Elektrospinnen Schreiben von dreidimensionalen Poly(ε-caprolactone) Gerüste mit steuerbaren Morphologien für Tissue Engineering Anwendungen zu schmelzen
Summary
Dieses Protokoll dient als ein umfassender Leitfaden, Gerüste über Elektrospinnen mit Polymer zu fabrizieren in eine direkte Schreibmodus schmilzt. Wir beschreiben den Prozess systematisch und definieren Sie die entsprechenden Parameter-Einstellungen für gezielte Gerüst Architekturen zu erreichen.
Abstract
Dieses Tutorial zeigt auf den grundlegenden Prinzipien und Richtlinien für die Elektrospinnen schreiben mit Polymer-Plastik schmilzt, eine additive Fertigung-Technologie mit großem Potenzial für biomedizinische Anwendungen. Die Technik ermöglicht die direkte Ablagerung von biokompatiblen Polymerfasern, wohlgeordneten Gerüste in der Sub-Mikrometer auf Mikroebene zu fabrizieren. Die Errichtung eines stabilen, viskoelastische, Polymer-Jet zwischen einer Spinndüse und Sammler geschieht mit Hilfe einer angelegten Spannung und kann direkt geschrieben. Ein wesentlicher Vorteil von einem typischen poröse Gerüst ist ein hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis bietet erhöhte effektive Haftung Websites für Zellhaftung und Wachstum. Steuerung des Druckprozesses durch Feinabstimmung der Systemparameter können hohen Reproduzierbarkeit in der Qualität der gedruckten Gerüste. Es bietet auch eine flexible Fertigung-Plattform für Anwender, die morphologische Strukturen der Gerüste an ihre spezifischen Anforderungen anzupassen. Zu diesem Zweck präsentieren wir eine geführte Änderung der Parameter, einschließlich Geschwindigkeit, Spannung und Sammlung Strömungsgeschwindigkeit ein Protokoll, um unterschiedliche Faserdurchmesser mit Schmelze Elektrospinnen schreiben (MEW) zu erhalten. Darüber hinaus führen wir optimieren die Jet, oft erfahrene technische Herausforderungen zu diskutieren, erklären Problembehandlungsverfahren und präsentieren eine Vielzahl von bedruckbaren Gerüst Architekturen.
Introduction
Die Herstellung von dreidimensionalen (3D) biokompatible Strukturen für Zellen ist einer der wichtigsten Beiträge der additive Biomanufacturing Gewebe Engineering (TE), mit dem Ziel, Gewebe wiederherzustellen, indem die Anwendung maßgeschneiderte Biomaterialien, Zellen, biochemische Faktoren, oder eine Kombination davon. Fügen Sie daher die wichtigsten Anforderungen von Gerüsten für TE Anwendungen: Herstellbarkeit von biokompatiblen Materialien, steuerbare morphologischen Eigenschaften für gezielte Zellinvasion und optimierte Oberflächeneigenschaften für verstärkte Zelle Interaktion 1.
MEW ist eine lösungsmittelfreie Herstellungstechnik, die die Grundsätzen der additiven Fertigung (häufig sogenannte 3D-Druck) und Elektrospinnen für die Herstellung von Polymeren Netze mit hochgeordnete ultradünne Faser Morphologien2kombiniert. Es ist eine direkte schreiben Ansatz und präzise Einlagen Fasern nach vorprogrammierten Codes3, genannt G-Codes. Schmelze Electrospun, die Konstrukte derzeit sind mit einer flachen4,5 oder6,7 Sammler Dorn, um poröse flach und röhrenförmigen Gerüste bzw. zu fabrizieren zubereitet.
Diese Technik bietet erhebliche Vorteile TE regenerative Medizin (RM) Gemeinschaft und durch die Möglichkeit, direkt drucken medizinischem Polymere, wie z. B. poly(ε-caprolactone) (PCL), die ausgezeichnete Biokompatibilität8präsentiert. Weitere Vorteile sind die Möglichkeit, die Größe und Verteilung der Porosität, anpassen, durch die Hinterlegung der Fasern in hohem Grade organisiert Weise Gerüste hohe Oberflächen-Volumen-Verhältnis herzustellen. Bevor MEW durchgeführt werden kann, erfordert das Polymer zunächst die Anwendung von Wärme9. Einmal in einem flüssigen Zustand ein angewandte Luftdruck zwingt es heraus durch eine metallische Spinndüse fließen, die an einer Hochspannungsquelle angeschlossen ist. Der Kräfteausgleich zwischen der Oberflächenspannung und der Reiz der elektrostatisch geladene Tropfen an den geerdeten Sammler führt zur Bildung eines Taylor Kegel, gefolgt von den Auswurf eines Jet-10.
