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Bioengineering

Faire fondre électrofilage écrit d’échafaudages Poly(ε-caprolactone) en trois dimensions avec des Morphologies contrôlables pour les Applications de génie tissulaire

Published: December 23, 2017 doi: 10.3791/56289

Summary

Ce protocole sert de guide complet pour fabriquer par électrofilage avec polymère se fond dans un mode d’écriture directe. Systématiquement, nous décrire le processus et définir les paramètres appropriés pour la réalisation d’architectures ciblées échafaudage.

Abstract

Ce tutoriel se penche sur les principes fondamentaux et directives concernant électrofilage écrit avec polymère fait fondre, une technologie de fabrication additive avec un grand potentiel pour des applications biomédicales. La technique facilite le dépôt direct des fibres de polymère biocompatible pour fabriquer bien ordonnée dans le sub-micronique à échelle micro de mesure. La mise en place d’un stable, viscoélastique, jet de polymère entre une filière et un collectionneur est réalisé en utilisant une tension appliquée et peut être écrites directement. Un avantage significatif d’un échafaudage poreux typique est un rapport surface-volume élevé qui offre une adhérence efficace sites pour la croissance et la fixation des cellules. Contrôler le processus d’impression en affinant les paramètres système permet reproductibilité élevée dans la qualité des imprimés utilisés. Il fournit également une plate-forme de fabrication flexible pour les utilisateurs d’adapter les structures morphologiques des échafaudages à leurs exigences spécifiques. À cette fin, nous présentons un protocole afin d’obtenir des diamètres différents fibre aide fonte électrofilage écrit (MEW) avec une modification guidée des paramètres, y compris la vitesse des courants de taux, de tension et de collection. En outre, nous montrons comment optimiser le jet, discuter des défis techniques souvent expérimentés, expliquent les techniques de dépannage et mettre en valeur une large gamme d’architectures échafaudage imprimable.

Introduction

La fabrication de structures biocompatibles de tridimensionnelles (3D) pour les cellules est l’une des principales contributions de biofabrication additive au tissu ingénierie (TE), visant à restaurer les tissus en appliquant des biomatériaux personnalisés, cellules, facteurs biochimiques, ou une combinaison d'entre eux. Par conséquent, les conditions principales d’échafaudages pour les applications TE incluent : fabrication de matériaux biocompatibles, contrôlables propriétés morphologiques d’invasion des cellules ciblées et des propriétés de surface optimisées pour amélioré interaction cellule 1.

MEW est une technique de fabrication sans solvant qui allie les principes de fabrication additive (souvent appelée impression 3D) et électrofilage pour la production de polymères mailles très ordonnée fibres ultrafines morphologies2. C’est une approche de l’écriture directe et dépose avec précision les fibres selon codes préprogrammés3, dénommé G-Codes. Fonte électrofilées constructions sont actuellement préparés en utilisant un plat4,5 ou un collectionneur de7 6,mandrin pour fabriquer poreux plat et tubulaire, respectivement.

Cette technique offre des avantages significatifs à la TE et le milieu de la médecine régénératrice (RM) en raison de la possibilité d’imprimer directement des polymères de qualité médicale, tels que poly(ε-caprolactone) (PCL), qui présente l’excellente biocompatibilité8. Autres avantages sont la possibilité de personnaliser la taille et la distribution de la porosité, en déposant les fibres de manière très organisés pour fabriquer des ratios de surface-volume élevés. Avant que MEW peut être effectuée, le polymère exige tout d’abord l’application de chaleur9. Une fois à l’état liquide, une pression d’air appliquée force il s’écoule à travers une filière métallique qui est connectée à une source de haute tension. L’équilibre des forces entre la tension superficielle et l’attrait de la gouttelette chargée électrostatiquement au collecteur de terre conduit à la formation d’un cône de Taylor, suivie par l’éjection d’un jet de10.

Images et un schéma de l’appareil MEW build interne utilisé pour le présent protocole sont indiquées à la Figure 1. Par ailleurs, il montre les principes de l’utilisation de ruban isolant pour éviter une décharge électrique entre les éléments de chauffage et la partie laiton chargés électriquement, entourant la filière. Isolation insuffisante entraînerait des dommages internes du matériel mis en œuvre.

