Summary
Dit protocol fungeert als een uitgebreide richtsnoer te fabriceren steigers via electrospinning met polymeer in een directe schrijven-modus smelt. Wij systematisch overzicht van het proces en de juiste parameterinstellingen definiëren voor het bereiken van gerichte steiger platforms.
Abstract
Deze tutorial reflecteert over de fundamentele beginselen en richtsnoeren voor electrospinning schrijven met polymeer smelt, een additieve productie-technologie met een groot potentieel voor biomedische toepassingen. De techniek vergemakkelijkt de directe afzetting van biocompatibel polymeer vezels te fabriceren van welgeordende steigers in de sub micron op micro schaal bereik. De oprichting van een stabiele, Visco, polymeer jet tussen een spinneret en een verzamelaar wordt gerealiseerd via een toegepaste spanning en kan direct-geschreven. Een significant voordeel van een typische poreuze steiger is een hoge verhouding van oppervlakte-naar-volume dat verhoogde effectieve hechting sites voorziet in cel gehechtheid en groei. Beheersing van het drukproces door "fine-tuning"-de systeemparameters kunt hoge reproduceerbaarheid in de kwaliteit van de afgedrukte steigers. Het biedt ook een flexibele productie platform voor gebruikers op maat van de morfologische structuur van de steigers aan hun specifieke behoeften. Voor dit doel presenteren wij een protocol om te verkrijgen van verschillende vezels diameters smelt electrospinning schrijven (MEW) gebruiken met een begeleide wijziging van de parameters, met inbegrip van flow rate, spanning en collectie snelheid. Bovendien laten we zien hoe optimaliseren van de jet, vaak ervaren technische problemen bespreken, technieken voor probleemoplossing uitleggen en demonstreren van een breed scala van afdrukbare steiger architecturen.
Introduction
De vervaardiging van driedimensionale (3D) biocompatibel structuren voor cellen is één van de belangrijkste bijdragen van additieve biomanufacturing aan weefsel engineering (TE), gericht op het herstellen van weefsels door toepassing van aangepaste biomaterialen, cellen, biochemische factoren, of een combinatie daarvan. Dus, de belangrijkste vereisten van steigers voor toepassingen TE omvatten: produceerbaarheid uit biocompatibel materiaal, beheersbare morfologische eigenschappen voor gerichte cel invasie en geoptimaliseerde oppervlakte-eigenschappen voor verbeterde cel interactie 1.
MEW is een oplosmiddelvrije productietechniek die de beginselen van additive manufacturing (vaak genoemd 3D printen) en electrospinning voor de productie van polymere mazen met zeer geordende uiterst dunne vezel morphologies2 combineert. Het is een directe benadering en nauwkeurig deposito's vezels volgens voorgeprogrammeerde codes3, hierna aangeduid als G-Codes. Smelt electrospun constructies momenteel zijn voorbereid met een platte4,-5 of een as6,7 verzamelaar te fabriceren poreuze plat en tubulaire steigers, respectievelijk.
Deze techniek biedt aanzienlijke voordelen voor de TE en de regeneratieve geneeskunde (RM) Gemeenschap te wijten aan de mogelijkheid om direct afdrukken van medisch-rang polymeren, zoals poly(ε-caprolactone) (PCL), waarin de uitstekende biocompatibiliteit8. Andere voordelen zijn de mogelijkheid voor het aanpassen van de grootte en de verdeling van de porositeit, door het storten van de vezels in een zeer georganiseerde wijze te fabriceren steigers van hoge oppervlakte-naar-volume verhoudingen. Voordat MEW kan worden uitgevoerd, vereist het polymeer eerste de toepassing van warmte9. Eenmaal in een vloeibare staat, een toegepaste luchtdruk dwingt doorheen kan stromen uit een metalen spinneret die is verbonden met een hoge spanningsbron. Het evenwicht van de kracht tussen de oppervlaktespanning en de aantrekkingskracht van de elektrostatisch geladen druppels aan de grond gezete verzamelaar leidt tot de vorming van een kegel van de Taylor gevolgd door het uitwerpen van een jet-10.
Beelden en een schematische tekening van de in-house build MEW apparaat dat wordt gebruikt voor dit protocol zijn afgebeeld in Figuur 1. Het toont bovendien aan de beginselen van het gebruik van isolerend tape om te voorkomen dat elektrische ontlading tussen de verwarmingselementen en het deel van de elektrisch geladen messing rond de spinneret. Onvoldoende isolatie zou leiden tot interne schade van de uitgevoerde hardware.
