تذوب الكتابة اليكتروسبينينج من السقالات Poly(ε-caprolactone) ثلاثي الأبعاد مع مورفولوجيس يمكن السيطرة عليها لتطبيقات هندسة الأنسجة
Summary
هذا البروتوكول بمثابة مبادئ توجيهية شاملة لاختلاق السقالات عن طريق اليكتروسبينينج مع البوليمر يذوب في وضع كتابة مباشرة. نحن بانتظام مخطط العملية وتعريف إعدادات المعلمة المناسبة لتحقيق أبنية سقالة المستهدفة.
Abstract
ويعكس هذا البرنامج التعليمي على المبادئ الأساسية والمبادئ التوجيهية لكتابة مع بوليمر اليكتروسبينينج يذوب، هي تكنولوجيا تصنيع مضافة مع إمكانات كبيرة للتطبيقات الطبية الحيوية. التقنية تسهل ترسب مباشرة من ألياف البوليمر متوافق حيويا اختﻻق السقالات أمر جيد في الفرعية ميكرون على النطاق الصغير الحجم. إنشاء لزج مطاطي مستقرة،، جت البوليمر بين مغزال وجامع يتم تحقيقه باستخدام جهد المطبقة ويمكن أن تكون مكتوبة بالمباشرة. هناك فائدة كبيرة من السقالة مسامية نموذجي هو ارتفاع نسبة السطح إلى الحجم الذي يوفر مواقع زيادة التصاق فعالة لمرفق خلية والنمو. التحكم في عملية الطباعة عن طريق صقل المعلمات نظام يتيح إمكانية تكرار نتائج عالية في نوعية السقالات المطبوعة. كما أنه يوفر منبرا تصنيع مرنة للمستخدمين لتكييف هياكل المورفولوجية للسقالات لاحتياجاتها المحددة. لهذا الغرض، نقدم بروتوكولا للحصول على أقطار مختلفة من الألياف استخدام تذوب اليكتروسبينينج كتابة (ميو) مع تعديل مرشد للمعلمات، بما في ذلك سرعة تدفق معدل، والجهد وجمع. وعلاوة على ذلك، نحن لشرح كيفية تحسين الطائرة النفاثة ومناقشة التحديات التقنية غالباً من ذوي الخبرة، وشرح تقنيات استكشاف الأخطاء وإصلاحها وعرض مجموعة واسعة من أبنية سقالة للطباعة.
Introduction
تصنيع ثلاثي الأبعاد (3D) هياكل متوافق حيويا للخلايا أحد الإسهامات الرئيسية للمضافة التحويلية للأنسجة الهندسة (TE)، تهدف إلى استعادة الأنسجة عن طريق تطبيق الحيوية المخصصة، والخلايا، والعوامل الكيميائية الحيوية، أو مجموعة منها. ولذلك، تشمل المتطلبات الرئيسية للسقالات لتطبيقات الشركة المصرية للاتصالات: manufacturability من المواد متوافق حيويا، ويمكن السيطرة عليها بالخصائص المورفولوجية لغزو الخلية المستهدفة وخصائص السطح الأمثل لتعزيز التفاعل الخلية 1.
وزارة الكهرباء والمياه هو أسلوب تصنيع الخالي من المذيب الذي يجمع بين مبادئ التصنيع المضافة (غالباً ما تسمى 3D الطباعة) واليكتروسبينينج لإنتاج البوليمر تنسجم مع مرتبة عالية من الألياف سامسونج مورفولوجيس2. وهو نهج كتابة مباشرة ودقة رواسب الألياف وفقا لرموز مبرمجة مسبقاً3, يشار إليه كمجموعة رموز. اليكتروسبون تذوب بنيات حاليا أعد استخدام شقة4،5 أو6،مغزل7 جامع لاختلاق السقالات مسطحة وانبوبي المسامية، على التوالي.
هذا الأسلوب يوفر فوائد كبيرة للشركة المصرية للاتصالات والمجتمع الطب التجديدي (RM) نظراً لإمكانية طباعة مباشرة البوليمرات الدرجة الطبية، مثل poly(ε-caprolactone) (PCL)، الذي يعرض ممتازة توافق مع الحياة8. المزايا الأخرى هي إمكانية تخصيص حجم وتوزيع المسامية، بإيداع الألياف بطريقة شديدة-ونظمت لاختلاق السقالات لارتفاع نسبة السطح إلى الحجم. قبل أن يمكن إجراء وزارة الكهرباء والمياه، يتطلب البوليمر أولاً تطبيق الحرارة9. مرة واحدة في حالة السوائل، قوي ضغط هواء تطبيقية أن تتدفق من خلال مغزال معدني متصل بمصدر جهد العالي. توازن القوة بين التوتر السطحي وجذب الحبرية الكهربية الاستاتية مشحونة بجامع أسس يؤدي إلى تكوين مخروط تايلور متبوعاً بطرد جت10.