Selon le réglage des trois paramètres (température, pression air et vitesse de collecte), MEW permet la fabrication de fibres de différents diamètres, expliqués dans la section « discussion ». Dans la plupart des cas, toutefois, mise au point et optimisation du jet sera nécessaires avant un jet stable sera éjecté. La visualisation du jet itinérante électrifiée est un moyen efficace pour vérifier la cohérence et l’homogénéité du processus. Dans un cas idéal, la trajectoire de vol ressemble à une courbe caténaire acquise suite à un équilibre des forces contrôlé par les paramètres de système11. En outre, la micro - et macro-structure des échafaudages dépend de la trajectoire de vol du polymère jet12. Un tableau détaillé des comportements différents de déflexion et mesures d’optimisation est donné dans la section « discussion ».

Dans la présente étude, nous présentons un protocole décrivant les étapes de fabrication pour la fabrication d’échafaudages fibreux hautement contrôlés, en utilisant la technologie MEW. En cette année de travail, médicale PCL (poids moléculaire 95-140 kg/mol) a été utilisé, car cette catégorie médicale PCL s’est améliorée pureté qualité technique, et ses propriétés mécaniques et de traitement sont excellentes pour MEW. La fonte large gamme de PCL de traitement provient de son bas point de fusion (60 ° C) et haute stabilité thermique. En outre, le PCL est un polymère biodégradable taux lent, qui en fait un excellent matériau pour nombreux tissus, ingénierie des applications13.

Pour cette étude, la distance de la température et collectionneur va être maintenue constante (65 ° C et 82 ° C pour les températures de la seringue et de la filière (respectivement) et 12 mm pour la distance de collecteur) ; appliquer la tension, pression de vitesse et de l’air de collectionneur, cependant, variera pour fabriquer des fibres de diamètre ciblées. Une liste détaillée des études publiées à l’aide d’échafaudages MEW est fournie dans la section résultats et révèle les différentes applications pour les champs de TE et RM (tableau 1).

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Protocol

1. matérielle préparation

  1. Remplissez une seringue de 3 mL en plastique de 2 g de PCL avec un entonnoir et introduire un piston dans l’extrémité ouverte.
  2. Placer la seringue dans un four préchauffé à 65 ° C pendant 8 h. Point la pointe vers le haut permettre les bulles d’air au total près de l’ouverture.
  3. Poussez le piston avec un objet mince pour libérer l’air emprisonné dans la matière en fusion.
  4. Laissez-le refroidir à température ambiante, ce qui est possible lorsque le polymère n’est pas transparent plus après 10 minutes.
  5. Placez la seringue pré-chargés PCL à température ambiante dans un environnement sec et sombre jusqu'à ce qu’il est utilisé.

2. configuration matΘrielle et logiciel

  1. Attacher une aiguille à pointe plate 23G (filière) à la seringue et un adaptateur de baril à l’autre extrémité pour connecter la seringue pour le système de pression d’air.
  2. Placer la seringue dans la tête d’impression et l’enfoncer jusqu'à ce que la pointe de la filière se distingue 1 mm sur la partie en laiton sur le côté inférieur de la tête.
  3. Monter un collecteur sur la scène et nettoyer la surface ainsi que la tête d’impression avec l’éthanol à 70 % (vol/vol) pour retirer la poussière ou polymère résiduelle.
  4. Définissez la distance de travail en plaçant un objet élevé de 12 mm entre la filière et le collecteur et abaissez la tête d’impression jusqu'à ce que la pointe de la filière il effleure.
  5. Ajuster les régulateurs de température à la boîte électrique à 82 ° C et 65 ° C pour la région de la filière et la seringue, respectivement et leur puissance à faire fondre la PCL.
  6. Attendez au moins 10 min, jusqu'à ce que le polymère est fondu et initier la pression d’air de réglage du régulateur à 1,8 bar.
  7. Préparer le G-Code pour définir la taille et forme, distance inter-filament et le nombre de couches de l’échafaudage et la vitesse de la collection du processus.
    Remarque : Un modèle détaillé pour la fabrication d’échafaudages tubulaires et plats est fourni dans le chapitre de discussion (tableau 2).
  8. Vérifier manuellement que tous les câbles de terre sont est-il correctement connectés à l’enceinte et la prise murale.
  9. Lancez le logiciel (p. ex., MACH 3) sur l’ordinateur et télécharger le G-code prêt.