Afhankelijk van de aanpassing van de drie systeemparameters (temperatuur, snelheid en de bandenspanning van de collectie), MEW in staat stelt de fabricage van vezels met verschillende diameters, uitgelegd in de sectie discussie. In de meeste gevallen echter "fine-tuning"- en optimalisatie van de jet zullen vereist voordat een stabiele jet uitgeworpen. De visualisatie van de geëlektrificeerde reizende jet is een effectieve manier om te controleren of de samenhang en homogeniteit van het proces. In een ideaal geval, lijkt de vliegbaan op een bovenleiding curve verkregen als gevolg van een balans van de werking gecontroleerd door het systeem parameters11. Verder, de micro - en macro-structuur van de steigers is afhankelijk van de vliegroute van het polymeer jet12. Een gedetailleerd overzicht van de afbuiging van de verschillende gedragingen en maatregelen voor optimalisatie wordt gegeven in de sectie discussie.
In de huidige studie presenteren wij een protocol waarin de stappen van de fabricage bestemd voor de vervaardiging van sterk gecontroleerde vezelig steigers met behulp van MEW-technologie worden beschreven. In dit werk, medische kwaliteit PCL (moleculair gewicht 95-140 kg/mol) werd gebruikt, als deze medische kwaliteit PCL zuiverheid in technische kwaliteit is verbeterd, en de eigenschappen van de mechanische en verwerking uitstekend geschikt voor MEW zijn. Brede smelt verwerking bereik van PCL is afkomstig van haar lage smeltpunt (60 ° C) en hoge thermische stabiliteit. Bovendien, PCL is een slow-tarief biologisch afbreekbaar polymeer, waardoor het een uitstekend materiaal voor vele weefsel engineering toepassingen13.
Voor deze studie, de temperatuur en verzamelaar afstand blijft constant (65 ° C en 82 ° C voor de spuit en de spinneret temperaturen (respectievelijk) en 12 mm voor de verzamelaar afstand); toegepaste spanning, verzamelaar snelheid en de bandenspanning, zal echter worden gevarieerd om vezels met gerichte diameters. Een gedetailleerde lijst van gepubliceerde studies met behulp van MEW steigers vindt u in het gedeelte ' resultaten ' en toont de verschillende toepassingen voor de velden van TE en RM (tabel 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. materiële voorbereiding
- Vul 2 g van PCL in een plastic 3 mL-spuit met een trechter en invoegen van een zuiger in het open uiteinde.
- Plaats de spuit in een voorverwarmde oven van 65 ° C gedurende 8 h. punt het puntje naar boven zodat de luchtbellen aan statistische dicht bij de opening.
- Duw de zuiger met een dunne object om de opgesloten lucht in de gesmolten materiaal vrij te geven.
- Laat het afkoelen tot kamertemperatuur, die wordt bereikt wanneer het polymeer niet transparant meer na 10 minuten is.
- De PCL-voorgeladen spuit bij kamertemperatuur worden opgeslagen in een droge en donkere omgeving totdat het wordt gebruikt.
2. hardware- en Software-instellingen
- Een platte omver te werpen naald 23G (spinneret) sluit aan op de spuit en een vat adapter aan de andere kant de spuit verbinden met de lucht druk systeem.
- Plaats de injectiespuit in de printerkop en ingedrukt totdat de spinneret tip 1 mm uit het messing deel aan de onderzijde van het hoofd opvalt.
- Monteren van een verzamelaar in het werkgebied en reinig de oppervlakte evenals de printerkop met 70% (vol/vol) ethanol om stof of residuele polymeer te verwijderen.
- Stel de afstand door een object 12 mm hoog tussen de spinneret en de verzamelaar en de printerkop verlagen totdat de spinneret tip alleen het raakt.
- Pas de regelgevers van de temperatuur op de elektrakast tot 82 ° C en 65 ° C voor de spinneret regio en de spuit, respectievelijk en macht hen op smelt de PCL.
- Ten minste 10 min. wachten totdat het polymeer gesmolten is en de luchtdruk te starten door de toezichthouder op 1,8 bar.
- De G-Code om te bepalen van de grootte en vorm, Inter gloeidraad afstand en het aantal lagen van de steiger en de snelheid van de collectie van het proces voor te bereiden.
