Summary
פרוטוקול זה משמש כקו מנחה מקיף כדי לבדות פיגומים ויה electrospinning עם הפולימר נמס במצב כתיבה ישירה. אנו באופן שיטתי המתווה את התהליך, להגדיר את הגדרות הפרמטר המתאים להשגת ארכיטקטורות יישוב לגרדום.
Abstract
ערכת לימוד זו משקפת על העקרונות הבסיסיים, הנחיות electrospinning כותב עם הפולימר נמס, טכנולוגיית הייצור מוספים עם פוטנציאל גדול ביו יישומים. הטכניקה מקלה על העדות הישירה של סיבי פולימר מסתיימים מחומות פיגומים ומסודרת בתוך תת מיקרון למגוון סולם מיקרו. הקמת יציב, viscoelastic, פולימר סילון בין spinneret אספן מושגת באמצעות של מתח המופעל והוא יכול להיות ישיר בכתב. יתרון משמעותי של לפיגום נקבובי טיפוסי הוא יחס השטח לבנפח גבוה אשר מספקת מוגברת אדהזיה יעילה לאתרים התא מצורף וצמיחה. שליטה תהליך ההדפסה על-ידי כוונון הפרמטרים המערכת מאפשרת הפארמצבטית גבוהה באיכות פיגומים המודפס. הוא גם מספק פלטפורמה גמישה הייצור עבור משתמשים להתאים את מבנה מורפולוגי של פיגומים לדרישות הספציפיות שלהם. למטרה זו, אנו מציגים פרוטוקול להשיג קטרים שונים סיבים באמצעות כתיבה electrospinning נמסים (מיו) עם תיקון מודרכים הפרמטרים, כולל מהירות זרימה קצב, מתח, אוסף. יתר על כן, נדגים כיצד למטב את המטוס, לדון אתגרים טכניים מנוסים לעתים קרובות, להסביר את טכניקות לפתרון בעיות, להציג מגוון רחב של ארכיטקטורות לגרדום להדפסה.
Introduction
ייצור מבנים תלת-ממדיים (3D) מסתיימים עבור תאים הוא אחד של תרומות מפתח של biomanufacturing מוספים לרקמות הנדסה (TE), במטרה לשחזר את רקמות על-ידי החלת מותאם אישית biomaterials, תאים, גורמים ביוכימיים, או צירוף של שתיהן. לכן, הדרישות העיקריות של פיגומים ליישומים טה כוללים: יכולת הייצור של חומרים מסתיימים, מאפיינים מורפולוגיים לשליטה לפלישה תא יישוב ומאפיינים המשטח אופטימיזציה עבור משופרת אינטראקציה תא 1.
מיו היא טכניקה ללא מרכך ייצור שמשלב עקרונות הייצור מוספים (נקרא לעתים קרובות הדפסה תלת-ממדית) electrospinning לייצור רשתות פולימריות מאוד מסודרת סיבים זגוגית מורפולוגיות2. זה היא גישה ישירה הכתיבה ומפקידה במדויק סיבים על פי קודי מתוכנת מראש3, המכונה G-קודים. להמיס electrospun המבנים נמצאים כרגע המוכנים לדירת4,5 או6,מוט7 אספן כדי לבדות פיגומים צינורי ושטוח נקבובי, בהתאמה.
טכניקה זו מציעה יתרונות משמעותיים טה והקהילה רפואה רגנרטיבית (RM) בשל האפשרות להדפיס ישירות פולימרים באיכות רפואית, כגון poly(ε-caprolactone) (PCL), המציג הביו מעולה8. יתרונות נוספים הם האפשרות להתאמה אישית את גודל ואת חלוקת נקבוביות, על ידי הפקדת הסיבים באופן מאורגן כדי לבדות פיגומים של יחסי גודל השטח לבנפח גבוה. לפני שניתן לבצע גרז'י, הפולימר דורשת תחילה את היישום של חום9. פעם במצב נוזל, לחץ אוויר שהוחל כוחות זה לזרום החוצה דרך spinneret מתכתי מחובר למקור מתח גבוה. האיזון בכוח בין המתח את האטרקציה של ה-droplet electrostatically טעון האספן מוארק שמוביל היווצרות חרוט טיילור ואחריו על הוצאה של jet10.
תמונות של שרטוט סכמטי של המכשיר גרז'י build in-house בשימוש עבור פרוטוקול זה מוצגים באיור1. בנוסף, הוא מדגים את עקרונות באמצעות סרט בידוד כדי למנוע פריקה חשמל בין החלק פליז הטעונים חשמלית המקיפים את spinneret את גופי החימום. בידוד לא מספיקות יוביל נזק פנימי של החומרה מיושמים.