3. échafaudage fabrication

  1. Fermez la porte d’entrée de l’enceinte, qui relie le verrouillage de sécurité et déclenche l’alimentation haute tension pour la filière.
    NOTE : Une fois que la porte est ouverte, par exemple lorsqu’une impression est terminée ou en cas d’urgence, la haute tension chute et l’échafaudage peuvent être retirés en toute sécurité.
  2. Augmenter la tension élevée graduellement en 0,2 kV étapes jusqu'à ce que se forme un cône de Taylor et une fibre est éjectée vers le collecteur (voir exemplaire Taylor cône dans la Figure 1).
  3. Permettre le polymère fondu à extruder sur la plaque encore collector pour stabiliser le jet sans mouvement pendant 5 minutes. Retirez la pile de matériaux avant de commencer une nouvelle impression.
  4. Utilisez les curseurs du clavier pour déplacer la tête d’impression au-dessus du point où commencera les G-codes.
  5. Démarre le G-Code dans le logiciel sur l’ordinateur.

4. réglage de diamètre de fibre

  1. Garder la distance de travail (12 mm) et les régulateurs de température (82 ° C et 65 ° C pour la région de la filière et la seringue, respectivement) sur un niveau constant, comme décrit précédemment dans les étapes 2.4 et 2.5.
    Remarque : Un résumé des différents diamètres de réglage est donné dans le tableau 3.
  2. Imprimer des fibres de petit diamètre de taille (3 à 10 µm). Réduire le niveau de pression d’air à 0,8 bar, régler la tension appliquée à 8 kV et ensemble le collectionneur vitesse jusqu'à 1700 mm/min.
  3. Impression fibres de moyenne taille diamètre (10 à 20 µm). Ajuster la pression d’air niveau à 1,5 bar, tension à 11 kV et inférieure la collection vitesse à 1200 mm/min.
  4. Imprimer des fibres de grand diamètre (20 à 30 µm). Augmenter le niveau de pression d’air à 2,6 bar, modifier la tension appliquée à 12 kV et diminution de la collection vitesse à 700 mm/min.

5. jet optimisation

  1. Allume le jet avec une LED forte lumière provenant hors de l’enceinte pour une meilleure visibilité.
  2. Observer le comportement de la fibre pendant 1 minute et ajuster les paramètres du système pour optimiser le processus par petites étapes, c'est-à-dire 0,1 kV de tension appliquée, 100 mm/min pour une vitesse collection à 0,1 bar, pression d’air.
    NOTE : On trouvera un résumé dans le tableau 4.
  3. Stabiliser le déviant périodiquement comportement en diminuant la pression d’air, d’augmentant la vitesse et de minimiser la tension jusqu'à ce que la trajectoire de vol de la fibre ressemble à une courbe caténaire stable pendant plus de 3 minutes.
  4. Corriger la trajectoire de vol d’un jet de retard par augmentation de la tension, réduisant la pression de l’air et réduire la vitesse du collecteur. Applique ces mesures jusqu'à ce que la trajectoire de vol de la fibre se déplace du retour à une forme de la courbe caténaire.
  5. Évitez les fibres voyager verticalement vers le collecteur en diminuant la tension appliquée, augmentant la vitesse du collecteur et augmenter la pression d’air jusqu'à ce que la trajectoire du jet conserve la forme d’une courbe caténaire à nouveau.

6. Echafaudage Collection

  1. Ouvrir la porte lorsque l’impression est terminée et utilisez le curseur pour déplacer la plaque collecteur vers la porte pour une meilleure accessibilité.
  2. Pulvériser l’échafaud avec mélange de l’éthanol 70 % (vol/vol) et attendez 10 secondes jusqu'à ce qu’il se détache visiblement du collecteur.
  3. Collecter l’échafaud fini en saisissant un bord avec la pince à épiler et soulevant hors de l’enceinte.