وترد في الشكل 1الصور وتخطيطي الرسم من وزارة الكهرباء والمياه البنية الداخلية الجهاز المستخدم لهذا البروتوكول. بالإضافة إلى ذلك فإنه يوضح مبادئ استخدام الشريط العازلة لتجنب التفريغ الكهربائي بين عناصر التدفئة والجزء المشحونة كهربائياً النحاس المحيطة مغزال. عدم كفاية العزل سيؤدي إلى الأضرار الداخلية للأجهزة المنفذة.
اعتماداً على تعديل معلمات نظام الثلاث (درجة الحرارة والضغط الجوي وسرعة جمع)، تمكن وزارة الكهرباء والمياه تصنيع الألياف بأقطار مختلفة، وشرح في قسم النقاش. في معظم الحالات، ومع ذلك، صقل والاستغلال الأمثل للطائرة النفاثة سيكون مطلوباً قبل يتم إخراج طائرة مستقرة. تصور jet السفر المكهربة وسيلة فعالة للتحقق من الاتساق والتجانس للعملية. في حالة مثالية، يشبه مسار الرحلة منحنى [كتنري] اكتسبت نتيجة لتوازن قوة الخاضعة لمعلمات نظام11. علاوة على ذلك، الصغرى-وماكرو-هيكل السقالات يعتمد على مسار رحلة البوليمر جت12. جدولاً مفصلاً بانحراف مختلف السلوكيات واتخاذ تدابير لتحسين معطى في مقطع المناقشة.
في هذه الدراسة، نقدم بروتوكول يصف الخطوات تلفيق لتصنيع السقالات الليفي شديد استخدام التكنولوجيا وزارة الكهرباء والمياه. في هذا العمل، الطبية الصف PCL (الوزن الجزيئي 95-140 كجم/مول) تم استخدامه، كما تحسنت هذا الصف الطبي PCL النقاء على الدرجة التقنية، وخصائصه الميكانيكية والتجهيزية ممتازة لوزارة الكهرباء والمياه. تذوب واسع تجهيز مجموعة من PCL تنبع من نقطة انصهار منخفضة (60 درجة مئوية) وعالية الثبات الحراري. وعلاوة على ذلك، هو PCL بطء معدل بوليمر القابلة للتحلل، مما يجعلها مادة ممتازة للعديد من الأنسجة هندسة تطبيقات13.
لهذه الدراسة، ستبقى ثابتة المسافة درجة الحرارة وجامع (65 درجة مئوية و 82 درجة مئوية لدرجات الحرارة المحاقن ومغزال (على التوالي) و 12 ملم لمسافة جامع)؛ تطبيق الجهد الكهربي والضغط الجوي وسرعة جامع، سوف تكون متنوعة بيد اختﻻق الألياف مع أقطار محددة الأهداف. قائمة مفصلة للدراسات المنشورة باستخدام السقالات وزارة الكهرباء والمياه يتم توفيرها في مقطع النتائج، ويكشف عن تطبيقات مختلفة للحقول للشركة المصرية للاتصالات، وجمهورية مقدونيا (الجدول 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
ويعرض نموذجا جديداً للقرن 21ش دمج صباحا من أجل إيجاد حلول مبتكرة للتحديات في المجال الطبي. ميدان ما يسمى “بيو-تلفيق” أخذ في الازدياد والابتكارات في مجال تكنولوجيات التصنيع تمكين إنتاج تصميمات متطورة للغاية لتطبيقات الشركة المصرية للاتصالات. يعتبر اليكتروسبينينج من البوليمر يذوب في ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم هذا العمل الدعم المالي باتفاقية “حقوق الطفل في مركز البحوث التعاونية” لتصنيع خلية العلاج, مركز قوس مجلس البحوث الأسترالية في المضافة التحويلية والمعهد “الدراسات العليا” في “جامعة ميونيخ التقنية”. أجرى هذا البحث الأسترالية مجلس الصناعية تحول التدريب مركز البحوث في “المواد المضافة التحويلية” http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026). الرجاء زيارة الموقع لمقالات أو كتب، وبرامج إذاعية أو تلفزيونية، ووسائط الإعلام الإلكترونية، أو أي الأعمال الأدبية الأخرى ذات الصلة بالمشروع. علاوة على ذلك، الكتاب يعترف امتنان ماريا فلانديس إيباراجويري للدعم في تصوير، فيليب هوبارد للصوت وجروسمان لويز لتصوير وتحرير.
Materials
| 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. , 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. , 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).