Opmerking: Een gedetailleerde sjabloon voor het fabriceren van plat en tubulaire steigers worden verstrekt in het hoofdstuk van de discussie (tabel 2). - Controleer of handmatig dat alle grond kabels stevig zijn aangesloten op de behuizing en de stekker.
- Start de software (zoalsMACH 3) op de computer en upload de bereid G-code.
3. steiger fabricage
- Sluit de voordeur van de behuizing, die de veiligheid van de vergrendeling verbindt en activeert de hoge voedingsspanning tot de spinneret.
Opmerking: Zodra de deur wordt geopend, bijvoorbeeld wanneer een afdruk is voltooid of in noodgevallen, daalt de hoogspanning en de steiger kunnen worden verwijderd veilig. - Verhoog de hoogspanning geleidelijk in 0.2 kV stappen totdat een kegel Taylor wordt gevormd en een vezel wordt uitgeworpen naar de collector (Zie voorbeeldige Taylor kegel in Figuur 1 d).
- Laat de polymeer smelt te worden geëxtrudeerd op de plaat nog verzamelaar te stabiliseren van de jet zonder beweging gedurende 5 minuten. De stapel van materiaal verwijderen voordat je begint met een nieuwe afdruk.
- Gebruik de cursors op het toetsenbord te verplaatsen van de printerkop boven het punt waar de G-codes zullen beginnen.
- De G-Code vanuit de software op de computer.
4. fiber Diameter aanpassing
- Houd de afstand (12 mm) en de temperatuurregelaars (82 ° C en 65 ° C gedurende de spinneret regio en de spuit, respectievelijk) op een constant niveau, zoals beschreven in stappen 2.4 en 2.5.
Opmerking: Een samenvatting van de aanpassing van verschillende diameters is gegeven in tabel 3. - Afdrukken van vezels met kleine formaat diameters (3-10 µm). Verminderen de lucht druk naar 0.8 bar, aanpassen van de toegepaste spanning tot en met 8 kV en reeks de verzamelaar snelheid tot 1700 mm/min.
- Print vezels met medium formaat diameters (10-20 µm). Aanpassen van de luchtdruk op 1.5 bar, ingestelde spanning tot en met 11 kV en lager de collectie snelheid tot 1200 mm/min.
- Afdrukken van vezels met een grote diameter (20-30 µm). De lucht druk verhogen naar 2.6 bar, veranderen de toegepaste spanning tot en met 12 kV en daling van de collectie sneller aan 700 mm/min.
5. jet optimalisatie
- Verlicht de jet met een sterke LED licht van buiten de behuizing voor betere zichtbaarheid.
- Observeren van het gedrag van de vezel gedurende 1 minuut en aanpassen van de systeemparameters voor het optimaliseren van het proces in kleine stappen, d.w.z. 0.1 kV voor toegepaste spanning, 100 mm/min voor collectie snelheid en 0,1 bar voor luchtdruk.
Opmerking: Een samenvatting is gegeven in tabel 4. - Stabiliseren periodiek afbuigspiegel gedrag door daalt de luchtdruk, het verhogen van de snelheid en het minimaliseren van de spanning tot het pad van de vlucht van de vezel op een stabiele bovenleiding curve gedurende meer dan 3 minuten lijkt.
- Corrigeer de vliegroute van een achterblijvende achter jet door de verhoging van de spanning, het terugdringen van de luchtdruk en het verminderen van de snelheid van de verzamelaar. Deze maatregelen worden toegepast totdat de vliegroute van de vezel naar de vorm van een bovenleiding curve terugverplaatst.
- Vermijd vezels reizen verticaal naar de collector door de toegepaste spanning afneemt, het verhogen van de snelheid van de verzamelaar en het vergroten van de luchtdruk totdat het pad van de vlucht van de jet de vorm van een bovenleiding curve weer behoudt.
6. steiger collectie
- Open de deur als het afdrukken is voltooid en gebruik de cursor om het verplaatsen van de verzamelaar plaat naar de deur voor betere toegankelijkheid.
- Spray het schavot met ethanol 70% (vol/vol) mix en wacht 10 seconden totdat het zichtbaar losgekoppeld van de verzamelaar.
- Het verzamelen van de afgewerkte steiger door grijpen een van de randen met pincet en tillen uit de behuizing.
7. problemen oplossen
- De toegepaste spanning te verminderen of de deur onmiddellijk open als er een vonk tussen de spinneret zichtbaar of een krakend geluid hoorbaar.