7. Dépannage

  1. Ouvrez la porte immédiatement s’il y a une étincelle entre la filière visible ou un bruit de craquement audible ou diminuer la tension appliquée.
  2. Enlever toutes les matières dangereuses et liquides tels que l’éthanol 70 % (vol/vol) à l’intérieur de l’enceinte comme un incendie pourrait s’enflammer en cas d’éventuelle des étincelles.
  3. Le G-Code de programme en conséquence que la filière s’éloigne de la zone où l’échafaud est imprimé après toutes les couches sont faites. Cela évite l’accumulation de matière au-dessus du point où la filière s’arrête enfin.
  4. Contrôler la filière sous une loupe et vérifier qu’il n’y a aucun dommage à la filière, car cela influencera considérablement l’homogénéité du cône Taylor.

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Representative Results

Deux méthodes différentes de collection sont couramment utilisés dans MEW, qui sont plates et collection de mandrin. Les architectures qui en résulte dépendant de la programmation du G-Code (tableau 2), qui est exécuté par le logiciel.

Collection plate
Appliquant les collectionneurs plats fait référence à la méthode la plus courante et facilite le dépôt direct de matériel évoquant le G-code préprogrammé. 0/90 et 0/60 structures de tailles différentes sont largement rapportés dans la littérature. En outre, la capacité du dépôt directement de fibres fondus sur le collecteur facilite la production de façon aléatoire également encore des structures organisées lorsqu’un collecteur plat à motifs est utilisé au lieu d’une lisse et un14.

Tubulaire
Il y a une forte demande pour la fabrication d’échafaudages tubulaires architectures pour les applications de TE. MEW est un moyen efficace d’atteindre les échafaudages tubulaires avec porosité sur mesure en utilisant des capteurs cylindriques. Ces tournent sur leur axe, tout en traduisant le long de l’axe du mandrin. Grâce à un réglage fin du G-Code, la rotation ainsi que la vitesse de translation est déterminée et l’orientation des fibres peut être personnalisée. Les vitesses de rotation plus élevés de vitesses de translationnels de plomb à radialement orientées pores et vice versa. Le nombre total de couches, de distribution et de la morphologie de la porosité configurera les propriétés mécaniques de l’échafaudage. Le diamètre intérieur de l’échafaudage tubulaire sera déterminé par le diamètre extérieur du mandrin mis en œuvre.

Figure 1
Figure 1 : Installation MEW. (A) y compris un PC, l’unité d’impression et le boîtier de commande électrique (B), la tête et le collecteur (C), la fibre dans une phase de vol parfaitement équilibrée et illustration (D) une représentation schématique d’un cône de Taylor. (E) montre une représentation schématique d’une imprimante et énumère les cinq paramètres de système plus répandues, y compris « tension appliquée » (générateur de haute tension), « température » (régulateur de température), « pression atmosphérique » (régulateur de pression), « travail à distance » () réglage par interne conçu mobile axe z) et « collection vitesse » (X et Y, positionnement des diapositives). (F) illustre la conception de ce système d’isolation dans la tête d’impression via un ruban polyamide résistant à la chaleur. Cela empêche un arc électrique entre le « élément chauffant 1 » et la partie chargée « laiton ». S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Les échafaudages différents fabriqués avec un collecteur plat (A), 0/90 lattice (B) et le lattice même dans une plus grande résolution (C). (D) montre une structure de 0/60 et (E), une structure aléatoire contrôlée.S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Présentation de différents échafaudages tubulaires et une image représentant respective de microscopie électronique (MEB). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