בהתאם ההתאמה של מערכת שלושת הפרמטרים (טמפרטורה, מהירות אוסף ולחץ אוויר), מאפשר גרז'י הזיוף של סיבים עם קטרים שונים, הסביר במקטע דיון. ברוב המקרים, עם זאת, עדין ואופטימיזציה של המטוס יידרש לפני יהיה נפלט ממטוס יציב. הפריט החזותי של מטוס נוסע חשמלית היא דרך יעילה לבדוק את העקביות ואת ההומוגניות של התהליך. במקרה האידיאלי, נתיב הטיסה דומה עיקול של כאטאנארי לרכוש כתוצאה איזון כוח נשלט על ידי פרמטרים מערכת ה11. עוד, מיקרו - ו מאקרו-המבנה של פיגומים תלויה נתיב הטיסה פולימר סילון12. טבלה מפורטת של הסטה שונים התנהגויות ואמצעים למיטוב ניתנת במקטע דיון.
במחקר הנוכחי, אנו מציגים פרוטוקול זה מתאר את השלבים פבריקציה נוספת לייצור של פיגומים סיביים מבוקרת מאוד בטכנולוגיה מיו. בכיתה זו עבודה, רפואי PCL (משקל מולקולרי 95-140 ק ג/mol) שימש, כמו זו כיתה רפואי PCL השתפרה הטוהר מעל בדרגה טכנית, תכונותיו מכני, בעיבוד מצוינים עבור מיו. להמיס רחב טווח של PCL עיבוד מקורו של שלה נקודת התכה נמוכה (60 ° C), יציבות תרמית גבוהה. יתר על כן, PCL הוא פולימר מתכלה בקצב איטי, מה שהופך אותו חומר מצוין של רקמות רבות הנדסה יישומים13.
במחקר זה, המרחק טמפרטורה, אספן יישמר קבוע (65 ° C ו- C ° 82 לטמפרטורות מזרק, spinneret (בהתאמה) ו- 12 מ מ, להרחיק אספן); החלת מתח, לחץ אוויר ומהירות של אספן, עם זאת, יהיה ערב מגוון כדי לבדות סיבים עם קטרים יישוב. רשימה מפורטת של מחקרים שפורסמו באמצעות פיגומים גרז'י במקטע תוצאות ושירות חושפת יישומים שונים עבור השדות של TE ו RM (טבלה 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנה גשמי
- מילוי 2 גר' PCL בתוך מזרק פלסטיק 3 מ עם משפך ולהוסיפה בוכנה הקצה הפתוח.
- מקם את המזרק בתנור preheated ב 65 ° C עבור ה 8 נקודת הקצה כלפי מעלה לאפשר את בועות האוויר לסגירה צבירה לפתיחה.
- לחצו הבוכנה עם אובייקט דק כדי לשחרר את האוויר לכודה בתוך החומר מותכת.
- . תן לזה להתקרר עד לטמפרטורת החדר, אשר מושגת כאשר הפולימר אינה שקופה יותר אחרי 10 דקות.
- לאחסן את המזרק טעון מראש PCL בטמפרטורת החדר סביבה כהה ויבש, עד נעשה בה שימוש.
2. התקנת תוכנה וחומרה
- לצרף 23 גרם שטוחים משופעת מחט (spinneret) את המזרק, מתאם חבית בקצה השני להתחבר את המזרק מערכת לחץ אוויר.
- הכנס את המזרק ראש ההדפסה ולחץ עליו למטה עד הקצה spinneret בולטת 1 מ"מ מן החלק פליז בצד התחתון של הראש.
- הר אספן על הבמה ולנקות את פני השטח, כמו גם את ראש ההדפסה עם אתנול 70% (vol/כרך) להסרת אבק או פולימר שיורית.
- קבעו את המרחק עובד באמצעות מיקום אובייקט גבוהה 12 מ מ בין spinneret של האספן ולהוריד את ראש ההדפסה עד הקצה spinneret רק נוגע בו.
- התאם את בקרי טמפרטורה-תיבת חשמלי 82 מעלות צלזיוס ו 65 ° C עבור האזור spinneret ואת המזרק, בהתאמה, כוח עליהם כדי להמיס PCL.
- המתן לפחות 10 דקות עד הפולימר מותכת וליזום לחץ האוויר על-ידי הגדרת את הרגולטור בר 1.8.
- הכינו את-G-Code להגדיר הגודל, צורה, הבין-פילמנט מרחק של מספר שכבות של לגרדום ומהירות אוסף של התהליך.
הערה: תבנית נתונים היסטוריים עבור בדיית פיגומים צינורי ושטוח מסופק בפרק הדיון (טבלה 2). - בדוק היטב ידנית כי כל הקרקע הכבלים מחוברים בצורה מאובטחת ועד למתחם של דיבל.