Bilder und eine schematische Zeichnung der hauseigenen Build MEW Vorrichtung verwendet für dieses Protokoll sind in Abbildung 1dargestellt. Es zeigt zusätzlich die Grundsätze der mit Isolierband, um elektrischen Entladung zwischen den Heizelementen und die elektrisch geladenen Messingteil rund um die Spinndüse zu vermeiden. Unzureichende Isolation führt zu internen Schäden der implementierten Hardware.
Je nach Einstellung der drei System-Parameter (Temperatur, Geschwindigkeit und Luftdruck Sammlung) ermöglicht MEW die Herstellung von Fasern mit verschiedenen Durchmessern, in die Diskussion Abschnitt erklärt. In den meisten Fällen werden jedoch Feinabstimmung und Optimierung der Jet erforderlich, bevor ein stabile Jet ausgeworfen werden. Die Visualisierung der elektrifizierten Reisen Jet ist ein effektiver Weg, um die Konsistenz und Homogenität des Prozesses zu überprüfen. Im Idealfall ähnelt die Flugbahn eine Fahrleitung Kurve durch ein Kräfteausgleich, gesteuert von der System-Parameter-11erworben. Darüber hinaus ist die Mikro und Makro-Struktur die Gerüste der Flugbahn des Polymer Jet12abhängig. Eine detaillierte Tabelle mit verschiedenen Durchbiegung Verhaltensweisen und Maßnahmen zur Optimierung ist im Abschnitt Diskussion gegeben.
In der vorliegenden Studie präsentieren wir eine Protokoll, die die Fertigungsschritte zur Herstellung von streng kontrollierte faserige Gerüste mit MEW-Technologie beschreibt. In dieser Arbeit, medizinische Grade PCL (Molekulargewicht 95-140 kg/Mol) wurde verwendet, da diese medizinischem PCL Reinheit in technischer Qualität verbessert hat, und seine mechanischen und Verarbeitung Eigenschaften eignen sich hervorragend für MEW. Breite Schmelze Verarbeitung Palette von PCL stammt aus seiner niedrigen Schmelzpunkt (60 ° C) und hohe thermische Stabilität. PCL ist übrigens ein langsam-Rate biologisch abbaubare Polymer, wodurch es ein ausgezeichnetes Material für viele Gewebetechnik Anwendungen13.
Für diese Studie wird die Temperatur und Sammler Abstand konstant gehalten werden (65 ° C und 82 ° C für die Spritze und Spinndüse Temperaturen (bzw.) und 12 mm für den Sammler-Abstand); angelegte Spannung, Sammler Geschwindigkeit und Luftdruck, wird jedoch variiert werden, um Fasern mit gezielten Durchmessern zu fabrizieren. Eine detaillierte Liste der veröffentlichten Studien mit MEW Gerüste finden Sie in den Abschnitt “Ergebnisse” und zeigt verschiedene Anwendungen für die Bereiche von TE und RM (Tabelle 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
AM zu integrieren, um innovative Lösungen für die Herausforderungen im Bereich Medizin zu finden stellt ein neues Paradigma für das 21St -Jahrhundert. Das so genannte “Bio-Fabrication” ist auf dem Vormarsch und Innovationen in Fertigungstechnologien ermöglichen die Produktion von hoch entwickelten Architekturen für TE Anwendungen. Elektrospinnen von Polymerschmelzen in eine direkte Schreibmodus (hier MEW) gilt als eines der vielversprechendsten Kandidaten Fertigung erfüllen die Bedürfnisse der Gemeinsch…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde finanziell von der Cooperative Research Centre CRC für Zelle Therapie Fertigung, das Australian Council ARC Forschungszentrum in Additiv Biomanufacturing und dem Institute for Advanced Study an der technischen Universität München unterstützt. Diese Forschung wurde von dem australischen Forschung Rat industrielle Transformation Ausbildungszentrum in Additiv Biomanufacturing http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026) durchgeführt. Bitte besuchen Sie die Website für Artikel, Bücher, Fernsehen oder Radio Programme, elektronischen Medien oder andere literarische Werke, die im Zusammenhang mit dem Projekt. Ferner bestätigen die Autoren dankbar Maria Flandes Iparraguirre für Unterstützung bei Dreharbeiten, Philip Hubbard für die Stimme über und Luise Grossmann für Dreh und Schnitt.
Materials
| 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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