L’infiltration des fibroblastes dermiques d’échafaudages poly(ε-caprolactone) fabriquée par fondre électrofilage dans un mode d’écriture directe (Farrugia et coll., 2013)4 ||  PLAT
Fibroblastes dermiques ensemencées PCL MEW échafaudages sont évalués pour une infiltration cellulaire.
Un modèle de xénogreffe humanisé tissulaire des métastases du cancer du sein humain à OS (Thibaudeau et coll., 2014)15 || TUBULAIRE
Les échafaudages tubulaires de MEW sont utilisés pour créer un OS ectopique viable « organe » dans un modèle murin d’étudier les métastases du cancer du sein à l’OS.
Des mécanismes de radioralliement propres à chaque espèce de métastases de cancer de la prostate humain dans le tissu d’ingénierie osseuse (Holzapfel et coll., 2014)16 || TUBULAIRE
MEW échafaudages sont utilisés pour créer un segment de tissus conçus pour la recherche sur le cancer de la prostate.
Renforcement de l’intégrité structurale des hydrogels en utilisant hautement organisé fondre des constructions de fibres électrofilées (Bas et al., 2015)17 ||  PLAT
MEW échafaudages avec différents modèles de mise-bas et poresizes sont utilisés pour améliorer la fonctionnalité mécanique des hydrogels douces.
Renforcement des hydrogels à l’aide de microfibres imprimées en trois dimensions (Visser et al., 2015)18 ||  PLAT
Hydrogels de base gélatine molles sont renforcés avec MEW PCL échafaudages.
Faire fondre électrofilage sur cylindres : effets de rotation vitesse et collectionneur de diamètre sur la morphologie des structures tubulaires (Jungst et al., 2015)6 || TUBULAIRE
Sont systématiquement étudié l’influence de la vitesse de translation et de rotation sur la morphologie définitive des échafaudages tubulaires de MEW.
Hiérarchiquement structurée hydrogels poly(2-oxazoline) poreux (Haller et al., 2016)19 || PLAT
MEW échafaudages sont utilisés comme modèle sacrificiel de créer un réseau de porosité 3D hiérarchique dans un hydrogel.
A validé le modèle animal préclinique pour recherche de tumeur osseuse primaire (Wagner et al., 2016)20 || TUBULAIRE
MEW échafaudages sont utilisés pour créer des constructions humanisé tissu conçu pour la recherche préclinique sur des tumeurs osseuses primaires.
Génie tissulaire périoste dans un orthotopique en vivo plate-forme (Baldwin et coll., 2017) 21 || TUBULAIRE
Un échafaudage multiphasiques consistant en un maillage MEW et un hydrogel est développé pour les applications de régénération tissulaire périoste.
Métrologie dimensionnelle des interactions cellule-matrice 3D microscale substrats fibreux (Tourlomousis et Chang. 2017)22 || PLAT
Interactions cellule-matrice ont été étudiées sur des échafauds MEW avec des architectures différentes.
Expression d’endostéale comme matrice extracellulaire sur fonte électrofilées écrite échafaudage (Muerza-Cascante et coll., 2017)23 || PLAT
Les échafaudages de MEW PCL sont utilisés pour développer un tissu osseux endostéale qui favorise la croissance des cellules souches hématopoïétiques humaines primaires.
3D imprimé des grilles comme une plateforme d’activation et d’expansion pour la thérapie de cellules T (Delalat et coll., 2017)24 || PLAT
Échafaudages avec différentes fibres espacement (200 µm, 500 µm et 1000 µm) sont des surfaces fonctionnalisées et ensemencée avec des cellules de T d’expansion.
Composites doux réseau Biofabricated pour tissu cartilagineux ingénierie (Bas et coll., 2017)25 || PLAT
Nous rapportons des composites de réseau souple biomimétique composé d’une matrice hydrogel et renforçant les maillages MEW conçus pour la réparation du cartilage articulaire.
Par l’intermédiaire de génie interface précise vers bioinspired composites avec processabilité impression 3D améliorée et les propriétés mécaniques (Hansske et coll., 2017)26 || PLAT
Magnésium fluorure NANOPARTICULE renforcé PCL échafaudages fabriqués au moyen de MEW sont conçus et mis au point pour les applications en génie tissulaire d’OS.

Tableau 1 : référence à une liste des études, dans lequel MEW échafaudages ont été fabriqués et utilisés pour des applications biologiques. La liste présente les résultats des mises en œuvre échafaudages tubulaires mais aussi plats.

Table 2
Tableau 2 : explication d’un G-Code pour les échafaudages tubulaires et plats, à l’aide d’un fichier texte (.txt) doivent être téléchargées dans le logiciel de programmation. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette table.

Table 3
Tableau 3 : valeurs représentatives des paramètres vitesse de pression, de tension et de perception de l’air (température et collection distance constante) pour atteindre les trois plages de diamètres différents (petites, moyennes et grandes). Les flèches rouges proposent des valeurs exactes dans leurs catégories respectives pour atteindre le diamètre de la fibre.S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette table.

