt.
Aus der Perspektive der Umsetzung Gerüst existieren mehrere Vorteile bei der Verwendung von PCL und MEW, wie Biokompatibilität, Reproduzierbarkeit durch direkte schreiben oder vordefinierte Anpassung der daraus resultierenden Architekturen. MEW kann auf jedem herkömmlichen Labortisch stellen durchgeführt werden, da es verwendet lösungsmittelfreie Polymerschmelzen, es erfordert daher keine teuren Abzüge oder vollständige Verwertung von Reststoffen29. Es gibt kein Geruch beim Betreten eines Raumes mit MEW-Geräte.
Darüber hinaus eine erreichbare hohe Oberfläche Volumen-Verhältnis innerhalb einer porösen Gerüst ist von großem Vorteil und MEW Gerüste, gut geeignet für Anwendungen in der Biologie30macht.
Im Vergleich zu bekannten 3D Drucktechnologien, z. B. Fused Deposition Modelling31hat MEW Einschränkungen in druckbare Höhen der geordneten Strukturen.Der Grund ist in der inhärenten Prozess des Auftragens elektrostatische Kräfte, welche Traps mobilen Träger innerhalb der hinterlegten Fasern Laden gesehen. Sobald die Höhe der Gerüste ca. 4 mm übersteigt, wird es berichtet, dass die Summe der anfallenden Gebühren innerhalb der Gerüst wirkt abstoßend für kommende Fasern32angesammelt. In den meisten Fällen sind die daraus resultierenden oberen Schichten anschließend deutlich verzerrt.
Ein weiterer Unterschied zu herkömmlichen 3D Drucktechnologien liegt in der Tatsache, dass die Ablagerung von Material während des Prozesses nicht unterbrochen werden und ausschließlich alle Systemparameter schließlich stoppen Material Extrusion hält. Dies ist eine Design-Einschränkung und anzusehen, wenn den G-Code Programmierung. Während die Jet-Initiation kann mechanisch33, G-Code Programmierung muss einen kontinuierlichen direkt schreiben Ansatz durchgeführt.
Erhöht den Durchsatz und Prozesseffizienz von MEW auch bleibt eine Herausforderung und ist der Hauptgrund, warum in unserer Sicht und andere warum diese Technologie nicht auf industriellem Niveau noch34bis skaliert wurde. Erstens ist der MEW-Prozess von Natur aus niedrigen Durchsatz aufgrund der geringen Durchflussmengen und limitierte Kollektion Geschwindigkeiten. Beide Aspekte sind jedoch Voraussetzung für die kontrollierte Ablagerung von Jet und Reproduzierbarkeit in der Druckerei. In der Tat, die maximale Sammlung Geschwindigkeit während des Druckvorgangs beschränkt sich auf die physischen Grenzen des Materials verwendet, d. h. zu hohe Geschwindigkeiten Bruch des Jets verursachen würde, wenn die Kräfte ziehen machbare Grenzen überschreiten. Eine weitere Strategie für gehobene stützt sich auf die Verwendung von Multi-Extrudieren MEW Geräten, d.h. Maschinen mit mehreren Druckköpfen in unmittelbarer Nähe zueinander; jedoch würde diese Multi-Köpfe verursachen Interferenzen zwischen das elektrische Feld der einzelnen Head und anschließend verzerren die letzte Faser Ablagerung35. Nadelfreie Schmelze Elektrospinnen Köpfe haben eine beträchtliche Anzahl von elektrifizierten Düsen36, generiert, obwohl steuern die genaue Platzierung der Fasern direkt geschrieben, schwer zu erreichen sein könnte. Zukünftige Entwicklungen zur Steigerung der Effizienz der MEW, würde aber nicht nur die biomedizinische Gemeinschaft, sondern auch die Branchen der Filtration, Textil- oder Anwendungen für Energie2profitieren.
Obwohl dieses Tutorial Richtlinien zur fertigen maßgeschneiderte Gerüste unter den vorgeschlagenen Parametereinstellungen bietet, muss angemerkt werden, dass kleinere Abhängigkeiten von Umweltbedingungen wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit vorhanden und zu ungewollten könnte Abweichungen37. In diesem Tutorial dargestellten Ergebnisse basieren auf Know-how angesammelt der Hutmacher-Gruppe in stabile Umgebungsbedingungen in kontrollierten Labor Räumen durchgeführt.
PCL ist der prominenteste Kandidat für MEW. Aus Sicht der Technik seines niedrigen Schmelzpunktes (60 ° C) ist vorteilhaft, da dies nicht, dass die anspruchsvolle Umsetzung der Hochtemperatur-Heizungen erfordert (> > 100 ° C) in unmittelbarer Entfernung zum hohen Spannungsquellen. Auf eine materielle Technikniveau PCL ist halbleitende und bietet starke makromolekularen Zusammenhalt als Flüssigkeit und als Feststoff. Trotz starken mechanischen Dehnung Anleihen der Viskose Material zu einem gewissen Grad, das führt zu prominenten Faser Ausdünnung beim Sammler Geschwindigkeit erhöhen oder angelegte Spannung. Konventionelle Schmelze Elektrospinnen ohne bewegliche Sammler wurde mit verschiedenen Polymeren, z. B. Polypropylen, Polyethylen oder Nylon9berichtet. Die Anwendung der Grundsätze der direkten schreiben jedoch überwiegend mit PCL berichtet worden und einige PCL-Mischungen mit Zusätzen weiter senken seine Viskosität38, zwar gibt es Ausnahmen39,40. Jedoch sehen wir in Zukunft ein breiteres Spektrum von Materialien von MEW verarbeitet. Dies bedeutet wiederum, dass die Aktualisierung von Hardware-Komponenten für diese Technologie als Beispiel Verarbeitung Polypropylen (Schmelzpunkt bei 160° C) für den aktuellen technischen Anforderungen der Hardware von MEW Geräte verändert.
Ein zunehmendes Interesse an biokompatiblen Polymeren Gerüste mit hochpräzisen und steuerbare Architekturen vorhanden ist; MEW, bis heute stellt die einzige Technologie, die im Vergleich zu anderen Biomanufacturing-Techniken, zur Herstellung von Architekturen im unteren Mikrometer-Bereich (mit Ausnahmen im Sub-µm Bereich41) bestellt ist. In den letzten Jahren diesem führen zu eine exponentiell wachsende Menge an Publikationen und Patente30. Daher, Bekämpfung der technischen Komplexität durch Implementierung von Hardware optimiert und die Einrichtung von in-Prozess-Kontrolle von MEW ist von großer Bedeutung. Dies erleichtert die Herstellung von Gerüsten mit maßgeschneiderten Architekturen für ein breites Anwendungsspektrum in der Zukunft.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde finanziell von der Cooperative Research Centre CRC für Zelle Therapie Fertigung, das Australian Council ARC Forschungszentrum in Additiv Biomanufacturing und dem Institute for Advanced Study an der technischen Universität München unterstützt. Diese Forschung wurde von dem australischen Forschung Rat industrielle Transformation Ausbildungszentrum in Additiv Biomanufacturing http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026) durchgeführt. Bitte besuchen Sie die Website für Artikel, Bücher, Fernsehen oder Radio Programme, elektronischen Medien oder andere literarische Werke, die im Zusammenhang mit dem Projekt. Ferner bestätigen die Autoren dankbar Maria Flandes Iparraguirre für Unterstützung bei Dreharbeiten, Philip Hubbard für die Stimme über und Luise Grossmann für Dreh und Schnitt.
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
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