- הפעל את התוכנה (למשל, מאך 3) במחשב ולהעלות את מוכן-G-code.
3. לגרדום פבריקציה נוספת
- סגור את הדלת הקדמית של המתחם, אשר מחבר את interlock בטיחות. ותפעיל את ספק מתח גבוה spinneret.
הערה: כאשר הדלת נפתחה, לדוגמה כאשר הסתיימה טביעת אצבע או במקרה חירום, טיפות מתח גבוה, לגרדום ניתן להסיר בבטחה. - . תגביר את המתח גבוהה בהדרגה בשלבים kV 0.2 עד קונוס טיילור נוצר בד הוצאת לכיוון האספן (ראה למופת טיילור חרוט ב 1D איור).
- אפשר להמיס פולימר להיות extruded בצלחת אספן עדיין כדי לייצב את המטוס ללא תנועה למשך 5 דקות. הסר את הערימה של חומר לפני התחלת הדפסה חדשה.
- השתמש הסמנים בלוח המקשים כדי להזיז את ראש ההדפסה מעל הנקודה שבה יתחיל G-קודי.
- להתחיל את-G-Code התוכנה על המחשב.
4. התאמת קוטר סיבים
- לשמור על המרחק עובד (12 מ מ) את בקרי טמפרטורה (82 ° C ו- 65 ° C עבור האזור spinneret ואת המזרק, בהתאמה) על רמה קבועה, כפי שתואר קודם, צעדים 2.4 ו- 2.5.
הערה: סיכום של התאמת קטרים שונים נתונה בטבלה3. - הדפס סיבים עם קטרים בגודל קטן (3-10 מיקרומטר). להקטין את רמת הלחץ אוויר לבר 0.8, להתאים את מתח המופעל 8 kV ולהגדיר האספן מהירות 1700 מ"מ/min.
- הדפסה סיבים בינונית בגודל קטרים (10-20 מיקרומטר). להתאים את לחץ האוויר ברמה של 1.5 בר, קבע מתח ל 11 kV התחתונה האוסף מהירות עד 1200 מ מ/דקה.
- הדפס סיבים עם קטרים גדולים (20-30 מיקרומטר). להעלות את רמת הלחץ אוויר בר 2.6, לשנות את מתח המופעל ל-12 kV ומצמצמים האוסף מהירות 700 מ מ/דקה.
5. סילון אופטימיזציה
- להאיר את המטוס עם LED חזקה אור מחוץ למתחם עבור ניראות משופרת.
- לצפות את ההתנהגות של הסיבים במשך דקה אחת ולהתאים את הפרמטרים המערכת כדי למטב את תהליך צעדים קטנים, כלומר 0.1 kV עבור מתח המופעל, 100 מ מ/דקה עבור אוסף מהירות ובר 0.1 על לחץ אוויר.
הערה: סיכום נתונה בטבלה4. - ייצוב מעת לעת מנסה להסיט מישהו התנהגות על ידי הפחתת לחץ האוויר, הגדלת המהירות וצמצום המתח עד נתיב הטיסה של סיבי דומה עיקול של כאטאנארי יציב יותר מ 3 דקות.
- תקן את נתיב הטיסה של לקרטע מאחורי jet על-ידי הגדלת המתח, הפחתת לחץ האוויר, הפחתת המהירות של האספן. להחיל אמצעים אלו עד נתיב הטיסה של סיבי חוזר לצורה של כאטאנארי עקומה.
- הימנע סיבי הנסיעה אנכית לכיוון האספן על ידי הפחתת המתח יישומית, הגדלת המהירות של האספן והגברת לחץ האוויר עד נתיב הטיסה של המטוס שומרת על צורת העקומה של כאטאנארי שוב.
6. לגרדום אוסף
- פתח את הדלת לאחר סיום ההדפסה, השתמש הסמן כדי להזיז את הצלחת אספן לעבר הדלת לנגישות יותר.
- לרסס לגרדום עם אתנול 70% (vol/כרך) לערבב ולחכות 10 שניות עד שזה בעליל לניתוק האספן.
- לאסוף לגרדום גמור על ידי גרירה קצה אחד עם פינצטה והרמתו מהמתחם.
7. פתרון בעיות
- להפחית את מתח המופעל או יפתח את הדלת מיד אם יש ניצוץ בין את spinneret גלוי או רעש פיצוח נשמעים.
- הסר כל חומרים מסוכנים ונוזלים כגון אתנול 70% (vol/כרך) מהחלק הפנימי של המארז כמו שריפה עלול להצית במקרה של sparking פוטנציאליים.