- Verwijder alle gevaarlijke materialen en vloeistoffen zoals ethanol 70% (vol/vol) vanaf de binnenkant van de behuizing, zoals een brand in het geval van de potentiële vonken kan ontbranden.
- Programma van de G-Code dienovereenkomstig dat de spinneret beweegt uit de buurt van het gebied waar de steiger wordt afgedrukt nadat alle lagen klaar bent. Dit vermijdt materiële accumulatie boven het punt waar de spinneret eindelijk stopt.
- Controleer de spinneret onder een vergrootglas en dat er geen schade aan de spinneret is, zoals dit aanzienlijk invloed op de homogeniteit van de kegel van Taylor uitoefenen zal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Twee verschillende methoden van de collectie worden vaak gebruikt in MEW, die zijn flat collectie en as collectie. De resulterende platforms, is afhankelijk van de programmering van de G-Code (tabel 2), die door de software wordt uitgevoerd.
Platte collectie
Toepassing van platte verzamelaars verwijst naar de meest voorkomende methode en vergemakkelijkt de directe afzetting van materiaal verwijst naar de voorgeprogrammeerde G-code. 0/90 en 0/60 structuren van verschillende grootte zijn wijd gemeld in de literatuur. Bovendien, de mogelijkheid om rechtstreeks storten gesmolten vezels op de verzamelaar ook vergemakkelijkt de productie van willekeurig nog structuren georganiseerd wanneer een patroon vlakke collector wordt gebruikt in plaats van een vloeiende één14.
Buisvormige
Er is een grote vraag voor de vervaardiging van steigers met buisvormige architecturen voor toepassingen TE. MEW is een effectieve methode om de tubulaire steigers met aangepaste porositeit door gebruik te maken van cilindrische verzamelaars. Deze draaien langs hun eigen as, terwijl u vertaalt langs de as van de as. Door middel van fine tuning van de G-Code, de roterende evenals de translationeel snelheid wordt bepaald en de oriëntatie van de vezels kan worden aangepast. Hogere toerentallen dan translationeel snelheden tot radiaal leiden georiënteerde poriën en vice versa. Het totale aantal lagen, de distributie en de morfologie van de porositeit configureert de mechanische eigenschappen van de steiger. De binnendiameter van de tubulaire steiger wordt bepaald door de externe diameter van de geïmplementeerde as.
Figuur 1 : MEW setup. (A) met inbegrip van een PC, de afdrukken eenheid en de elektrische schakelkast (B) het hoofd en de verzamelaar (C) de vezel in een perfect uitgebalanceerde vlucht fase en (D) een schematische afbeelding van een kegel van Taylor. (E) ziet u een schematische voorstelling van een printer en vindt u de vijf meest heersende systeemparameters, met inbegrip van "toegepaste spanning" (hoge spanning Generator), "temperatuur" (temperatuur Controller), "luchtdruk" (drukregelaar), "afstand" () aanpassing via in-house ontworpen roerende z-as) en "verzameling snelheid" (X en Y positionering van dia's). (F) toont het ontwerp van het isolatiesysteem binnen de printkop via een hittebestendig polyamide-tape. Dit voorkomt vonken tussen het "verwarmingselement 1" en het geladen "messing deel". Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2 : Verschillende steigers vervaardigd met een vlakke collector (A), 0/90 lattice (B) en het dezelfde lattice in grotere resolutie (C). (D) toont de structuur van een 0/60 en (E) een willekeurig gecontroleerde structuur.Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3 : Presentatie van verschillende tubulaire steigers en één respectieve representatieve afbeelding van scanning elektronen microscopie (SEM). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
| Dermale fibroblast infiltratie van poly(ε-caprolactone) steigers vervaardigd door smelten electrospinning in een directe modus (Farrugia et al., 2013)4 || FLAT |
| Dermale fibroblast ontpit PCL MEW steigers worden geëvalueerd voor de cel infiltratie. |
| Een gehumaniseerd xenograft weefsel-engineered model van menselijke borst kanker uitzaaiingen tot bot (Thibaudeau et al., 2014)15 || BUISVORMIGE |
| Buisvormige MEW steigers worden gebruikt voor het maken van een levensvatbare ectopische 'orgaan' bone in een muismodel om te bestuderen van de menselijke borst kanker uitzaaiingen naar het bot. |
