Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Bioengineering

Smelte Electrospinning skrivning af tre-dimensionelle Poly(ε-caprolactone) stilladser med kontrollerbare morfologier for Tissue Engineering applikationer

Published: December 23, 2017 doi: 10.3791/56289

Summary

Denne protokol serverer en omfattende vejledning til at fabrikere stilladser via electrospinning med polymer smelter i en direkte skrivning-tilstand. Vi systematisk skitsere processen og definere de relevante parameterindstillinger for at opnå målrettede stillads arkitekturer.

Abstract

Denne tutorial afspejler på de fundamentale principper og retningslinjer for electrospinning skriftligt med polymer smelter, et tilsætningsstof fremstillingsindustrien teknologi med stort potentiale for biomedicinske programmer. Teknikken letter direkte aflejring af biokompatible polymer fibre til at fabrikere velordnet stilladser i sub micron til mikro skala rækkevidde. Etablering af en stabil, viskoelastiske, polymer jet mellem en spindedyse og en solfanger er opnået ved hjælp af en anvendt spænding og kan være direkte-skrevet. En vigtig fordel af et typisk porøse stillads er et højt overflade-til-volumen forhold, som giver øget effektiv vedhæftning websteder for celle udlæg og vækst. Styre udskrivningen af finjustering systemparametrene giver høj reproducerbarhed i kvaliteten af de udskrevne stilladser. Det giver også en fleksibel fremstilling platform for brugerne til at skræddersy de morfologiske strukturer af stilladser til deres specifikke krav. Til dette formål præsenterer vi en protokol for at opnå forskellige fiber diameter ved hjælp af smelte electrospinning skrivning (MEW) med en guidet ændring af parametre, herunder flow sats, spænding og samling hastighed. Desuden demonstrere vi hvordan man optimere jet, diskutere ofte erfarne tekniske udfordringer, forklare fejlfindingsteknikker og fremvise en bred vifte af printbare stillads arkitekturer.

Introduction

Fremstilling af tre-dimensionelle (3D) biokompatible strukturer for celler er et af de vigtigste bidrag af tilsætningsstoffet biomanufacturing til tissue engineering (TE), satsning hen til genoprette væv ved at anvende tilpassede biomaterialer, celler, biokemiske faktorer, eller en kombination af disse. Derfor, de vigtigste krav i stilladser for TE programmer omfatte: manufacturability fra biokompatible materialer, kontrollerbar morfologiske egenskaber for målrettede celle invasion og optimeret overflade egenskaber til forbedret celle interaktion 1.

MEW er en opløsningsmiddelfri fremstilling teknik, der kombinerer principperne for tilsætningsstof fremstillingsindustrien (ofte kaldet 3D udskrivning) og electrospinning til fremstilling af polymert masker med stærkt bestilte ultratynde fiber morfologier2. Det er en direkte skrivning tilgang og indskud præcist fibre ifølge forprogrammerede koder3, kaldet G-koder. Smelt electrospun konstruktioner er i øjeblikket udarbejdet ved hjælp af en flad4,5 eller en Dorn6,7 samler til at fabrikere porøse flad og rørformede stilladser, henholdsvis.

Denne teknik giver betydelige fordele til TE og regenerativ medicin (RM) samfund på grund af muligheden for at udskrive direkte medicinsk-grade polymerer, såsom poly(ε-caprolactone) (PCL), der præsenterer fremragende biokompatibilitet8. Andre fordele er muligheden for at tilpasse størrelsen og fordelingen af porøsitet, ved at deponere fibre i en meget organiseret måde at fremstille stilladser af høj overflade-til-volumen forhold. Før MEW kan udføres, kræver polymeren først anvendelsen af varme9. Én gang i en flydende tilstand, en anvendt lufttryk tvinger det til at flyde ud gennem en metallisk spindedyse, der er forbundet med en høj spændingskilde. Kraftudligningen mellem overfladespænding og tiltrækning af elektrostatisk opladet slipværktøjet til jordet opkøber fører til dannelsen af en Taylor kegle efterfulgt af udslyngning af en jet10.