- לתכנת את-G-Code בהתאם שזז spinneret מחוץ לאזור שבו מודפס לגרדום לאחר כל השכבות נעשים. זה מונע הצטברות חומרים מעל לנקודת איפה spinneret סוף סוף עוצר.
- בדוק את spinneret תחת זכוכית מגדלת וודא כי אין נזק כדי spinneret כל כך ישפיע הדבר באופן משמעותי על אחידות קונוס טיילור.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
שתי שיטות שונות של אוסף משמשות בדרך כלל גרז'י, אשר הם אוסף שטוח ואוסף מוט. ארכיטקטורות וכתוצאה מכך תלויות התכנות של קוד ה-G-(טבלה 2), אשר מבוצע על ידי התוכנה.
אוסף שטוח
החלת אספנים שטוח מתייחס השיטה הנפוצה ביותר ואסטמה ומקילה על העדות הישירה של חומר מתייחס מתוכנתים מראש-G-code. 0/90 ו- 0/60 מבנים בגדלים שונים זוכים לתהודה בספרות. יתר על כן, היכולת של ישירות הפקדת סיבי מותכת על האספן גם מקלה על הייצור באופן אקראי עדיין מאורגנים מבנים כאשר אספן שטוח בדוגמת משמש במקום אחד חלקה14.
צינורי
יש ביקוש גדול לייצור של פיגומים עם הכרישים ארכיטקטורות ליישומים טה. מיו היא שיטה יעילה כדי להשיג פיגומים צינורי עם נקבוביות מותאמים אישית על-ידי ניצול אספנים גלילי. אלה לסובב לאורך ציר משלהם, תוך תרגום לאורך הציר של מוט. באמצעות כוונון עדין של G-Code, את הסיבוב, כמו גם המהירות translational נקבע, ניתן להתאים אישית את הכיוון של הסיבים. כשעוצמת מהירויות גבוהות יותר מאשר במהירויות translational להוביל בצורה רדיאלית חוקיים נקבוביות ולהיפך. המספר הכולל של שכבות, והפצה של המורפולוגיה של שהנקבוביות הן להגדיר את התכונות המכאניות של לגרדום. הקוטר הפנימי של לגרדום צינורי ייקבעו לפי הקוטר החיצוני של מוט מיושמים.
איור 1 : הגדרת גרז'י. (א) כולל מחשב, יחידת ההדפסה ואת תיבת בקרת חשמל (B) בראש האספן (C) הסיבים שלב הטיסה מאוזנת, איור (D) סכימטי של קונוס טיילור. (E) מראה סכימטי של מדפסת ורשימות חמש הרווחת ביותר מערכת הפרמטרים, כולל "יישומית מתח" (מחולל מתח גבוה), "טמפרטורה" (בקר טמפרטורה), "אוויר בלחץ" (וסת הלחץ), ("עבודה מרחוק" התאמת דרך הבית תוכנן ציר z להזזה) ומהירות "אוסף" (X ו- Y מיצוב שקופיות). (F) מדגים את העיצוב של מערכת בידוד בתוך ראש ההדפסה באמצעות קלטת פוליאמיד עמידים בחום. פעולה זו מונעת הפרוסים כקשת בין "גוף החימום 1" טעון "פליז חלק". אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2 : פיגומים שונים מפוברק עם אספן שטוחה (א), סריג 0/90 (B), השבכה אותו ברזולוציה גדולה יותר (C). (ד) מדגים מבנה 0/60 ו- (E) מבנה באופן אקראי מבוקר.אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3 : לראווה של פיגומים צינורי שונים, תמונה ייצוגית בהתאמה אחת מן סורקת מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
| פיברובלסט עורי חדירה של פיגומים poly(ε-caprolactone) מפוברק מאת להינמס electrospinning במצב כתיבה ישירה (Farrugia et al, 2013)4 || שטוח |
| פיברובלסט עורי נזרע PCL גרז'י פיגומים יוערכו חדירה לתא. |
| מודל רקמות מהונדסים xenograft humanized של גרורות סרטן השד אנושי עד העצם (Thibaudeau et al, 2014)15 || צינורי |
| פיגומים גרז'י צינורי משמשים ליצירת עצם חוץ רחמי 'איברים אפשרי' במודל של עכברים ללמוד גרורות סרטן השד אנושי העצם. |
| מנגנונים תלויי מין ביות של האדם סרטן הערמונית גרורות ברקמה מהונדסים עצם (Holzapfel et al, 2014)16 || צינורי |