Table 4
Tableau 4 : illustration schématique des différents cas de figure et des images réelles des dépôts de fibres possible aux MEW ainsi que les moyens d’optimiser. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette table.

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Discussion

Intégrer les AM afin de trouver des solutions innovatrices pour relever les défis dans le domaine médical présente un nouveau paradigme pour la 21st century. Le domaine de ce qu’on appelle des « Bio-fabrication » est à la hausse et innovations dans les technologies de fabrication permettent la production des architectures hautement sophistiqués pour les applications de TE. L’électrofilage de polymères fondus dans un mode d’écriture directe (ici MEW) est considéré comme l’un des candidats plus prometteurs de fabrication conforme aux besoins de la communauté de TE, où sont les structures ordonnées de matériaux biocompatibles dans le micron à échelle nanométrique requis27.

Ce tutoriel a pour but de générer des connaissances fondamentales des opérations du MEW en expliquant les principes physiques et en démontrant les étapes d’action pour la fabrication d’échafaudages reproductibles à l’aide de cette technologie.

Étant donné que les principes généraux de MEW sont comparables à ceux des technologies de fabrication additive conventionnelle, c'est-à-dire une déposition ciblée du matériau extrudé d’une manière couche par couche, il est crucial de contrôler le mouvement relatif entre la tête et le collector. D’après notre expérience, nous vous recommandons travail avec dispositifs MEW qui maintiennent une tête fixe, tandis que le mouvement respectif du collecteur est assurée par les étapes (X et Y). Une tête de fixation reste dans une position stable et ne génère pas de forces cinématiques, qui agissent sur le cône de Taylor et potentiellement conduire à des perturbations au cours de sa création. En outre, le câblage associé à haute tension, et le chauffe-eau n’est pas soutenue lors des mouvements répétitifs. Le mouvement de collecteur est défini par le G-Code, qui doit être téléchargées dans le logiciel. Ce code, également connu sous le nom RS-274, est employé couramment dans le domaine de la fabrication assistée par ordinateur pour contrôler la voie des outils. Pour les applications de MEW auprès des collectionneurs plats, le fichier G-Code détermine le mouvement et la vitesse en X et l’axe des ordonnées ; pour des applications de mandrin ou collectionneurs cylindriques, le fichier G-Code définit aussi bien la translation (direction X) et de rotation des vitesses. Tableau 2 explique la programmation d’un G-code plus en détail.

Par rapport aux autres technologies de fabrication additive, MEW permet la fabrication de fibres avec différents diamètres par l’ajustement de la température des paramètres système, la vitesse de la collection et la tension appliquée, comme décrit dans le protocole.

Afin de réaliser des petites fibres (3-10 µm), il est conseillé d’utiliser des basses pressions, tensions modérées et collection haute vitesses. En général, une pression réduite conduit à masse moins extrudé. Cela s’accompagne d’une diminution correspondante de la surface du jet. Par conséquent, plus petites forces électrostatiques sont nécessaires pour accélérer la masse de la fibre vers le collecteur, c'est-à-dire une tension inférieure doit être appliqué. En outre, comparable des vitesses plus élevées collection conduisent à amélioré qui s’étend de la fibre, causant une réduction supplémentaire du diamètre final de fibre.

Augmentant la pression induit plus d’écoulement des polymères fondus et par conséquent, conduit à des diamètres de fibre (10 à 20 µm). Dans ce cas, une plus grande force électrostatique est nécessaire pour compenser la surface polymère élargie (fibres plus épaisses). Afin d’obtenir un courant-jet polymère stable, la tension doit être modifiée et doit réduire la vitesse de la collection.

Diamètre de fibre grande (20 à 30 µm) nécessite extrusion de polymère renforcée, la pression d’air élevée. Cela provoque des fibres relativement épais et est suggéré d’être appliqués en combinaison avec une tension plus élevée de fournir suffisamment de force électrostatique sur la fibre. En outre, vitesse de perception réduite induit moins qui s’étend de fibre. On trouvera un résumé dans le tableau 3.