Billeder og en skematisk tegning af in-house opbygge MEW enheden bruges til denne protokol er vist i figur 1. Det viser desuden principper ved hjælp af isolerende tape til at undgå elektrisk udladning mellem varmeelementer og elektrisk ladede messing del omkring spindedyse. Tilstrækkelig isolering ville føre til indre skader den implementerede hardware.

Afhængigt af justeringen af de tre systemparametre (temperatur, samling hastighed og lufttryk) muliggør MEW fabrikation af fibre med forskellige diametre, forklaret i afsnittet diskussion. I de fleste tilfælde dog vil finjustering og optimering af jet være påkrævet før en stabil jet vil blive bortvist. Visualisering af de elektrificerede omrejsende jet er en effektiv måde at kontrollere konsistens og ensartethed i processen. I sag ideel ligner flyvevejen et køreledningsanlæg kurve erhvervet som følge af en force balance styres af system parametre11. Yderligere, mikro - og makro-struktur af stilladser er afhængig af flyvevejen polymer jet12. En detaljeret tabel over forskellige afbøjning adfærd og foranstaltninger for optimering er givet i afsnittet diskussion.

I den foreliggende undersøgelse præsenterer vi en protokol, der beskriver fabrication trinnene til fremstilling af meget kontrolleret fibrøst stilladser MEW teknologi. I dette arbejde, medicinsk grade PCL (Molekylær vægt 95-140 kg/mol) blev brugt, da denne medicinsk grade PCL har forbedret renhed over tekniske kvalitet, og dens mekaniske og forarbejdning egenskaber er fremragende til MEW. Bred smelte forarbejdning vifte af PCL stammer fra dens lavt smeltepunkt (60 ° C) og høj termisk stabilitet. PCL er desuden en langsom sats bionedbrydeligt polymer, hvilket gør det til et fremragende materiale til mange tissue engineering programmer13.

For denne undersøgelse, temperatur og samler afstanden vil blive holdt konstant (65 ° C og 82 ° C for at sprøjte og spindedyse temperaturer (henholdsvis) og 12 mm for collector afstand); anvendt spænding, samler hastighed og lufttryk, dog skal varieres for at fremstille fibre med målrettede diametre. En detaljeret liste over offentliggjorte undersøgelser ved hjælp af MEW stilladser er fastsat i afsnittet resultater og afslører forskellige applikationer for felterne af TE og RM (tabel 1).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. materielle forberedelse

  1. Fyld 2 g af PCL i en 3 mL plastik sprøjte med en tragt og indsætte et stempel i den åbne ende.
  2. Læg sprøjten i en forvarmet ovn ved 65 ° C til 8 h. punkt spidsen opad så luftbobler til samlede tæt på åbningen.
  3. Skubbe stemplet med en tynd genstand til at frigive den fanget luft inden for det smeltede materiale.
  4. Lad det køle ned til stuetemperatur, der opnås, når polymeren ikke er gennemsigtig længere efter 10 minutter.
  5. Opbevar PCL pre-belæsset sprøjten ved stuetemperatur i et tørt og mørkt miljø, indtil det er brugt.

2. hardware og Software opsætning

  1. Vedhæfte en 23G flad tippes nål (spindedyse) til sprøjten og en tønde adapter i anden enden til at tilslutte sprøjten til luft tryksystem.
  2. Læg sprøjten i skrivehovedet og tryk den nedad, indtil spindedyse tip skiller sig ud 1 mm fra messing del på den nederste side af hovedet.
  3. Montere en samler på scenen og rengøre overfladen samt printhovedet med 70% (vol/vol) ethanol til at fjerne støv eller resterende polymer.
  4. Angiv arbejder afstanden ved at placere en 12 mm høj objekt mellem spindedyse og samler og lavere skrivehovedet indtil spindedyse tip bare rører den.
  5. Justere Temperaturregulatorer på boksen elektriske 82 ° C og 65 ° C til regionen spindedyse og sprøjten, henholdsvis og drive dem videre til smelte PCL.
  6. Vent i mindst 10 min indtil polymeren er smeltet og indlede lufttrykket ved at indstille regulatoren til 1,8 bar.
  7. Forberede G-kode til at definere størrelse og form, mellem glødetrådens afstand og antallet af lag af skafottet og indsamling hastigheden på processen.
    Bemærk: En detaljeret skabelon for at fabrikere flade og rørformede stilladser er fastsat i kapitlet diskussion (tabel 2).
  8. Dobbelttjek manuelt at alle jorden kabler er tilsluttet sikkert til prøvelokalet og mur stik.
  9. Start software (fxMACH 3) på computeren og uploade den forberedte G-code.