| פיגומים גרז'י משמשים ליצירת עצם רקמות מהונדסים למחקר סרטן הערמונית. |
| שיפור המבנית של hydrogels על-ידי שימוש מאורגן מאוד: להמיס בונה fibre electrospun (Bas ואח ', 2015)17 || שטוח |
| פיגומים גרז'י עם דפוסים שכב-מטה שונים ומשמשים poresizes כדי לשפר את הפונקציונליות מכני של hydrogels רך. |
| חיזוק של hydrogels באמצעות microfibres three-dimensionally המודפס (ויסר ואח ', 2015)18 || שטוח |
| Hydrogels מבוססי ג'לטין רך מחוזקות עם פיגומים גרז'י PCL. |
| להמיס electrospinning על גבי גלילים: השפעת קוטר הסיבוב המהירות והגובה על המורפולוגיה של מבנים צינורי (Jungst et al, 2015)6 || צינורי |
| השפעת מהירויות translational המסתובבת על המורפולוגיה הסופי של פיגומים גרז'י צינורי נחקרות באופן שיטתי. |
| באופן היררכי מובנה hydrogels poly(2-oxazoline) נקבובי (Haigh et al, 2016)19 || שטוח |
| פיגומים גרז'י משמשות כתבנית ההקרבה ליצירת רשת היררכית נקבוביות 3D בתוך הידרוג. |
| א מאומת במודל חיה פרה למחקר סרטן העצמות העיקרי (וגנר et al, 2016)20 || צינורי |
| פיגומים גרז'י משמשים ליצירת מבנים humanized רקמות מהונדסים למחקר פרה על גידולי עצם הראשי. |
| הנדסת רקמות קרום העצם orthotopic vivo פלטפורמה (בולדווין ואח ', 2017) 21 || צינורי |
| לפיגום multiphasic המורכב רשת גרז'י ו של הידרוג מפותחת ליישומים התחדשות רקמות קרום העצם. |
| מטרולוגיה תלת-ממדי של התא-מטריקס אינטראקציות 3D microscale סובסטרטים סיביים (Tourlomousis ו- צ'אנג 2017)22 || שטוח |
| תא-מטריקס אינטראקציות נחקרות על פיגומים גרז'י עם ארכיטקטורות שונות. |
| מטריצה חוץ-תאית Endosteal כמו הבעת להמיס electrospun נכתב לגרדום (Muerza-Cascante et al, 2017)23 || שטוח |
| פיגומים גרז'י PCL משמשים לפיתוח של רקמת עצם דמוי endosteal מקדם הצמיחה של תאי גזע ראשי haematopoietic האנושית. |
| 3D מודפס סורגים כמו פלטפורמת הפעלה והתרחבות עבור טיפול בתאי T (Delalat et al, 2017)24 || שטוח |
| פיגומים עם סיבים שונים מרווח (200 מיקרומטר, מיקרומטר 500 ו- 1000 מיקרומטר) functionalised פני השטח, נזרע עם תאי T להרחבת. |
| Biofabricated תערובת רכה רשת של רקמת סחוס הנדסה (Bas ואח ', 2017)25 || שטוח |
| ביונים מרוכבים רשת רך המורכב מטריצה הידרוג וחיזוק רשתות גרז'י המיועד לתיקון הסחוס במפרק מדווחים. |
| באמצעות ממשק מדויק הנדסה לקראת bioinspired מרוכבים עם processability הדפסה תלת-ממדית משופרת, תכונות מכניות (Hansske et al, 2017)26 || שטוח |
| מגנזיום פלואוריד nanoparticle מחוזק PCL פיגומים מפוברק על-ידי מיו הן ופיתח עבור יישומי הנדסה רקמת העצם. |
טבלה 1: הפניות רשימה של מחקרים, אשר גרז'י פיגומים היו מפוברק, עבור יישומים ביולוגיים. הרשימה מספקת תוצאות של פיגומים שטוח, כמו גם צינורי מיושמים.
בטבלה 2: הסבר על תכנות של G-Code עבור צינורי ושטוח פיגומים, באמצעות קובץ טקסט (. txt) כדי לטעון לתוכנה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של השולחן הזה.
טבלה 3: נציג ערכי הפרמטרים של אוויר מהירות לחץ, מתח, אוסף (טמפרטורה ואיסוף מרחק קבוע) כדי להגיע שלושה טווחי קוטר שונה (קטנים, בינוניים וגדולים). החיצים האדומים להציע ערכים המדויק בתוך הקטגוריות המתאימים כדי להגיע על הקוטר סיבים.אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של טבלה זו.