Les trois cas mentionnés ci-dessus, cependant, encore besoin réglage et optimisation pour maintenir une courbe caténaire stable en forme de fibre au fil du temps, a expliqué dans le protocole. Dans MEW, seulement un équilibre parfaitement équilibré entre les forces déterminant le débit du polymère masse et les forces attirant le jet vers le collecteur conduira finalement à atteindre l’échafaudage conforme morphologies 12,28 . Par conséquent, divergences de la voie du jet reflètent des écarts importants du diamètre de la fibre ou déposition inexacte. D’après notre expérience, trois différentes variations de comportement peuvent être obtenues.

Tout d’abord, une fibre peut d’impulsion, un phénomène signalé initialement par le groupe de Dalton12. Une répartition déséquilibrée entre envoyées drag-forces massives et respectifs sur les résultats de fibres dans un cône de Taylor constamment suralimenté, qui libère périodiquement polymère accumulé. Cela provoque une variation importante dans les angles de la voie et les résultats dans différents diamètres.

En second lieu, un calorifugeage électrifiée jet se produit lorsque la vitesse du capteur est supérieure à la vitesse d’extrusion du jet. Le dépôt final du jet se passe loin de la direction verticale de la filière, provoquant un courant-jet en retard de développement. La trajectoire de vol ressemble à une courbure sur-représentées, qui permet également de réduire les dimensions d’un échafaudage imprimée.

Troisièmement, un flambage jet électrifié est causé par l’impact perpendiculaire du jet sur le collecteur et les manifestes, lorsque la vitesse du collecteur est réglée plus lent que la vitesse à laquelle le jet s’écoule hors de la filière. Appliquant les tensions élevées peut aussi causer de flambage, en produisant une accélération excessive vers le collecteur et une trajectoire rectiligne de la fibre. Les dépôts indésirables des boucles sont observé dans ce cas.

Moyens pour re-stabiliser le processus sont fournies dans le protocole et voit au tableau 4.

Du point de vue de l’application de l’échafaudage, multiples avantages existent lors de l’utilisation de PCL et MEW, biocompatibilité, reproductibilité par écriture directe, ou une personnalisation prédéfinie des architectures qui en résulte. MEW peut être effectuée sur n’importe quel banc de laboratoire classiques, car il utilise sans solvant polymère fait fondre, il ne nécessite donc pas cher hottes ou exhaustive de recyclage des matières résiduelles,29. Il n’y a pas d’odeur en entrant dans une pièce contenant des appareils MEW.

En outre, une surface haute réalisable au rapport de volume dans un échafaudage poreux est un avantage et rend les échafaudages MEW bien adaptés pour des applications biologiques30.

En comparaison de la célèbres 3D technologies d’impression, tels que fondue dépôts modélisation31, MEW a ses limites dans les hauteurs imprimables de structures ordonnées.La raison est considérée dans le processus inhérent de l’application des forces électrostatiques, quels pièges mobiles porteurs dans les fibres déposés de charge. Une fois la hauteur de l’échafaudage dépasse environ 4 mm, il est signalé que la somme des frais excédentaires accumulées dans les actes de l’échafaudage repoussant pour venir fibres32. Par la suite, dans la plupart des cas, les couches supérieures qui en résultent sont considérablement déformées.

Une autre différence pour les technologies d’impression 3D classiques réside dans le fait que la déposition de matériaux au cours du processus ne peut être interrompue et uniquement arrêter tous les paramètres système finalement détient matérielle extrusion. Cela représente une limitation de conception et doit être considérée lorsque vous programmez le G-Code. Tandis que l’initiation de jet peut être effectué mécaniquement33, G-Code programmation doit considérer une approche directe-écriture continue.