3. stillads fabrikation

  1. Lukke hoveddøren af kabinettet, som forbinder sikkerhed sammenlåsningen og udløser den høje spændingsforsyning til spindedyse.
    Bemærk: Når døren åbnes, for eksempel når en print er færdig eller i tilfælde af en nødsituation, høj spændingen falder og skafottet kan fjernes sikkert.
  2. Øge højspænding gradvist i 0,2 kV-trin indtil en Taylor kegle er dannet og en fiber skubbes mod collector (Se eksemplarisk Taylor kegle i figur 1 d).
  3. Tillad polymer smelte at blive ekstruderet på stadig collector pladen til at stabilisere jet uden bevægelse i 5 minutter. Fjerne bunken af materiale før påbegyndelse af en ny print.
  4. Brug markørerne på tastaturet til at flytte skrivehovedet over det punkt hvor G-koder vil begynde.
  5. Start G-kode i softwaren på computeren.

4. fiber Diameter justering

  1. Holde arbejde afstand (12 mm) og Temperaturregulatorer (82 ° C og 65 ° C i regionen spindedyse og sprøjten, henholdsvis) på et konstant niveau, som beskrevet før i trin 2.4 og 2.5.
    Bemærk: En oversigt over justere forskellige diametre er givet i tabel 3.
  2. Udskrive fibre med små mellemstore diametre (3-10 µm). Reducere niveauet luft Tryk på 0,8 bar, justere den anvendte spænding til 8 kV og sæt Samleren hastighed til 1700 mm/min.
  3. Print fibre med medium størrelse diametre (10-20 µm). Justere lufttrykket til 1,5 bar sæt spændingen til 11 kV og lavere samlingen hastighed til 1200 mm/min.
  4. Udskrive fibre med store diametre (20-30 µm). Øger luft pres til 2.6 bar, ændre den anvendte spænding 12 kV og fald samlingen hastighed til 700 mm/min.

5. jet optimering

  1. Belyse jet med en kraftig LED-lys fra uden for kabinettet for bedre synlighed.
  2. Observere adfærd af fiber i 1 minut og justere Systemparametre for at optimere processen i små skridt, dvs. 0,1 kV for anvendt spænding, 100 mm/min samling hastighed og 0,1 bar for lufttryk.
    Bemærk: En oversigt er givet i tabel 4.
  3. Stabilisere periodisk afleder adfærd ved faldende lufttryk-, øge hastigheden og minimere spændingen, indtil flyvevejen af fiber ligner en stabil køreledningsanlæg kurven for mere end 3 minutter.
  4. Rette flyvebane af en halter bag jet ved at øge spændingen, at reducere lufttryk og hastighed af solfangeren. Anvende disse foranstaltninger, indtil flyvevejen af fiber flytter tilbage til et køreledningsanlæg kurven form.
  5. Undgå fibre rejser lodret retning af solfangeren ved at mindske den anvendte spænding, øge hastigheden af solfangeren og øge lufttrykket indtil flyvebane af jet bevarer formen af et køreledningsanlæg kurven igen.

6. stillads samling

  1. Åbn døren Når udskriften er færdig og bruge markøren til at flytte collector plade mod døren for bedre tilgængelighed.
  2. Spray skafottet med ethanol 70% (vol/vol) mix og vente 10 sekunder, indtil det løsner synligt fra solfangeren.
  3. Indsamle de færdige stillads ved at snuppe en kant med pincet og løft den ud af kabinettet.