| Soortspecifieke homing mechanismen van metastase van menselijke prostaat kanker in weefsel ontworpen bot (Holzapfel et al., 2014)16 || BUISVORMIGE |
| MEW steigers worden gebruikt voor het maken van een bone weefsel ontworpen voor prostaatkanker onderzoek. |
| Verbetering van de structurele integriteit van hydrogels met behulp van zeer georganiseerd smelten electrospun fibre constructies (Bas et al., 2015)17 || FLAT |
| MEW steigers met kruisbare lay-down en poresizes worden gebruikt ter verbetering van de mechanische functionaliteit van zachte hydrogels. |
| Versterking van de hydrogels met behulp van ruimtelijk gedrukte bandstoffering (Visser et al., 2015)18 || FLAT |
| Zachte gelatine gebaseerde hydrogels zijn versterkt met MEW PCL-steigers. |
| Electrospinning op cilinders smelten: effecten van rotatie snelheid en verzamelaar diameter op de morfologie van buisvormige structuren (Jungst et al., 2015)6 || BUISVORMIGE |
| De invloed van de translationeel en roterende snelheden op de definitieve morfologie van buisvormige MEW steigers worden systematisch onderzocht. |
| Hiërarchisch gestructureerd poreuze poly(2-oxazoline) hydrogels (Haigh et al., 2016)19 || FLAT |
| MEW steigers worden gebruikt als een offer sjabloon maken een hiërarchische 3D porositeit netwerk binnen een hydrogel. |
| A gevalideerd preklinische diermodel voor primaire bot tumor onderzoek (Wagner et al., 2016)20 || BUISVORMIGE |
| MEW steigers worden gebruikt voor het maken van gehumaniseerd weefsel ontworpen constructies voor preklinische onderzoek op primaire bottumoren. |
| Beenvlies weefselengineering in een orthotopic in vivo platform (Baldwin et al., 2017) 21 || BUISVORMIGE |
| Een steiger van de USS bestaande uit een MEW gaas en een hydrogel is ontwikkeld voor beenvlies weefsel regeneratie toepassingen. |
| Dimensionale metrologie van cel-matrix interacties in 3D microscale vezelig substraten (Tourlomousis en Chang. 2017)22 || FLAT |
| Cel-matrix interacties worden onderzocht op MEW steigers met verschillende architecturen. |
| Endosteale-achtige extracellulaire matrix expressie op smelt electrospun geschreven steiger (Muerza-Cascante et al., 2017)23 || FLAT |
| MEW PCL steigers worden gebruikt voor het ontwikkelen van een endosteale bot-achtig weefsel dat de groei van de primaire mens hematopoïetische stamcellen bevordert. |
| 3D roosters afgedrukt als een activering en uitbreiding platform voor T-celtherapie (Delalat et al., 2017)24 || FLAT |
| Steigers met verschillende vezel afstand (200 µm, 500 µm en 1000 µm) zijn oppervlakte Gefunctionaliseerde en bezaaid met T-cellen voor uitbreiding. |
| Biofabricated zachte netwerk composieten voor kraakbeen weefsel engineering (Bas et al., 2017)25 || FLAT |
| Biomimetische zacht netwerk composieten bestaande uit een matrix hydrogel en versterking van MEW mazen ontworpen voor articulair kraakbeen reparatie worden gemeld. |
| Via precieze interface engineering naar bioinspired composieten met verbeterde 3D printen verwerkbaarheid en mechanische eigenschappen (Hansske et al., 2017)26 || FLAT |
| Magnesium fluoride nanoparticle versterkt PCL steigers vervaardigd door middel van MEW zijn ontworpen en ontwikkeld voor botweefsel technische toepassingen. |
Tabel 1: verwijzingen naar een overzicht van studies, in welke MEW steigers werden gefabriceerd en gebruikt voor biologische toepassingen. De lijst bevat de resultaten van uitgevoerde platte evenals buisvormige steigers.
Tabel 2: uitleg van een G-Code voor vlakke en tubulaire steigers, met behulp van een tekstbestand (.txt) worden geüpload in de software programmeren. Klik hier voor een grotere versie van deze tabel.
Tabel 3: representatieve waarden van de parameters lucht druk, spanning en collectie snelheid (temperatuur en collectie afstand constante) tot drie verschillende diameter bereiken (klein, middelgroot en groot). De rode pijlen voorstellen exacte waarden binnen de respectieve categorieën te bereiken de diameters van de vezel.Klik hier voor een grotere versie van deze tabel.