בטבלה 4: איור סכמטי של תיקים שונים והתמונות אמיתיות של סיבים אפשרי התצהיר גרז'י, כמו גם אמצעים כדי למטב. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של השולחן הזה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
שילוב בבוקר על מנת למצוא פתרונות חדשניים לאתגרים בתחום הרפואי מציג פרדיגמה חדשה עבור המאה ה-21סנט . השדה כביכול של "ביו-ייצור" נמצאת בעלייה ולאפשר חידושים בטכנולוגיות ייצור הייצור של ארכיטקטורות מתוחכם ליישומים טה. Electrospinning של הפולימר נמס במצב כתיבה ישירה (מיו כאן) נתפסת כאחד המועמדים ייצור המבטיחים ביותר להיענות לצרכים של הקהילה טה, איפה מבנים המסודרת של חומרים מסתיימים מיקרון כדי ננו נדרשת27.
ערכת לימוד זו שמטרתה יצירת הידע הבסיסי של פעולות מיו על ידי העקרונות הפיזי ועל הדגמת שלבי פעולה כדי לייצר פיגומים לשחזור באמצעות טכנולוגיה זו.
מאז העקרונות הכלליים של מיו דומות לאלה של טכנולוגיות הייצור מוספים קונבנציונאלי, קרי תצהיר יישוב של חומר מעוקם בצורה שכבה אחרי שכבה, זה הכרחי כדי לשלוט על תנועת היחסי בין הראש ו אספן. מהניסיון שלנו, אנו ממליצים על העבודה עם התקנים גרז'י לשמור על ראש קבוע, ואילו התנועה בהתאמה של האספן נעשית על ידי בשלבים (X ו- Y). ראש מקובעים נשאר במצב יציב, אינו יוצר קנטית כוחות, אשר פועלים על קונוס טיילור, שעשויה להוביל הפרעות במהלך הקמתה. בנוסף, החיווט הקשורים עם מתח גבוה, מחממים אינה כפופה מתמשכת תנועה שחוזרת על עצמה. התנועה אספן מוגדרת על ידי G-Code, אשר יש לטעון לתוכנה. קוד זה, המכונה גם ר'-274, משמש בשדה הייצור בעזרת מחשב כדי לשלוט נתיב השיט של כלים. עבור יישומים גרז'י עם אספנים שטוח, קובץ ה-G-Code קובע את התנועה ואת מהירות ב- X ו- Y כיוון; עבור אספנים גלילי או מוט יישומים, הקובץ-G-Code מגדיר translational (X כיוון) והן המסתובבת מהירויות. בטבלה 2 מסביר התכנות של G-code בפירוט רב יותר.
בהשוואה לטכנולוגיות ייצור מוספים אחרים, מיו מאפשר הזיוף של סיבים עם קטרים שונים לפי ההתאמה של מערכת פרמטרים טמפרטורה, מהירות אוסף, מתח המופעל, כמפורט בפרוטוקול.
כדי להשיג את סיבי קטנות (3-10 מיקרומטר), מומלץ להשתמש לחצים נמוכים, המתחים מתונה ומהירויות גבוהות אוסף. באופן כללי, לחץ מופחת מוביל מסה פחות בולטת. כל זה מלווה ירידה התואם פני השטח של המטוס. לפיכך, קטן יותר אלקטרוסטטית כוחות נדרשים כדי להאיץ את המסה של הסיבים לכיוון האספן, כלומר מתח נמוך צריך להיות מיושם. בנוסף, דומה במהירויות גבוהות אוסף להוביל מתיחה משופרת של הסיבים, גורם להפחתה נוספת של הקוטר סיבים הסופי.
הגדלת הלחץ גורם זרימה גדולה יותר של פולימר מותכת ומוביל לפיכך, סיבים גדולים קטרים (10-20 מיקרומטר). במקרה כזה, כוח אלקטרוסטטי גדול יותר נדרש כדי לפצות על פני השטח פולימר מוגדלת (סיבי עבה יותר). על מנת לקבל זרם סילון פולימר יציב, מתח חייב להשתנות, מהירות אוסף צריך להיות מופחת.
קטרים גדולים סיבים (20-30 מיקרומטר) דורשים פולימר משופרת שחול, כלומר גבוה יותר לחץ אוויר. זה מעורר סיבי עבה יחסית, הוא הציע להיות מיושם בשילוב עם מתח גבוה יותר כדי לספק מספיק כוח אלקטרוסטטי הסיבים. בנוסף, מהירויות איסוף מופחתת לגרום פחות סיבים מתיחה. סיכום נתונה בטבלה3.