7. afhjælpning af fejl

  1. Mindske den anvendte spænding eller åbne døren straks, hvis der er en gnist mellem spindedyse synlige eller en cracking støj hørbar.
  2. Fjerne alle farlige materialer og væsker såsom ethanol 70% (vol/vol) fra indersiden af kabinettet, som en brand kan antænde i tilfælde af potentielle gnister.
  3. Programmet G-koden i overensstemmelse hermed at spindedyse bevæger sig væk fra området hvor skafottet udskrives efter alle lag er færdig. Dette undgår materiale akkumulation over det punkt hvor spindedyse endelig stopper.
  4. Kontrollere spindedyse under en lup og kontrollere, at der er ingen skader på spindedyse som dette bliver væsentligt påvirke homogeniteten af Taylor kegle.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

To forskellige metoder til indsamling er almindeligt anvendt i MEW, som er flad samling og dornen samling. De resulterende arkitekturer afhænger programmering af G-koden (tabel 2), som er udført af softwaren.

Flad samling
Anvende flad samlere refererer til den mest almindelige metode og letter direkte aflejring af materiale henviser til de præ-programmerede G-code. 0/90 og 0/60 strukturer af forskellige størrelser er almindeligt rapporteret i litteraturen. Desuden mulighed for direkte deponering smeltet fibers på solfangeren også fremmer produktionen af tilfældigt endnu organiserede strukturer, når en mønstrede flade samler bruges i stedet for en glat én14.

Rørformet
Der er en stor efterspørgsel til fremstilling af stilladser med rørformede arkitekturer for TE applikationer. MEW er en effektiv metode til at opnå rørformede stilladser med tilpassede porøsitet ved at udnytte cylindrisk samlere. Disse rotere langs deres egen akse, mens oversætte langs aksen af dornen. Gennem fine tuning af G-kode, den roterende samt den translationel hastighed bestemmes og orientering af fibre kan tilpasses. Højere omdrejningstal end translationel hastigheder føre til radialt orienterede porer og vice versa. Det samlede antal lag, distribution og morfologi af porøsitet vil konfigurere de mekaniske egenskaber af skafottet. Den indvendige diameter af den rørformede Stillads vil blive bestemt af den udvendige diameter af den implementerede dornen.