Tabel 4: Schematische illustratie van de verschillende gevallen en echte beelden van mogelijke vezel depositie op MEW, alsmede de middelen te optimaliseren. Klik hier voor een grotere versie van deze tabel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
AM te integreren om het vinden van innovatieve oplossingen voor de uitdagingen in de medische sector, presenteert een nieuw paradigma voor de 21st -eeuw. Het zogenaamde gebied van "Bio-fabricage" is in opkomst en innovaties in fabricage technologieën de productie van zeer geavanceerde platforms voor TE toepassingen mogelijk. De electrospinning van polymeer smelt in een directe modus (hier MEW) wordt gezien als één van de meest veelbelovende kandidaten van de productie te voldoen aan de behoeften van de Gemeenschap TE waar bestelde structuren van biocompatibel materiaal in de micron op nanoschaal zijn vereiste27.
Deze tutorial is gericht op het genereren van fundamentele kennis van de activiteiten van MEW door uit te leggen van de fysische principes en actie stappen voor de vervaardiging van reproduceerbare steigers met behulp van deze technologie demonstreren.
Aangezien de algemene beginselen van MEW vergelijkbaar met die van conventionele additieve fabricagetechnologieën, dat wil zeggen een gerichte afzetting van geëxtrudeerde materiaal op de wijze van een laag voor laag zijn, is het cruciaal om te bepalen van de relatieve beweging tussen het hoofd en de verzamelaar. Uit onze ervaring adviseren wij werken met MEW-apparaten die houden van een vaste kop, terwijl de respectieve beweging van de verzamelaar door de stadia (X en Y geschiedt). Een gefixeerd hoofd blijft in een stabiele positie en genereert geen kinematische krachten, die zou optreden op de kegel Taylor en leiden tot verstoringen tijdens haar oprichting. Bovendien, de bedrading is gekoppeld van hoogspanning en kachels is niet onderworpen aan duurzame herhaalde beweging. De verzamelaar beweging wordt gedefinieerd door de G-Code, die moet worden geüpload in de software. Deze code, ook bekend als RS-274, wordt het veel gebruikt op het gebied van computer-aided manufacturing waarmee het traject voor tools. Voor MEW toepassingen met platte collectoren, de G-Code-bestand bepaalt de beweging en snelheid in X en Y-richting; voor cilindrische verzamelaars of as-toepassingen, het G-Code-bestand definieert translationeel (X-richting) zowel de roterende snelheden. Tabel 2 wordt de programmering van een G-code meer in detail uitgelegd.
Vergeleken met andere additieve fabricagetechnologieën, maakt MEW de fabricage van vezels met verschillende diameters door de aanpassing van de parameters systeemtemperatuur, de collectie snelheid en de toegepaste spanning, zoals beschreven in het protocol.
Met het oog op een kleine vezels (3-10 µm), is het raadzaam u met lage druk, gematigde spanningen en hoge collectie snelheden. In het algemeen, verlaagde druk leidt tot minder geëxtrudeerde massa. Dit gaat gepaard met een overeenkomstige daling in de oppervlakte van de straal. Vandaar, kleinere elektrostatische krachten zijn vereist voor het versnellen van de massa van de vezel naar de collector, dwz lagere spanning moet worden toegepast. Bovendien leiden vergelijkbare hogere snelheden van de collectie aan verbeterde zich het uitrekken van de vezel, waardoor een extra vermindering van de definitieve vezel diameter.
Verhoging van de druk meer stroom van het gesmolten polymeer induceert en dus leidt tot grotere diameters van de vezel (10-20 µm). In dit geval is grotere elektrostatische kracht vereist om te compenseren voor het uitgebreide polymeer oppervlak (dikker vezels). Met het oog op een stabiele polymeer jet stream, spanning moet worden gewijzigd en de snelheid van de collectie moet worden verlaagd.
Grote vezel diameters (20-30 µm) vereist versterkte polymeer extrusie, dat wil zeggen hogere luchtdruk. Dit lokt relatief dikker vezels en worden toegepast in combinatie met hogere spanning leveren voldoende elektrostatische kracht op de vezel wordt gesuggereerd. Bovendien veroorzaken verminderde verzamelen snelheden minder vezels die zich uitstrekt. Een samenvatting is gegeven in tabel 3.