בכל 3 המקרים הנ ל, עם זאת, עדיין דורשים בהתאמה מדויקת, אופטימיזציה כדי לשמור על עיקול של כאטאנארי יציב בצורת סיבים לאורך זמן, הסביר בפרוטוקול. בגרז'י, רק שיווי משקל מאוזן בין הכוחות הקובע את הזרימה של הפולימר המוני לבין כוחות מושכים את המטוס לעבר האספן יוביל בסופו של דבר להגיע לגרדום עקבי מורפולוגיות 12,28 . לפיכך, פערים של הנתיב של המטוס משקפים סטיות חזקה של סיבים בקוטר או התצהיר לא מדויק. מהניסיון שלנו, ניתן להשיג שלוש וריאציות שונות בהתנהגות.
ראשית, סיבים יכולים דופק, תופעה בתחילה שדווחו על-ידי קבוצה דלטון12. הפצה בלתי מאוזן בין נמסר מסה ו בהתאמה גרירה-כוחות על תוצאות סיבי בגביע טיילור overfed כל הזמן, אשר מפיצה פולימר שהצטברו. זה גורם משמעותי השתנות הזוויות של מסלול, תוצאות שונות קטרים.
שנית, פיגר אחריו המחושמל סילון מתרחשת כאשר המהירות של האספן הוא גבוה יותר מאשר המהירות ההבלטה של המטוס. בתצהיר הסופית של המטוס קורה רחוק מן הכיוון האנכי של spinneret, גורם זרם סילון לקרטע. מסלול הטיסה דומה של עקמומיות overemphasized, אשר גם ממזערת את הממדים של לפיגום המודפס.
שלישית, מטוס סילון חשמלית buckling נגרמת על ידי השפעת בניצב המטוס אספן ועל מניפסטים, כאשר המהירות אספן מוגדר איטי יותר מאשר המהירות שבה המטוס הוא זורם spinneret. החלת מתח גבוה יכול גם לגרום קריסה, על ידי ייצור האצה מוגזמת כלפי האספן נתיב טיסה ישר של סיבי. בתצהיר רצויה של לולאות הוא ציין במקרה זה.
האמצעים לייצב מחדש את התהליך ניתנים לאורחים בפרוטוקול, שמוצג בטבלה4.
מנקודת המבט של יישום לגרדום, קיימים יתרונות רבים בעת שימוש PCL, מיו, כימי, הפארמצבטית דרך כתיבה ישירה או התאמה מוגדרות מראש של ארכיטקטורות וכתוצאה מכך. מיו יכול להתבצע על כל ספסל מעבדה המקובלת, שכן הוא משתמש ללא מרכך הפולימר נמס, ולכן היא אינה דורשת מיגון יקר או ממצה מיחזור של חומרים שיורית29. אין שום ריח בעת הזנת חדר המכיל גרז'י התקנים.
בנוסף, משטח גבוהה השגה יחס נפח בתוך לפיגום נקבובי הוא יתרון גדול והופכת פיגומים מיו גם מתאים עבור יישומים ביולוגיים30.
לעומת טכנולוגיות הדפסה 3D ידועים, כגון התמזגו התצהיר דוגמנות31, מיו יש מגבלות הייטס להדפסה של מבנים מסודרות.הסיבה נתפסת בתהליך הטבועה של החלת כוחות אלקטרוסטטית, אילו מלכודות ניידים לטעון נושאות בתוך הסיבים הופקדו. ברגע הגובה של פיגומים עולה כ- 4 מ מ, הוא דיווח כי סכום החיוב עודף שהצטברו בתוך המעשים לגרדום בהדיפת עבור סיבי הקרובה32. לאחר מכן, ברוב המקרים, הרבדים העליונים וכתוצאה מכך באופן משמעותי מעוותים.
הבדל נוסף קונבנציונאלי טכנולוגיות הדפסה 3D טמון בעובדה כי לא יכול להיות מופרע בתצהיר של חומר בתהליך, אך ורק עוצר בסופו של דבר את כל הפרמטרים מערכת מחזיק חומרים. זה מייצג מגבלה עיצוב, חייב להיחשב כשאתה מתכנת את-G-Code. בזמן הקבלה jet יכול להיות המבוצעת באופן מכני33, G-Code תכנות צריך לשקול גישה ישירה-כתיבה רציפה.