Figure 1
Figur 1 : MEW setup. (A) herunder en PC, udskrivning enheden og den elektriske kontrolboks (B) i hovedet og collector (C) fiber i en perfekt afbalanceret flyvefase og (D) en skematisk illustration af en Taylor kegle. (E) viser en skematisk af en printer og viser de fem mest fremherskende systemparametre, herunder "anvendt spænding" (høj spænding Generator), "temperatur" (temperatur Controller), "luft pres" (trykregulator), () "arbejde afstand" justering via in-house designet bevægelige z-aksen) og "samling hastighed" (X og Y positionering dias). (F) viser udformningen af isoleringssystemet inden for skrivehovedet via en varmebestandig polyamid tape. Dette forhindrer gnistdannelse mellem "varmeelement 1" og den opladte "messing del". Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : Forskellige stilladser fremstillet med en flad samler (A), 0/90 gitter (B) og samme gitter i større opløsning (C). (D) viser en 0/60 struktur og (E) en tilfældigt kontrolleret struktur.Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 : Fremvisning af forskellige rørformede stilladser og én respektive repræsentativt billede fra scanning elektronmikroskopi (SEM). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Dermal fibroblast infiltration af poly(ε-caprolactone) stilladser fremstillet af Smelt electrospinning i et direkte skrivning mode (Farrugia et al., 2013)4 ||  FLAD
Dermal fibroblast seedede PCL MEW stilladser evalueres for celle infiltration.
En væv-manipuleret humaniseret xenograft model af menneskets bryst kræft metastaser til knogle (Thibaudeau et al., 2014)15 || RØRFORMET
Rørformede MEW stilladser bruges til at skabe en levedygtig ektopisk 'orgel' knogle i en musemodel at studere menneskets bryst kræft metastaser til knogle.
Artsspecifikke homing mekanismer af humane prostata kræft metastaser i væv manipuleret knogle (Holzapfel et al., 2014)16 || RØRFORMET
MEW stilladser bruges til at oprette en væv manipuleret knogle til prostatakræft forskning.
Forbedre strukturelle integritet af hydrogels ved hjælp af meget organiseret smelte electrospun fibre konstruktioner (Bas et al., 2015)17 ||  FLAD
MEW scaffolds med forskellige lay-down mønstre og poresizes bruges til at forbedre de mekaniske funktionalitet af blød hydrogels.
Styrkelse af hydrogels ved hjælp af tre dimensioner trykte mikrofiber (Visser et al., 2015)18 ||  FLAD
Bløde gelatine-baserede hydrogels er forstærket med MEW PCL stilladser.
Smelte electrospinning på cylindre: effekter af roterende hastighed og samler diameter på morfologi af rørformede strukturer (Jungst et al., 2015)6 || RØRFORMET
Indflydelse af translationel og roterende hastigheder på den endelige morfologi af rørformede MEW stilladser undersøges systematisk.
Hierarkisk struktureret porøse poly(2-oxazoline) hydrogels (Haigh et al., 2016)19 || FLAD
MEW stilladser bruges som en opoffrende skabelon til at oprette en hierarkisk 3D porøsitet netværk inden for en hydrogel.
A valideret prækliniske dyremodeller for primær knogle tumor forskning (Wagner et al., 2016)20 || RØRFORMET
MEW stilladser bruges til at oprette humaniseret tissue Engineering konstruktioner for prækliniske forskning på primær knogle tumorer.
Periosteum vævsmanipulering i en orthotopic i vivo platform (Baldwin et al., 2017) 21 || RØRFORMET
En multiphasic stillads bestående af en MEW maske og en hydrogel er udviklet til periosteum væv regeneration applikationer.
Dimensional metrologi celle-matrix interaktioner i 3D mikroskala fibrøst substrater (Tourlomousis og Chang. 2017)22 || FLAD
Celle-matrix interaktioner er undersøgt på MEW stilladser med forskellige arkitekturer.
Knoglens endosteale-lignende ekstracellulære matrix udtryk på smelte electrospun skrevet stillads (Muerza-Cascante et al., 2017)23 || FLAD
MEW PCL stilladser bruges til at udvikle en knoglens endosteale knogle-lignende væv, der fremmer væksten af primære menneskelige hæmatopoietiske stamceller.
3D udskrives lattices som en aktivering og ekspansion platform for T-celleterapi (Delalat et al., 2017)24 || FLAD
Stilladser med forskellige fiber afstand (200 µm, 500 µm og 1000 µm) er overflade functionalised og med T-celler til ekspansion.
Biofabricated blød netværk kompositter til brusk væv engineering (Bas et al., 2017)25 || FLAD
Biomimetiske bløde netværk kompositter bestående af en hydrogel matrix og styrke MEW masker designet til ledbrusken reparation er rapporteret.
Via præcise interface engineering mod bioinspired kompositter med forbedret 3D udskrivning processability og mekaniske egenskaber (Hansske et al., 2017)26 || FLAD
Magnesium fluor nanopartikel forstærket PCL stilladser fremstillet ved hjælp af MEW er designet og udviklet til knoglevæv engineering applikationer.

Tabel 1: henvisninger til en liste af undersøgelser, i hvilke MEW stilladser blev fabrikeret og anvendes til biologiske applikationer. Listen indeholder resultaterne af gennemførte flade samt rørformede stilladser.

Table 2
Tabel 2: forklaring af programmering en G-Code for flad og rørformede stilladser, ved hjælp af en tekstfil (.txt) skal uploades i softwaren. Venligst klik her for at se en større version af denne tabel.

Table 3
Tabel 3: repræsentant værdier for parametrene luft pres, spænding og samling hastighed (temperatur og samling afstand konstant) at nå frem til tre forskellige diameter intervaller (små, mellemstore og store). De røde pile foreslå eksakte værdier inden for de respektive kategorier at nå fiber diametre.Venligst klik her for at se en større version af denne tabel.

Table 4
Tabel 4: skematisk illustration af de forskellige sager og virkelige billeder af mulige fiber deposition på MEW samt midler til at optimere. Venligst klik her for at se en større version af denne tabel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Integrere AM for at finde innovative løsninger på udfordringerne på det medicinske område præsenterer et nyt paradigme for 21st århundrede. Den såkaldte "Bio-fabrikation" er på fremmarch og innovationer i fabrikation teknologi aktiverer produktionen af meget avancerede arkitekturer for TE applikationer. Electrospinning af polymer smelter i en direkte skrivning mode (her MEW) ses som en af de mest lovende fremstilling kandidater til at opfylde behovene i Fællesskabets TE hvor bestilte strukturer af biokompatible materialer i micron at nanoskala er kræves27.