Alle drie gevallen die hierboven vermeld, echter nog steeds nodig "fine-tuning" en optimalisatie te handhaven van een stabiel bovenleiding curve vezel gevormd na verloop van tijd, uitgelegd in het protocol. In MEW, alleen een perfect uitgebalanceerd evenwicht tussen de krachten bepalen de stroom van het polymeer massa en de krachten die het aantrekken van de jet naar de verzamelaar zal uiteindelijk leiden tot het bereiken van overeenstemming steiger morphologies 12,28 . Vandaar, weerspiegelen de verschillen van het traject van de jet sterke afwijkingen van de diameter van de vezel of onjuiste depositie. Onze ervaring, kunnen drie verschillende variaties in het gedrag worden verkregen.
Ten eerste, een vezel kan pulse, een verschijnselen aanvankelijk gemeld door de Dalton groep12. Een onevenwichtige verdeling tussen uitgebracht massa en respectieve slepen-krachten op de resultaten van de vezels in een voortdurend overgevoerd Taylor kegel, die regelmatig geaccumuleerde polymeer. Dit veroorzaakt aanzienlijke variabiliteit in de hoeken van het traject en de resultaten in verschillende diameters.
Ten tweede, een achterblijvende geëlektrificeerde jet treedt op wanneer de snelheid van de collector hoger dan de snelheid van de extrusie van de straal is. De definitieve afzetting van de jet gebeurt ver weg van de verticale richting van de spinneret, waardoor een achterblijvende jet stream. De vliegroute lijkt op een overemphasized kromming, die ook de afmetingen van een afgedrukte steiger minimaliseert.
Ten derde, een buckling geëlektrificeerde jet wordt veroorzaakt door de loodrecht impact van de straal op de verzamelaar en manifesten, wanneer de verzamelaar-snelheid is ingesteld trager dan de snelheid waarmee de jet uit de spinneret stroomt. Toepassing van hoge spanningen kan ook leiden tot knik, door het produceren van een buitensporige versnelling naar de collector en een rechte vliegroute van de vezel. Ongewenste afzetting van lussen is in dit geval in acht genomen.
Middel om opnieuw stabiliseren van het proces zijn waarin het protocol en weergegeven in tabel 4.
Vanuit het perspectief van de steiger uitvoering bestaan meerdere voordelen bij het gebruik van PCL- en MEW, zoals biocompatibiliteit, reproduceerbaarheid via directe schrijven, of vooraf ontworpen aanpassing van de resulterende architecturen. MEW kan worden uitgevoerd op elke conventionele laboratorium Bank, omdat het gebruik maakt van oplosmiddelvrije polymeer smelt, dus het vereist geen dure fume hoods of volledig hergebruik van reststoffen29. Er is geen geur bij het invoeren van een kamer met MEW apparaten.
Bovendien, een haalbare hoge oppervlakte volumeverhouding binnen een poreuze steiger is van groot voordeel en maakt MEW steigers geschikt voor biologische toepassingen30.
In vergelijking met de bekende 3D printen technologieën, zoals Fused Deposition modellering31, heeft MEW beperkingen in afdrukbare hoogten van bestelde structuren.De reden is te zien in de inherente proces van het aanvragen van elektrostatische krachten, welke traps mobiele luchtvaartmaatschappijen binnen de gedeponeerde vezels rekenen. Zodra de hoogte van steigers groter is dan ongeveer 4 mm, is het gemeld dat de som van de overtollige lading binnen de steiger handelingen afstoten voor komende vezels32opgeteld. Later, in de meeste gevallen de resulterende toplagen worden sterk vervormd weergegeven.
Een ander verschil met conventionele 3D printing technologie ligt in het feit dat de afzetting van materiaal tijdens het proces niet kan worden onderbroken en materiële extrusie uitsluitend uiteindelijk stoppen alle systeemparameters houdt. Dit vertegenwoordigt een beperking van het ontwerp en bij het programmeren van de G-Code moet worden beschouwd. Terwijl de jet inleiding kan worden uitgevoerd mechanisch33, G-Code programmering moet overwegen een continue benadering van de direct-schrijven.
De doorvoer en proces efficiëntieverhoging van MEW ook blijft een uitdaging en vertegenwoordigt de hoofdreden in onze mening en anderen van waarom deze technologie niet up-geschaald naar industriële niveau nog34 heeft. Ten eerste, het proces van MEW is inherent lage doorvoer als gevolg van de lage stroomsnelheid en beperkte collectie snelheden. Beide aspecten zijn echter essentieel om ervoor te zorgen de gecontroleerde afzetting van de jet- en reproduceerbaarheid in de afdrukken. Inderdaad, de maximale collectie snelheid tijdens het drukproces is beperkt tot de fysieke grenzen van het materiaal gebruikt, d.w.z. ook hoge snelheden breuk van de jet zou veroorzaken wanneer de krachten slepen haalbaar grenzen overschrijden. Een andere strategie te upscale steunt over het gebruik van multi-diepte MEW apparaten, d.w.z. machines met meerdere afdrukken hoofden in nauwe afstand tot elkaar; echter zou deze multi hoofden veroorzaken interferentie tussen het elektrische veld voor elk hoofd, en vervolgens vervormen de definitieve vezel afzetting35. Naaldloze smelt electrospinning hoofden hebben gegenereerd een aanzienlijk aantal geëlektrificeerde jets36, hoewel de controle op de exacte plaatsing van de direct-geschreven vezels zou moeilijk te bereiken. Toekomstige ontwikkelingen aan het vergroten van de efficiëntie van MEW, echter, zou niet alleen profiteren de biomedische Gemeenschap, maar ook de industrieën van filtratie, textiel of toepassingen voor energie2.
Hoewel dit leerprogramma richtlijnen voor het fabriceren van aangepaste steigers onder de voorgestelde parameterinstellingen biedt, moet opgemerkt worden dat kleine afhankelijkheden op milieu-omstandigheden, zoals temperatuur of vochtigheid bestaan en zou kunnen tot onbedoelde leiden afwijkingen37. De resultaten gepresenteerd in deze tutorial zijn gebaseerd op de know-how opgebouwd bij de Hutmacher groep, uitgevoerd in stabiele milieuomstandigheden binnen de gecontroleerde laboratorium ruimten.
PCL is de meest prominente kandidaat voor MEW. Vanuit het oogpunt van engineering haar lage smeltpunt (60 ° C) is voordelig aangezien dit geen uitdagende deimplementatie van hoge temperatuur verwarmingssystemen vereist (> > 100 ° C) in nauwe afstand tot hoogspanning bronnen. Op een materiële engineering niveau, PCL is semi-geleidend en biedt sterke macromoleculaire cohesie als een vloeistof en een vaste stof. Ondanks de sterke mechanische uitrekken, het visceuze materiaal obligaties tot op zekere hoogte, die leidt tot prominente vezel uitdunnen wanneer verhoogt de snelheid van de verzamelaar of spanning toegepast. Conventionele smelt electrospinning zonder te verplaatsen van verzamelaars is gemeld met verschillende polymeren, zoals polypropyleen, polyethyleen of nylon9. De toepassing van de beginselen van directe schrijven echter, is overwegend gemeld met PCL en sommige PCL-blends met additieven verder verlaagt de viscositeit38, hoewel er uitzonderingen39,40. In de toekomst voorzien wij echter een bredere waaier van materialen verwerkt door MEW. Dit, beurtelings, zal impliceren dat het upgraden van hardwareonderdelen voor deze technologie, wat voorbeeld verwerking polypropyleen (smeltpunt bij 160 ° C) verandert de huidige technische vereisten voor de hardware van MEW apparaten.
Een groeiende belangstelling biocompatibel polymere steigers met zeer nauwkeurige en controleerbare platforms bestaat; MEW, tot op heden, vertegenwoordigt de enige technologie, die in vergelijking met andere technieken van biomanufacturing, geschikt is voor het fabriceren van platforms in de lagere range micron (met uitzonderingen in de sub micron bereik41) besteld. Binnen dit leiden tot een exponentieel groeiende aantal octrooien en publicaties30jaar. Daarom aanpak van technische complexiteit door uitvoering van geoptimaliseerde hardware en de oprichting van procesbeheer van MEW is van groot belang. Dit zal de productie van steigers met op maat gemaakte platforms voor een brede waaier van toepassingen in de toekomst vergemakkelijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk is financieel ondersteund door het Cooperative Research Centre CRC voor cel therapie Manufacturing, de Australische Raad ARC onderzoekscentrum in Biomanufacturing van het toevoegingsmiddel en het Institute for Advanced Study van de Technische Universiteit van München. Dit onderzoek werd uitgevoerd door het Australische onderzoek Raad industriële transformatie Training Centre in additief Biomanufacturing http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026). Bezoek de site voor artikelen, boeken, radio- of televisieprogramma's, elektronische media of elke andere literaire werken in verband met het Project. Verder, de auteurs nogmaals mijn dankbaarheid uitspreken Maria Flandes Iparraguirre voor ondersteuning bij filmen, Philip Hubbard voor de voice over en Luise Grossmann voor het filmen en bewerken.
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).