הגדלת יעילות התפוקה ותהליך של מיו גם נשאר אתגר, מייצג את הסיבה העיקרית התצוגה שלנו ואת האחרים של למה הטכנולוגיה הזאת לא היה קנה המידה למעלה ברמה תעשייתית עדיין34. ראשית, תהליך גרז'י הוא מטבעו נמוכה תפוקה בשל זרם נמוך המחירים ומהירויות אוסף מצומצם. שני היבטים, עם זאת, חיוניים כדי להבטיח התצהיר מבוקרת של מטוס ושל הפארמצבטית הכתב. אכן, המהירות המרבית אוסף במהלך תהליך ההדפסה היא מוגבלת לגבולות הפיזיים של החומר המשמש, קרי במהירויות גבוהות מדי יגרום שבירה של המטוס כוחות גרירה חורגים הגבולות האפשריים. אסטרטגיה נוספת כדי בקמות מסתמך על באמצעות הבלטת ממד מולטי גרז'י התקני, דהיינו מכונות עם ראשי הדפסה מרובים במרחק קרוב אחד לשני; עם זאת, הראשים רב לגרום הפרעות בין השדה החשמלי של כל ראש, לאחר מכן לעוות את התצהיר של סיבים הסופי35. להמיס needleless electrospinning ראשי יצרו מספר משמעותי של מטוסי המחושמל36, למרות השליטה על המיקום המדויק של הסיבים בכתב ישיר יכול להיות קשה להשיג. התפתחויות עתידיות לקראת הגדלת היעילות של מיו, עם זאת, ולא רק לטובת הקהילה הביו-רפואית, אלא גם הענפים של סינון, טקסטיל או יישומים עבור אנרגיה2.
למרות במדריך זה מספק קווים מנחים כדי לבדות פיגומים אישית תחת קביעות הפרמטר המוצע, יש לציין כי קטין יחסי תלות תנאי הסביבה בטמפרטורת החדר או לחות קיימים, עלול להוביל לא מכוונות סטיות37. התוצאות שהוצגו במדריך זה מבוססים על ידע שנצבר בקבוצת Hutmacher, שנערך בתנאי סביבה יציבה בתוך החללים מעבדתית מבוקרת.
PCL הוא המועמד הבולט ביותר של מיו. מנקודת מבט הנדסה, נקודת התכה נמוכה שלה (60 ° C) הוא מועיל כמו זה אינו דורש יישום מאתגר של חימום בטמפרטורה גבוהה (> > 100 ° C) קרוב מרחק למקורות מתח גבוה. במישור הנדסת חומרים, PCL הוא מוליך למחצה ומספק לכידות macromolecular חזק כמו נוזל והן בתור מוצק. למרות מתיחת מכני חזק, החומר צמיגה אג ח במידה מסוימת, אשר מתבטא סיבים בולט דילול בעת הגדלת מהירות אספן או להחיל מתח. להמיס קונבנציונלי electrospinning בלי לזוז אספנים דווח עם פולימרים שונים, כגון פוליפרופילן, פוליאתילן או ניילון9. היישום של עקרונות כתיבה ישירה אולם, בעיקר דווחה עם PCL ולהוריד כמה תערובות PCL עם תוספים נוספת שלו צמיגות38, אם כי יש חריגים39,40. בעתיד, עם זאת, נוכל לחזות מגוון רחב יותר של חומרים שעובדו על-ידי מיו זה, בתורו, מקנה שהשדרוג של רכיבי חומרה של טכנולוגיה זו, כמו למשל עיבוד פוליפרופילן (נקודת התכה ב 160 ° C) הפיצולים הדרישות הטכניות הנוכחי של החומרה של התקנים מיו.
עניין גדל והולך פיגומים פולימריים מסתיימים עם ארכיטקטורות לשליטה ומדויק מאוד קיים; מיו, עד כה, מייצג את הטכנולוגיה היחידה, אשר, לעומת טכניקות אחרות biomanufacturing, הוא מסוגל בדיית הורה ארכיטקטורות בטווח התחתון של מיקרון (עם חריגים טווח תת מיקרון41). בתוך כך להוביל כמות גדל אקספוננציאלית של פרסומים ופטנטים30השנים האחרונות. לכן, התמודדות עם מורכבות טכנית באמצעות יישום של אופטימיזציה חומרה, הקמת בתהליך השליטה גרז'י הוא בעל חשיבות רבה. זה יקל את הייצור של פיגומים עם ארכיטקטורות המותאמים למגוון רחב של יישומים בעתיד.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו היא כלכלית נתמכה על ידי ה-CRC מרכז מחקר שיתופי תא טיפול ייצור, מחקר אוסטרלי המועצה מרכז קשת תוסף Biomanufacturing, המכון ללימודים מתקדמים של אוניברסיטת מינכן טכני. מחקר זה נערך על ידי אוסטרלי מחקר מועצה תעשייתית טרנספורמציה מרכז ההדרכה תוסף Biomanufacturing http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026). בקר באתר של מאמרים, ספרים, תוכניות טלוויזיה או רדיו, מדיה אלקטרונית או כל יצירות ספרותיות אחרות הקשורים לפרוייקט. המחברים בתודה מאשר מריה Flandes Iparraguirre לתמיכה לצלם, פיליפ האברד עם הקול, לואיזה גרוסמן צילום ועריכה.
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).