Denne tutorial sigter mod at skabe grundlæggende viden om driften af MEW ved at forklare de fysiske principper og demonstrere handlingstrin for at fremstille reproducerbare stilladser ved hjælp af denne teknologi.

Da de generelle principper i MEW er sammenlignelige med dem af konventionelle additive fabrikationsteknologier, dvs en målrettet aflejring af ekstruderet materiale på en måde, lag på lag, det er afgørende at styre det relative bevægelsesforløb mellem hovedet og den Collector. Fra vores erfaring anbefaler vi arbejder med MEW enheder, der holder et fast hoved, mens de respektive bevægelse af solfangeren varetages af stadier (X og Y). En fikseret hoved forbliver i en stabil stilling og genererer ikke kinematiske kræfter, som ville handle på Taylor kegle og potentielt føre til forstyrrelser under dets oprettelse. Derudover ledninger forbundet med høj spænding og varmelegemer er ikke omfattet af vedvarende gentagne bevægelser. Bevægelsen samler er defineret af G-kode, der skal uploades i softwaren. Denne kode, også kendt som RS-274, er meget udbredt i feltet computer aided manufacturing styre pathway værktøjer. For MEW applikationer med flad samlere, G-Code-filen bestemmer bevægelse og hastighed i X og Y retning; for cylindriske samlere eller dornen applikationer, G-kode fil definerer både translationel (X-retning) og roterende hastigheder. Tabel 2 forklarer programmering af en G-kode mere detaljeret.

Sammenlignet med andre additive fabrikationsteknologier, muliggør MEW fremstilling af fibre med forskellige diametre af justering af system parametre temperatur, samling hastighed og anvendt spænding, som beskrevet i protokollen.

For at opnå små fibre (3-10 µm), anbefales det at bruge lav pres, moderat spændinger og høje indsamlings hastigheder. Generelt reduceret tryk fører til mindre ekstruderet masse. Dette er ledsaget af et tilsvarende fald i areal af jet. Derfor mindre elektrostatiske kræfter er forpligtet til at accelerere massen af fiber mod collector, dvs. lavere spænding skal anvendes. Derudover føre sammenlignes højere samling hastigheder til forbedret udspænding af fiber, forårsager en yderligere reduktion af den endelige fiber diameter.

Øge trykket inducerer mere strøm af smeltet polymer og dermed fører til større fiber diametre (10-20 µm). I dette tilfælde er større elektrostatiske kraft forpligtet til at kompensere for den udvidede polymer overflade (tykkere fibre). For at opnå en stabil polymer jet stream, spænding skal ændres og samling hastighed skal være reduceret.

Store fiber diametre (20-30 µm) kræve forbedrede polymer ekstrudering, dvs. højere lufttryk. Det provokerer relativt tykkere fibre og er foreslået til at blive anvendt i kombination med højere spænding til at levere tilstrækkelig elektrostatiske kraft på fiber. Derudover fremkalde nedsatte indsamling hastigheder mindre fiber stretching. Et resumé er givet i tabel 3.

Alle tre tilfælde nævnt ovenfor, imidlertid stadig kræve finjustering og optimering til at opretholde en stabil køreledningsanlæg kurve formet fiber over tid, forklarede i protokollen. I MEW, kun en perfekt afbalanceret ligevægt mellem de kræfter, fastsættelse af strømmen af polymeren masse og styrker tiltrække jet mod collector vil i sidste ende føre til at nå frem til overensstemmelse stillads morfologier 12,28 . Derfor, afvigelser i pathway af jet afspejler stærk afvigelser af fiber diameter eller unøjagtige deposition. Fra vores erfaring, kan tre forskellige variationer i adfærd opnås.