Accroître l’efficacité du débit et des processus de MEW aussi reste un défi et représente la principale raison à notre avis et à d’autres de pourquoi cette technologie n’a pas été up-mise à l’échelle de niveau industriel encore34. Tout d’abord, le processus MEW est intrinsèquement faible débit en raison des faibles débits et vitesses du collection limitée. Ces deux aspects, cependant, sont essentiels pour garantir le dépôt contrôlé de la gerbe et la reproductibilité dans l’impression. En effet, la vitesse maximale de collection pendant le processus d’impression est limitée aux limites physiques de la matière utilisée, c'est-à-dire des vitesses trop élevées entraînerait la rupture du jet lorsque les forces de traînée dépassent les limites possibles. Une autre stratégie haut de gamme repose sur l’utilisation de dispositifs de MEW multi-extrusion, c'est-à-dire des machines avec des têtes d’impression multiples à proximité de l’autre ; Toutefois, ces têtes multiples auraient provoquer des interférences entre le domaine de l’électricité de chaque tête et déformer par la suite la fibre final dépôt35. Fonte sans aiguille électrofilage chefs ont généré un nombre important de jets électrifiée36, bien que contrôlant l’emplacement exact des fibres écrit direct pourrait être difficile à réaliser. Les développements futurs à l’augmentation de l’efficacité de MEW, cependant, seulement bénéficierait pas la communauté biomédicale, mais aussi les industries de filtration, textile ou demandes d’énergie2.

Bien que ce tutoriel fournit des lignes directrices pour fabriquer sur mesure selon les paramètres proposés, il doit noter que dépendances mineures sur les conditions environnementales, telles que la température de la pièce ou l’humidité existent et qu’il aboutissent à des imprévus écarts par rapport aux37. Les résultats présentés dans ce didacticiel reposent sur le savoir-faire accumulé au groupe Hutmacher, réalisé dans des conditions environnementales stables au sein des espaces contrôlées en laboratoire.

PCL est le candidat le plus en vue pour MEW. Du point de vue technique, son bas point de fusion (60 ° C) est bénéfique, car cela ne nécessite pas la mise en oeuvre difficile des radiateurs haute température (> > 100 ° C) en étroite distance aux sources de haute tension. Sur un niveau significatif de génie, PCL est semi conducteur et assure une cohésion forte macromoléculaire tant qu’un liquide et un solide. Malgré un étirement mécanique solide, la matière visqueuse obligations dans une certaine mesure, ce qui se traduit par l’éminent fibre éclaircie lors de l’augmentation de vitesse de collectionneur ou tension appliquée. Électrofilage fonte conventionnel sans bouger les collectionneurs ont été signalé avec des polymères différents, comme le nylon, polyéthylène ou polypropylène9. L’application des principes d’écriture directe cependant, ont principalement été signalée avec PCL et certains mélanges PCL avec des additifs afin d’abaisser sa viscosité38, bien qu’il existe des exceptions39,40. À l’avenir, cependant, nous prévoyons un plus large éventail de matériaux traités par MEW. Cela impliquera à son tour, que la mise à niveau des composants matériels pour cette technologie, en ce qui concerne le polypropylène de traitement exemple (point de fusion à 160 ° C) modifie les exigences techniques actuelles du matériel des dispositifs MEW.

Un intérêt croissant pour les échafaudages polymères biocompatibles avec des architectures hautement précis et contrôlables existe ; MEW, à ce jour, représente la seule technologie, c'est-à-dire, par rapport à d’autres techniques de biofabrication, capable de fabriquer des commandé des architectures dans la plage inférieure de micron (avec des exceptions dans la gamme de sub-micronique41). Cela a conduit à une quantité exponentiellement croissante de brevets et publications30dernières années. Par conséquent, s’attaquer à la complexité technique mettant en œuvre optimisé le matériel et la mise en place du contrôle en cours de MEW est d’une grande importance. Cela facilitera la production des échafaudages avec des architectures adaptées pour un large éventail d’applications dans le futur.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu financièrement par le Centre de recherche coopérative CRC pour la fabrication de la thérapie cellulaire, le Centre australien de ARC du Conseil de recherches en biofabrication additif et de l’Institute for Advanced Study de l’Université technique de Munich. Cette recherche a été menée par l’australien Conseil industriel Transformation formation Centre de recherche en biofabrication additif http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026). S’il vous plaît visitez le site pour des objets, livres, programmes de télévision ou de radio, médias électroniques ou toutes autres œuvres littéraires liés au projet. En outre, les auteurs remercient Maria Flandes Iparraguirre appui au tournage, Philip Hubbard pour la voix et Luise Grossmann pour le tournage et le montage.

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

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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).

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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).

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