Først, en fiber kan puls, en fænomener oprindeligt indberettet af Dalton gruppe12. En skæv fordeling mellem leveret masse og respektive træk-styrker på fibre resultaterne i en konstant bøvet Taylor kegle, som med mellemrum frigiver akkumulerede polymer. Dette forårsager betydelig variation i vinklerne af pathway og resultater i forskellige diametre.

For det andet, en elektrificeret jet opstår, når hastigheden af solfangeren er højere end ekstrudering hastigheden af jet halter. Den endelige aflejring af jet sker langt væk fra den lodrette retning af spindedyse, forårsager en tilbagestående jet stream. Flyvevejen ligner en overemphasized krumning, som også minimerer dimensionerne af en udskrevet stillads.

For det tredje en buckling elektrificeret jet er forårsaget af vinkelrette virkningen af jet ind i solfangeren og manifester, når samler hastigheden er indstillet langsommere end den hastighed, hvormed jet strømmer ud af spindedyse. Anvende højspænding kan også forårsage buckling, ved at producere en overdreven acceleration mod collector og en straight flyvebane af fiber. Uønsket udfældning af loops er observeret i denne sag.

Midler til at re-regulering processen er fastsat i protokollen og vist i tabel 4.

Fra perspektivet af stillads gennemførelse findes flere fordele ved brug af PCL og MEW, som biokompatibilitet, reproducerbarhed gennem direkte skrivning eller foruddesignede tilpasning af de resulterende arkitekturer. MEW kan udføres på nogen konventionel laboratoriebænk, da det bruger opløsningsmiddelfri polymer smelter, derfor det ikke kræver dyrt fume emhætter eller udtømmende genanvendelse af reststoffer29. Der er ingen lugt, når du indtaster et rum, der indeholder MEW enheder.

Derudover en opnåelige høj overflade til volumen-forholdet i en porøs stillads er af stor fordel og gør MEW stilladser velegnet til biologiske ansøgninger30.

I forhold til kendte 3D udskrivning teknologier, såsom smeltet Deposition modellering31, har MEW begrænsninger i printbare højder af bestilte strukturer.Grunden er set i den iboende processen med at ansøge elektrostatiske kræfter, som fælder mobile opkræve luftfartsselskaber inden for de deponerede fibre. Når højden af stilladser overstiger ca 4 mm, er det rapporteret, at summen af den overskydende afgift akkumuleret inden for stillads handlinger frastødende for kommende fibre32. Senere, i de fleste tilfælde, er de resulterende øverste lag væsentligt fordrejet.

En anden forskel i forhold til konventionelle 3D printteknologier ligger i det faktum, at aflejring af materiale under processen ikke kan afbrydes og udelukkende stoppe alle systemparametre til sidst holder materiale ekstrudering. Dette repræsenterer en designbegrænsning og skal betragtes under programmering af G-Code. Mens jet indledningen kan være udført mekanisk33, G-Code programmering behov overveje en kontinuerlig direkte-skrivning.

Effektivitetsforøgelse overførselshastighed og processen af MEW også er fortsat en udfordring og udgør den væsentligste årsag i vores opfattelse og andres af hvorfor denne teknologi ikke været op-skaleret til industrielle niveau endnu34. Første er MEW proces i sagens natur lav i overførselshastighed på grund af den lave flowhastigheder og begrænset kollektion hastigheder. Begge aspekter er imidlertid afgørende for at sikre kontrolleret aflejring af jet og reproducerbarhed i trykningen. Faktisk, maksimal indsamling hastigheden under trykningen er begrænset til de fysiske grænser af det materiale, der anvendes, dvs for høje hastigheder ville medføre brud af jet, når træk styrker muligt eksponeringsgrænser. En anden strategi til at opskalere bygger på ved hjælp af multi-ekstrudering MEW enheder, dvs. maskiner med flere print hoveder i tæt afstand til hinanden; men disse flere hoveder ville forårsage interferens mellem det elektriske felt af hver hoved, og efterfølgende fordrejer den endelige fiber deposition35. Needleless smelte electrospinning hoveder har genereret et betydeligt antal elektrificeret jets36, selvom kontrollere den nøjagtige placering af den direkte skrevet fibre kan være vanskeligt at opnå. Fremtidige udvikling i retning af øget effektivitet af MEW, dog ville ikke kun gavne det biomedicinske samfund, men også industrier filtrering, tekstil eller ansøgninger om energi2.

Selv om denne tutorial giver retningslinjer for at fremstille tilpassede stilladser under de foreslåede parameterindstillingerne, skal det bemærkes, at mindre afhængigheder af miljøforhold, såsom temperatur eller luftfugtighed findes og kan føre til utilsigtede afvigelser37. Resultaterne præsenteres i dette selvstudium er baseret på know-how akkumuleret i gruppen Hutmacher, udført i stabil miljømæssige forhold inden for kontrolleret laboratorium rum.

PCL er den mest fremtrædende kandidat til MEW. Fra et teknisk perspektiv, dens lavt smeltepunkt (60 ° C) er gavnligt, da dette ikke kræver udfordrende gennemførelsen af høj temperatur ovne (> > 100 ° C) i tæt afstand til højspænding kilder. På et materiale engineering niveau, PCL er semi-ledende og giver stærk makromolekylære samhørighed både som en væske og en solid. Trods stærke mekaniske stretching, tyktflydende materialet obligationer til en vis grad, hvilket resulterer i fremtrædende fiber tyndere når stigende collector hastighed eller anvendt spænding. Konventionelle smelte electrospinning uden at flytte samlere er blevet rapporteret med forskellige polymerer, såsom polypropylen, polyethylen eller nylon9. Anvendelse af direkte skrivning principper dog er overvejende blevet rapporteret med PCL og nogle PCL blandinger med tilsætningsstoffer til yderligere sænke sine viskositet38, selvom der er undtagelser39,40. I fremtiden, men forudser vi en bredere vifte af materialer behandles af MEW. Igen, vil dette indebære, opgradering af hardwarekomponenter til denne teknologi, som for eksempel behandling polypropylen (smeltepunkt ved 160 ° C) ændrer de nuværende tekniske forskrifter af hardwaren i MEW enheder.

En stigende interesse i biokompatible polymere stilladser med meget præcise og kontrollerbar arkitekturer findes; MEW, til dato, repræsenterer den eneste teknologi, som i forhold til andre biomanufacturing teknikker, er i stand til at opdigte bestilt arkitekturer i området lavere micron (med undtagelser i den sub micron vifte41). Inden for de sidste år dette føre til en eksponentielt voksende mængde af patenter og publikationer30. Derfor, at løse tekniske kompleksitet gennem gennemførelsen af optimeret hardware og etablering af processtyring af MEW er af stor betydning. Dette vil lette produktionen af stilladser med skræddersyede arkitekturer for en bred vifte af applikationer i fremtiden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Dette arbejde er blevet økonomisk støttet af Cooperative Research Center CRC for celle terapi fremstilling, den australske Rådet ARC Forskningscenter i tilsætningsstof Biomanufacturing og Institute for Advanced Study af det tekniske universitet i München. Denne forskning blev foretaget af den australske forskning Rådet industrielle Transformation Training Centre i tilsætningsstof Biomanufacturing http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026). Besøg webstedet for artikler, bøger, tv eller radio programmer, elektroniske medier eller andre litterære værker relateret til projektet. Yderligere, forfatterne taknemmeligt anerkender Maria Flandes Iparraguirre til støtte i optagelserne, Philip Hubbard for voice over og Luise Grossmann til at filme og redigere.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Bioteknologi spørgsmålet 130 smelte electrospinning skrivning tilsætningsstof fremstillingsindustrien: bio-produktion direkte skrivning: vævsmanipulering & regenerativ medicin poly(ε-caprolactone) produktudvikling medicinsk produktudvikling 3D udskrivning
Smelte Electrospinning skrivning af tre-dimensionelle Poly(ε-caprolactone) stilladser med kontrollerbare morfologier for Tissue Engineering applikationer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wunner, F. M., Bas, O., Saidy, N.More

Wunner, F. M., Bas, O., Saidy, N. T., Dalton, P. D., Pardo, E. M. D. J., Hutmacher, D. W. Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(ε-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications. J. Vis. Exp. (130), e56289, doi:10.3791/56289 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter