Summary
यह प्रोटोकॉल एक व्यापक दिशानिर्देश के रूप में कार्य करता है बहुलक के साथ electrospinning के माध्यम से पाड़ों बनाना एक प्रत्यक्ष लेखन मोड में पिघला देता है । हम व्यवस्थित प्रक्रिया रूपरेखा और लक्षित पाड़ आर्किटेक्चर को प्राप्त करने के लिए उपयुक्त पैरामीटर सेटिंग्स को परिभाषित ।
Abstract
इस ट्यूटोरियल मौलिक सिद्धांतों और electrospinning लेखन के लिए दिशानिर्देश बहुलक के साथ पिघला देता है, जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए महान क्षमता के साथ एक additive विनिर्माण प्रौद्योगिकी पर प्रतिबिंबित करता है । तकनीक को उप माइक्रोन के लिए माइक्रो स्केल रेंज में अच्छी तरह से आदेश पाड़ बनाने के लिए संगत बहुलक फाइबर के प्रत्यक्ष जमाव की सुविधा । एक spinneret और एक कलेक्टर के बीच एक स्थिर, viscoelastic, बहुलक जेट की स्थापना एक लागू वोल्टेज का उपयोग कर हासिल की है और प्रत्यक्ष लिखा जा सकता है । एक ठेठ छिद्र का एक महत्वपूर्ण लाभ सुपाड़ा एक उच्च सतह से मात्रा अनुपात जो सेल लगाव और विकास के लिए प्रभावी आसंजन साइटों में वृद्धि प्रदान करता है । मुद्रण की प्रक्रिया को नियंत्रित करने के द्वारा ठीक ट्यूनिंग प्रणाली मापदंडों उच्च reproducibility मुद्रित पाड़ों की गुणवत्ता में सक्षम बनाता है । यह भी उपयोगकर्ताओं के लिए एक लचीला विनिर्माण मंच प्रदान करता है उनके विशिष्ट आवश्यकताओं के पाड़ों के रूपात्मक संरचनाओं दर्जी । इस प्रयोजन के लिए, हम प्रवाह दर, वोल्टेज और संग्रह की गति सहित मापदंडों का एक निर्देशित संशोधन के साथ पिघल electrospinning लेखन (बीजेएस) का उपयोग कर विभिन्न फाइबर व्यास प्राप्त करने के लिए एक प्रोटोकॉल पेश करते हैं । इसके अलावा, हम प्रदर्शन कैसे जेट का अनुकूलन करने के लिए, अक्सर तकनीकी चुनौतियों का अनुभव चर्चा, समस्या निवारण तकनीकों की व्याख्या और प्रदर्शन मुद्रण योग्य पाड़ वास्तुकला की एक विस्तृत श्रृंखला ।
Introduction
कोशिकाओं के लिए तीन आयामी (3d) जैव संगत संरचनाओं का निर्माण ऊतक इंजीनियरिंग (TE) के लिए additive के विनिर्माण के महत्वपूर्ण योगदानों में से एक है, अनुकूलित जैव सामग्री, कोशिकाओं को लागू करने के द्वारा ऊतकों को बहाल करने के लिए लक्ष्य, रासायनिक कारकों, या उनमें से एक संयोजन । इसलिए, ते अनुप्रयोगों के लिए पाड़ों की मुख्य आवश्यकताओं में शामिल हैं: manufacturability से सुसंगत सामग्री, लक्षित सेल आक्रमण और बढ़ाया सेल बातचीत के लिए अनुकूलित सतह गुणों के लिए नियंत्रणीय रूपात्मक गुण से 1.
बीजेएस एक विलायक मुक्त विनिर्माण तकनीक है कि additive के निर्माण के सिद्धांतों को जोड़ती है (अक्सर 3 डी प्रिंटिंग कहा जाता है) और अत्यधिक आदेश दिया ultrathin फाइबर morphologies के साथ बहुलक जाल के उत्पादन के लिए electrospinning2। यह एक सीधा लेखन दृष्टिकोण है और सही ढंग से जमा फाइबर के अनुसार कार्यक्रम कोड3, जी कोड के रूप में भेजा । पिघल electrospun निर्माण वर्तमान में एक फ्लैट4,5 या एक खराद6,7 कलेक्टर का उपयोग कर तैयार कर रहे है छिद्रित फ्लैट और ट्यूबलर पाड़ों, क्रमशः बनाना ।
इस तकनीक को करने के लिए महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करता है ते और अपक्षयी दवा (RM) समुदाय की संभावना के कारण सीधे प्रिंट चिकित्सा ग्रेड पॉलिमर, जैसे पाली (ε-caprolactone) (PCL), जो उत्कृष्ट जैव संगतता8प्रस्तुत करता है । अंय लाभ के लिए porosity के आकार और वितरण को अनुकूलित करने की संभावना है, एक उच्च संगठित तरीके से तंतुओं जमा करने के लिए ऊंची सतह से मात्रा अनुपात के पाड़ों बनाना । इससे पहले कि बीजेएस प्रदर्शन किया जा सकता है, बहुलक पहले9गर्मी के आवेदन की आवश्यकता है । एक बार एक तरल पदार्थ राज्य में, एक लागू वायु दबाव बलों यह एक उच्च वोल्टेज स्रोत से जुड़ा है कि एक धातु spinneret के माध्यम से बाहर प्रवाह करने के लिए । सतह तनाव और electrostatically के आकर्षण के बीच बल संतुलन जमीनी कलेक्टर को छोटी बूंद का आरोप लगाया एक टेलर एक जेट के इंजेक्शन के बाद शंकु के गठन की ओर जाता है10।
चित्र और इस प्रोटोकॉल के लिए उपयोग किए गए इन-हाउस बिल्ड बीजेएस डिवाइस का एक योजनाबद्ध आरेखण चित्र 1में दिखाया गया है । यह अतिरिक्त टेप अछूता का उपयोग करने हीटिंग तत्वों और विद्युत चार्ज पीतल spinneret आसपास के भाग के बीच विद्युत स्राव से बचने के सिद्धांतों को दर्शाता है । अपर्याप्त इंसुलेशन कार्यांवित हार्डवेयर की आंतरिक क्षति के लिए नेतृत्व करेंगे ।
तीन प्रणाली मापदंडों के समायोजन पर निर्भर करता है (तापमान, संग्रह की गति और हवा के दबाव), बीजेएस अलग व्यास के साथ फाइबर के निर्माण में सक्षम बनाता है, चर्चा अनुभाग में समझाया. अधिकांश मामलों में, हालांकि, ठीक ट्यूनिंग और जेट का अनुकूलन एक स्थिर जेट बाहर निकाल दिया जाएगा करने से पहले आवश्यक हो जाएगा । विद्युतीकृत यात्रा जेट के दृश्य एक प्रभावी तरीका है निरंतरता और प्रक्रिया की एकरूपता सत्यापित करने के लिए है । एक आदर्श स्थिति में, फ़्लाइट पथ एक झूलना वक्र सिस्टम पैरामीटर11द्वारा नियंत्रित बल संतुलन के परिणामस्वरूप प्राप्त होता है । इसके अलावा, सूक्ष्म और पाड़ों की स्थूल संरचना बहुलक जेट12के उड़ान पथ पर निर्भर है । अलग झुकाव व्यवहार और अनुकूलन के लिए उपायों की एक विस्तृत तालिका चर्चा अनुभाग में दिया जाता है ।
वर्तमान अध्ययन में, हम बीजेएस प्रौद्योगिकी का उपयोग अत्यधिक नियंत्रित रेशेदार पाड़ों के निर्माण के लिए निर्माण कदम का वर्णन करता है कि एक प्रोटोकॉल पेश करते हैं । इस काम में, चिकित्सा ग्रेड pcl (आण्विक वजन 95-140 किग्रा/) का उपयोग किया गया था, के रूप में इस चिकित्सा ग्रेड pcl तकनीकी ग्रेड पर शुद्धता में सुधार हुआ है, और इसके यांत्रिक और प्रसंस्करण गुण बीजेएस के लिए उत्कृष्ट हैं । PCL के व्यापक पिघल प्रसंस्करण रेंज अपने कम पिघलने बिंदु (६० डिग्री सेल्सियस) और उच्च थर्मल स्थिरता से उत्पन्न होती है । इसके अलावा, PCL एक धीमी दर biodegradable बहुलक है, जो यह कई ऊतक इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए एक उत्कृष्ट सामग्री बनाता है13।
इस अध्ययन के लिए, तापमान और कलेक्टर दूरी लगातार रखा जाएगा (६५ ° c और सिरिंज और spinneret तापमान (क्रमशः) के लिए ८२ डिग्री सेल्सियस और कलेक्टर दूरी के लिए 12 मिमी); लागू वोल्टेज, कलेक्टर गति और हवा के दबाव बहरहाल, लक्षित व्यास के साथ फाइबर बनाना विविध जाएगा । बीजेएस पाड़ों का उपयोग कर प्रकाशित अध्ययनों की एक विस्तृत सूची परिणाम अनुभाग में प्रदान की जाती है और ते और RM (तालिका 1) के क्षेत्रों के लिए विभिन्न अनुप्रयोगों का पता चलता है.
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Protocol
1. सामग्री की तैयारी
- एक कीप के साथ एक 3 मिलीलीटर प्लास्टिक सिरिंज में PCL के 2 जी भरें और खुले अंत में एक पिस्टन डालें ।
- 8 घंटे के लिए ६५ ° c में एक गरम ओवन में सिरिंज प्लेस. टिप ऊपर की ओर बिंदु खोलने के लिए कुल करीब करने के लिए हवा के बुलबुले की अनुमति के लिए ।
- पिघला हुआ सामग्री के भीतर फंस हवा जारी करने के लिए एक पतली वस्तु के साथ पिस्टन पुश ।
- यह कमरे के तापमान, जो जब बहुलक पारदर्शी नहीं है और 10 मिनट के बाद अब हासिल की है के लिए शांत हो जाओ ।
- जब तक यह प्रयोग किया जाता है एक सूखी और अंधेरे वातावरण में कमरे के तापमान पर PCL पूर्व लोड सिरिंज की दुकान ।
2. हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर सेटअप
- एक 23G फ्लैट इत्तला दे दी सुई (spinneret) सिरिंज और दूसरे छोर पर एक बैरल एडाप्टर के लिए हवा के दबाव प्रणाली के लिए सिरिंज कनेक्ट अनुलग्न करें ।
- प्रिंट सिर में सिरिंज प्लेस और इसे नीचे प्रेस जब तक spinneret टिप सिर के नीचे की ओर पीतल के हिस्से से 1 मिमी बाहर खड़ा है ।
- मंच पर एक कलेक्टर माउंट और सतह साफ के रूप में के रूप में अच्छी तरह से ७०% के साथ प्रिंट सिर (vol/
- spinneret और कलेक्टर के बीच एक 12 मिमी उच्च वस्तु स्थिति से काम की दूरी निर्धारित करें और spinneret टिप तक प्रिंट सिर कम सिर्फ यह छू लेती है ।
- ८२ डिग्री सेल्सियस और spinneret क्षेत्र और सिरिंज के लिए ६५ डिग्री सेल्सियस के लिए बिजली के बॉक्स में तापमान नियामकों को समायोजित, क्रमशः और उन्हें शक्ति PCL पिघल करने के लिए पर.
- जब तक बहुलक पिघला हुआ है और १.८ बार के लिए नियामक की स्थापना के द्वारा हवा का दबाव आरंभ करने के लिए ंयूनतम 10 मिनट के लिए रुको ।
- आकार और आकार, अंतर-रेशा दूरी और पाड़ की परतों की संख्या और प्रक्रिया की वसूली की गति को परिभाषित करने के लिए जी-कोड तैयार करें ।
नोट: फ्लैट और ट्यूबलर पाड़ों के निर्माण के लिए एक विस्तृत टेम्पलेट चर्चा अध्याय (तालिका 2) में प्रदान किया गया है । - डबल-मैन्युअल रूप से जाँच करें कि सभी जमीन केबल बाड़े और दीवार प्लग करने के लिए सुरक्षित रूप से जुड़े हुए हैं.
- कंप्यूटर पर सॉफ्टवेयर (उदा, मच 3) शुरू और तैयार जी कोड अपलोड करें ।
3. पाड़ निर्माण
- बाड़े, जो सुरक्षा गूंथ जोड़ता है और spinneret के लिए उच्च वोल्टेज की आपूर्ति से चलाता है के सामने दरवाजा बंद करो ।
नोट: एक बार दरवाजा खोला है, उदाहरण के लिए जब एक प्रिंट समाप्त हो गया है या एक आपात स्थिति के मामले में, उच्च वोल्टेज बूंदें और पाड़ सुरक्षित रूप से हटाया जा सकता है । - एक टेलर शंकु का गठन किया है और एक फाइबर कलेक्टर की ओर बेदखल कर रहा है जब तक ०.२ केवी चरणों में धीरे-उच्च वोल्टेज में वृद्धि ( चित्रा 1 डीमें अनुकरणीय टेलर शंकु देखें).
- अनुमति बहुलक पिघल अभी भी कलेक्टर प्लेट पर 5 मिनट के लिए आंदोलन के बिना जेट स्थिर करने के लिए बाहर निकाला जा करने के लिए । एक नया प्रिंट शुरू करने से पहले सामग्री के ढेर निकालें ।
- प्रिंट सिर को उस बिंदु के ऊपर ले जाने के लिए कुंजीपटल पर कर्सर का उपयोग करें जहां G-कोड्स प्रारंभ होंगे ।
- कंप्यूटर पर सॉफ़्टवेयर में G कोड प्रारंभ करें ।
4. फाइबर व्यास समायोजन
- काम दूरी रखें (12 मिमी) और तापमान नियामकों (८२ डिग्री सेल्सियस और spinneret क्षेत्र और सिरिंज के लिए ६५ डिग्री सेल्सियस, क्रमशः) एक निरंतर स्तर पर, चरण २.४ और २.५ में पहले वर्णित के रूप में.
नोट: विभिन्न व्यासों को एडजस्ट करने का सारांश तालिका 3में दिया गया है । - छोटे आकार के व्यास (3-10 µm) के साथ प्रिंट फाइबर । ०.८ बार के लिए हवा के दबाव स्तर को कम करने, 8 केवी के लिए लागू वोल्टेज को समायोजित करने और कलेक्टर गति सेट करने के लिए १७०० mm/
- मध्यम आकार के व्यास के साथ प्रिंट फाइबर (10-20 µm) । १.५ बार करने के लिए हवा के दबाव के स्तर को समायोजित करें, 11 केवी के लिए वोल्टेज सेट और संग्रह की गति को कम १२०० mm/
- बड़े व्यास (20-30 µm) के साथ प्रिंट फाइबर । २.६ पट्टी करने के लिए हवा के दबाव स्तर में वृद्धि, 12 केवी के लिए लागू वोल्टेज में परिवर्तन और संग्रह की गति कम करने के लिए ७०० mm/
5. जेट अनुकूलन
- बेहतर दृश्यता के लिए बाड़े के बाहर से एक मजबूत एलईडी प्रकाश के साथ जेट रोशन ।
- 1 मिनट के लिए फाइबर के व्यवहार का पालन करें और प्रणाली मानकों को समायोजित छोटे चरणों में प्रक्रिया का अनुकूलन करने के लिए, यानी लागू वोल्टेज के लिए ०.१ केवी, संग्रह की गति के लिए १०० mm/मिनट और हवा के दबाव के लिए ०.१ बार ।
नोट: तालिका 4में कोई सारांश दिया गया है । - हवा के दबाव को कम करने से समय से विक्षेपण व्यवहार को स्थिर, गति में वृद्धि और वोल्टेज को कम करने तक फाइबर की उड़ान पथ से अधिक 3 मिनट के लिए एक स्थिर झूलना वक्र जैसा दिखता है.
- वोल्टेज बढ़ने से जेट के पीछे एक विश्र्व की उड़ान मार्ग सही, हवा के दबाव को कम करने और कलेक्टर की गति को कम करने. उन उपायों फाइबर की उड़ान पथ एक झूलना वक्र आकार करने के लिए वापस ले जाता है जब तक लागू होते हैं ।
- एप्लाइड वोल्टेज को कम करके कलेक्टर की ओर खड़ी यात्रा फाइबर से बचें, कलेक्टर की गति में वृद्धि और जेट के उड़ान पथ एक झूलना वक्र के आकार फिर से बनाए रखने तक हवा का दबाव बढ़ रही है ।
6. पाड़ संग्रह
- जब मुद्रण समाप्त हो गया है और बेहतर पहुंच के लिए दरवाजे की ओर कलेक्टर प्लेट ले जाने के लिए कर्सर का उपयोग करें दरवाजा खोलो ।
- इथेनॉल ७०% के साथ पाड़ स्प्रे (vol/मिश्रण और 10 सेकंड रुको जब तक यह दिख कलेक्टर से अलग ।
- चिमटी के साथ एक किनारे कब्जाने और बाड़े से बाहर उठाने के द्वारा समाप्त पाड़ लीजिए ।
7. समस्या निवारण
- लागू वोल्टेज घटाएं या तुरंत दरवाजा खुला अगर वहां spinneret दिखाई या एक खुर शोर श्रव्य के बीच एक चिंगारी है ।
- इस तरह के एक आग के रूप में बाड़े के अंदर से इथेनॉल ७०% (vol/vol) के रूप में सभी खतरनाक सामग्री और तरल पदार्थ निकालें संभावित स्पार्किंग के मामले में प्रज्वलित हो सकता है ।
- कार्यक्रम जी-कोड तदनुसार कि spinneret क्षेत्र जहां पाड़ सभी परतों के बाद मुद्रित किया जाता है से दूर ले जाता है । इस बिंदु जहां spinneret अंत में बंद हो जाता है ऊपर सामग्री संचय से बचा जाता है ।
- एक ताल के तहत spinneret की जांच करें और सत्यापित करें कि spinneret के लिए कोई नुकसान नहीं है के रूप में यह काफी टेलर शंकु की एकरूपता को प्रभावित करेगा ।
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Representative Results
संग्रह के दो विभिंन तरीकों सामांयतः बीजेएस, जो फ्लैट संग्रह और खराद संग्रह कर रहे है में प्रयोग किया जाता है । परिणामस्वरूप आर्किटेक्चर जी-कोड (तालिका 2), जो सॉफ़्टवेयर द्वारा निष्पादित है, की प्रोग्रामिंग पर निर्भर करते हैं ।
फ्लैट संग्रह
फ्लैट लेनेवालों आवेदन सबसे आम विधि को संदर्भित करता है और सामग्री के प्रत्यक्ष जमाव पूर्व क्रमादेशित जी कोड की चर्चा करते हुए सुविधा । 0/90 और विभिंन आकारों की 0/60 संरचनाओं व्यापक रूप से साहित्य में सूचित कर रहे हैं । इसके अलावा, सीधे कलेक्टर पर पिघला हुआ फाइबर जमा की क्षमता भी बेतरतीब ढंग से अभी तक आयोजित संरचनाओं के उत्पादन की सुविधा है जब एक नमूनों फ्लैट कलेक्टर के बजाय एक चिकनी एक14का उपयोग किया जाता है ।
ट्यूबलर
ते अनुप्रयोगों के लिए ट्यूबलर आर्किटेक्चर के साथ मचानों के निर्माण के लिए एक महान मांग है । बीजेएस बेलनाकार कलेक्टरों का उपयोग करके अनुकूलित porosity के साथ ट्यूबलर मचान को प्राप्त करने के लिए एक प्रभावी तरीका है । खराद की धुरी के साथ अनुवाद करते हुए ये अपनी धुरी के साथ घुमाएँ । के माध्यम से ठीक ट्यूनिंग जी कोड, रोटेशन के रूप में के रूप में अच्छी तरह से शोधों की गति निर्धारित किया जाता है और तंतुओं के उन्मुखीकरण कर सकते हैं अनुकूलित. अनुवाद गति से उच्च रोटेशन गति रेडियल केंद्रित pores और इसके विपरीत करने के लिए नेतृत्व । परतों की कुल संख्या, वितरण और porosity की आकृति विज्ञान पाड़ के यांत्रिक गुणों को विन्यस्त करेगा. ट्यूबलर पाड़ के भीतरी व्यास को कार्यान्वित खराद के बाह्य व्यास द्वारा निर्धारित किया जाएगा.
चित्र 1 : बीजेएस सेटअप। (क) एक पीसी सहित, मुद्रण इकाई और विद्युत नियंत्रण बॉक्स (ख) सिर और कलेक्टर (सी) एक पूरी तरह से संतुलित उड़ान चरण में फाइबर और (घ) के एक योजनाबद्ध चित्रण एक टेलर शंकु. (E) एक प्रिंटर की योजनाबद्धता दिखाता है और "लागू वोल्टेज" (हाई वोल्टेज जनरेटर) सहित पांच सबसे प्रचलित सिस्टम पैरामीटर्स को सूचीबद्ध करता है, "तापमान" (तापमान नियंत्रक), "हवा का दबाव" (दबाव नियामक), "काम की दूरी" ( घर में डिजाइन जंगम जेड-अक्ष के माध्यम से समायोजन) और "संग्रह की गति" (एक्स और वाई पोजीशनिंग स्लाइड) । (च) एक गर्मी प्रतिरोधी पॉलियामाइड टेप के माध्यम से प्रिंट सिर के भीतर इंसुलेशन प्रणाली के डिजाइन को दर्शाता है । यह "ताप तत्व 1" और आरोप लगाया "पीतल भाग" के बीच arcing रोकता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्र 2 : अलग मचान एक फ्लैट कलेक्टर के साथ गढ़े (A), 0/90 जाली (B) और अधिक रिज़ॉल्यूशन (C) में एक ही जाली । (घ) एक 0/60 संरचना और (ई) एक बेतरतीब ढंग से नियंत्रित संरचना को दर्शाता है ।कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्र 3 : विभिंन ट्यूबलर पाड़ और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) से एक संबंधित प्रतिनिधि छवि के प्रदर्शन । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
| पाली के चमड़े का fibroblast घुसपैठ (ε-caprolactone) एक प्रत्यक्ष लेखन मोड में पिघल electrospinning द्वारा गढ़े पाड़ (Farrugia एट अल., २०१३)4 | | फ्लैट |
| अधययन fibroblast वरीयता प्राप्त PCL बीजेएस पाड़ों सेल घुसपैठ के लिए मूल्यांकन कर रहे हैं । |
| एक ऊतक-मानव स्तन कैंसर मेटास्टेसिस की हड्डी के लिए मानव xenograft मॉडल इंजीनियर (Thibaudeau एट अल., २०१४)15 | | ट्यूबलर |
| ट्यूबलर बीजेएस पाड़ों को मानव स्तन कैंसर मेटास्टेसिस हड्डी को अध्ययन करने के लिए एक माउस मॉडल में एक व्यवहार्य अस्थानिक ' अंग ' हड्डी बनाने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं । |
| प्रजाति-ऊतक इंजीनियर हड्डी में मानव प्रोस्टेट कैंसर मेटास्टेसिस के विशिष्ट डाक तंत्र (Holzapfel एट अल., २०१४)16 | | ट्यूबलर |
| बीजेएस पाड़ प्रोस्टेट कैंसर अनुसंधान के लिए एक ऊतक इंजीनियर हड्डी बनाने के लिए उपयोग किया जाता है । |
| अत्यधिक संगठित पिघल electrospun फाइबर का उपयोग करके hydrogels के संरचनात्मक अखंडता को बढ़ाने का निर्माण (Bas एट अल., २०१५)17 | | फ्लैट |
| अलग रखना-पैटर्न और poresizes के साथ बीजेएस पाड़ नरम hydrogels की यांत्रिक कार्यक्षमता बढ़ाने के लिए उपयोग किया जाता है । |
| hydrogels का सुदृढीकरण तीन आयामी मुद्रित microfibres का उपयोग (विसर एट अल., २०१५)18 | | फ्लैट |
| नरम जिलेटिन आधारित hydrogels बीजेएस PCL पाड़ों के साथ प्रबलित रहे हैं । |
| पिघला सिलिंडरों पर electrospinning: घूर्णन वेग और ट्यूबलर संरचनाओं की आकृति विज्ञान पर कलेक्टर व्यास के प्रभाव (Jungst एट अल., २०१५)6 | | ट्यूबलर |
| ट्यूबलर बीजेएस पाड़ों के अंतिम आकृति विज्ञान पर शोधों और रोटेशनल गति के प्रभाव को व्यवस्थित रूप से जांचा जाता है । |
| पदानुक्रमिक रूप से संरचित छिद्रित पाली (2-oxazoline) hydrogels (Haigh एट अल., २०१६)19 | | फ्लैट |
| बीजेएस पाड़ एक hydrogel के भीतर एक पदानुक्रमित 3d porosity नेटवर्क बनाने के लिए एक बलि टेम्पलेट के रूप में उपयोग किया जाता है. |
| प्राथमिक अस्थि ट्यूमर अनुसंधान के लिए एक मान्य नैदानिक पशु मॉडल (Wagner एट अल., २०१६)20 | | ट्यूबलर |
| बीजेएस पाड़ों के लिए मानव निर्मित ऊतक इंजीनियर प्राथमिक अस्थि ट्यूमर पर नैदानिक अनुसंधान के लिए निर्माण किया जाता है । |
| Periosteum में एक orthotopic में ऊतक इंजीनियरिंग vivo platform (बाल्डविन एट अल., २०१७) 21 | | ट्यूबलर |
| एक बीजेएस मेष और एक hydrogel से मिलकर एक multiphasic पाड़ periosteum ऊतक पुनर्जनन अनुप्रयोगों के लिए विकसित की है । |
| 3 डी अतिसूक्ष्म में सेल मैट्रिक्स बातचीत के आयामी मैट्रोलोजी रेशेदार सब्सट्रेट (Tourlomousis और चांग. २०१७)22 | | फ्लैट |
| सेल मैट्रिक्स बातचीत अलग वास्तुकला के साथ बीजेएस पाड़ों पर जांच कर रहे हैं । |
| Endosteal-की तरह extracellular मैट्रिक्स अभिव्यक्ति पर पिघल electrospun लिखित पाड़ (Muerza-Cascante एट अल., २०१७)23 | | फ्लैट |
| बीजेएस PCL पाड़ों एक endosteal हड्डी की तरह ऊतक है कि प्राथमिक मानव haematopoietic स्टेम कोशिकाओं के विकास को बढ़ावा देता है विकसित करने के लिए उपयोग किया जाता है । |
| टी सेल थेरेपी के लिए एक सक्रियकरण और विस्तार मंच के रूप में 3 डी मुद्रित जाली (Delalat एट अल., २०१७)24 | | फ्लैट |
| अलग फाइबर रिक्ति के साथ मचान (२०० µm, ५०० µm और १००० µm) सतह functionalised और विस्तार के लिए टी कोशिकाओं के साथ वरीयता प्राप्त कर रहे हैं । |
| उपास्थि ऊतक इंजीनियरिंग के लिए पूर्वनिर्मित नरम नेटवर्क कंपोजिट (Bas एट अल., २०१७)25 | | फ्लैट |
| Biomimetic नरम नेटवर्क एक hydrogel मैट्रिक्स से मिलकर कंपोजिट और मजबूत बीजेएस जोड़दार उपास्थि मरंमत के लिए डिजाइन जाल रिपोर्ट कर रहे हैं । |
| बेहतर 3 डी मुद्रण प्रक्रिया और यांत्रिक गुणों के साथ प्रेरित कंपोजिट की ओर सटीक इंटरफेस इंजीनियरिंग के माध्यम से (Hansske एट अल., २०१७)26 | | फ्लैट |
| मैग्नीशियम फ्लोराइड nanoparticle बीजेएस के माध्यम से निर्मित PCL पाड़ों प्रबलित डिजाइन और अस्थि ऊतक इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए विकसित कर रहे हैं । |
तालिका 1: अध्ययन की एक सूची है, जिसमें बीजेएस पाड़ गढ़े और जैविक अनुप्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया गया संदर्भ । सूची लागू फ्लैट के रूप में अच्छी तरह से ट्यूबलर पाड़ के परिणाम प्रदान करता है ।
तालिका 2: प्रोग्रामिंग का स्पष्टीकरण एक जी-फ्लैट और ट्यूबलर पाड़ों के लिए कोड, एक पाठ फ़ाइल का उपयोग कर (. txt) सॉफ्टवेयर में अपलोड किया जाएगा. इस तालिका का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें.
तालिका 3: मापदंडों के प्रतिनिधि मूल्यों हवा का दबाव, वोल्टेज और संग्रह की गति (तापमान और संग्रह दूरी निरंतर) तीन अलग व्यास पर्वतमाला तक पहुँचने के लिए (छोटे, मध्यम और बड़े). लाल तीर फाइबर व्यास तक पहुँचने के लिए संबंधित श्रेणियों के भीतर सटीक मूल्यों का प्रस्ताव.इस तालिका का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।
तालिका 4: विभिंन मामलों और बीजेएस पर संभव फाइबर जमाव के असली छवियों के योजनाबद्ध चित्रण के रूप में अच्छी तरह के रूप में अनुकूलित करने का मतलब है । इस तालिका का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें.
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Discussion
एकीकृत कर रहा हूं में आदेश चिकित्सा क्षेत्र में चुनौतियों के लिए अभिनव समाधान खोजने के लिए 21st सदी के लिए एक नया प्रतिमान प्रस्तुत करता है । तथाकथित "जैव निर्माण" के क्षेत्र में वृद्धि और निर्माण प्रौद्योगिकियों में नवाचारों पर है ते अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक परिष्कृत वास्तुकला के उत्पादन में सक्षम है । बहुलक के electrospinning एक प्रत्यक्ष लेखन मोड में पिघला देता है (यहां बीजेएस) सबसे होनहार विनिर्माण उंमीदवारों में से एक के रूप में देखा जाता है ते समुदाय की जरूरतों का पालन, जहां माइक्रोन के लिए नेनो में संगत सामग्री के संरचनाओं का आदेश दिया है आवश्यक२७.
इस ट्यूटोरियल भौतिक सिद्धांतों को समझाने और प्रतिलिपि पाड़ों इस तकनीक का उपयोग कर निर्माण करने के लिए कार्रवाई कदम का प्रदर्शन करके बीजेएस के संचालन के मौलिक ज्ञान पैदा करने का लक्ष्य है ।
बीजेएस के सामांय सिद्धांतों के बाद से पारंपरिक additive विनिर्माण प्रौद्योगिकियों के उन लोगों के लिए तुलना कर रहे हैं, परत तरीके से एक परत में बाहर निकाला सामग्री के एक लक्षित जमाव अर्थात्, यह सिर और के बीच रिश्तेदार आंदोलन को नियंत्रित करने के लिए महत्वपूर्ण है कलेक्टर. हमारे अनुभव से, हम बीजेएस उपकरणों के साथ काम करने की सलाह देते हैं जो एक निश्चित सिर रखते हैं, जबकि कलेक्टर के संबंधित आंदोलन के चरणों (एक्स और वाई) द्वारा किया जाता है । एक निर्धारण सिर स्थिर स्थिति में रहता है और गाढ़ापन बलों, जो टेलर शंकु पर कार्रवाई और संभवतः इसके निर्माण के दौरान गड़बड़ी करने के लिए नेतृत्व पैदा नहीं करता है । इसके अलावा, उच्च वोल्टेज और हीटर के साथ जुड़े तारों निरंतर दोहराव आंदोलन के अधीन नहीं है । कलेक्टर मूवमेंट को जी-कोड से परिभाषित किया गया है, जिसे सॉफ्टवेयर में अपलोड करने की जरूरत है । इस कोड को भी रू-२७४ के रूप में जाना जाता है, व्यापक रूप से कंप्यूटर सहायता प्राप्त विनिर्माण क्षेत्र में उपकरणों के मार्ग को नियंत्रित करने के लिए प्रयोग किया जाता है । फ्लैट कलेक्टरों के साथ बीजेएस अनुप्रयोगों के लिए, जी कोड फ़ाइल X और Y दिशा में आंदोलन और गति निर्धारित करता है; बेलनाकार कलेक्टरों या खराद अनुप्रयोगों के लिए, जी कोड फ़ाइल दोनों शोधों (एक्स दिशा) और रोटेशन की गति को परिभाषित करता है । तालिका 2 अधिक विस्तार में एक जी कोड के प्रोग्रामिंग बताते हैं ।
अन्य additive विनिर्माण प्रौद्योगिकियों की तुलना में, बीजेएस प्रोटोकॉल में वर्णित के रूप में सिस्टम मापदंडों के तापमान, संग्रह की गति और लागू वोल्टेज के समायोजन के द्वारा विभिन्न व्यास के साथ फाइबर के निर्माण में सक्षम बनाता है.
आदेश में छोटे तंतुओं (3-10 µm) को प्राप्त करने के लिए, यह कम दबाव, मध्यम वोल्टेज और उच्च संग्रह की गति का उपयोग करने की सलाह दी है । आम तौर पर, कम दबाव कम बाहर निकाला बड़े पैमाने पर होता है । यह जेट की सतह क्षेत्र में संगत कमी के साथ है । इसलिए, छोटे इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों के लिए कलेक्टर के प्रति फाइबर के द्रव्यमान में तेजी लाने के लिए आवश्यक हैं, यानी कम वोल्टेज लागू करने की जरूरत है । इसके अलावा, तुलनीय उच्च संग्रह गति फाइबर का बढ़ाया खींच करने के लिए नेतृत्व, अंतिम फाइबर व्यास की एक अतिरिक्त कमी के कारण.
दबाव में वृद्धि पिघला हुआ बहुलक के अधिक प्रवाह लाती है और इस प्रकार, बड़ा फाइबर व्यास (10-20 µm) की ओर जाता है । इस मामले में, ग्रेटर इलेक्ट्रोस्टैटिक बल बढ़े बहुलक सतह (मोटा फाइबर) के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए आवश्यक है । आदेश में एक स्थिर बहुलक जेट स्ट्रीम प्राप्त करने के लिए, वोल्टेज और बदला जाना चाहिए संग्रह की गति कम किया जाना चाहिए ।
बड़े फाइबर व्यास (20-30 µm) बढ़ाया बहुलक बाहर निकालना, यानी उच्च हवा के दबाव की आवश्यकता होती है । यह अपेक्षाकृत मोटा फाइबर भड़काने और फाइबर पर पर्याप्त इलेक्ट्रोस्टैटिक बल की आपूर्ति करने के लिए उच्च वोल्टेज के साथ संयोजन में लागू किया जा करने के लिए सुझाव दिया है. इसके अतिरिक्त, कम इकट्ठा गति कम फाइबर खींच प्रेरित । कोई सारांश तालिका 3में दिया गया है ।
सभी तीन मामलों के ऊपर उल्लेख किया है, तथापि, अभी भी ठीक ट्यूनिंग और अनुकूलन एक स्थिर झूलना समय पर फाइबर के आकार का वक्र बनाए रखने के लिए, प्रोटोकॉल में समझाया की आवश्यकता होती है । बीजेएस में, केवल बहुलक द्रव्यमान के प्रवाह का निर्धारण बलों और कलेक्टर की ओर जेट को आकर्षित करने बलों के बीच एक पूरी तरह से संतुलित संतुलन अंततः लगातार पाड़ तक पहुंचने के लिए नेतृत्व करेंगे morphologies 12,28 . इसलिए, जेट के मार्ग के विचलन फाइबर व्यास या गलत जमाव के मजबूत विचलन को प्रतिबिंबित । हमारे अनुभव से, व्यवहार में तीन भिंन भिन्नताएं प्राप्त की जा सकती हैं ।
सबसे पहले, एक फाइबर पल्स कर सकते हैं, एक घटना शुरू में डाल्टन समूह द्वारा रिपोर्ट12. एक निरंतर overfed टेलर शंकु में फाइबर परिणाम पर वितरित बड़े पैमाने पर और संबंधित ड्रैग-बलों के बीच एक असंतुलित वितरण, जो आवधिक संचित बहुलक विज्ञप्ति । इस मार्ग के कोण में महत्वपूर्ण परिवर्तनशीलता का कारण बनता है और भिंन व्यास में परिणाम ।
दूसरा, एक विश्र्व विद्युतीकृत जेट तब होता है जब कलेक्टर की गति जेट के बाहर निकालना गति से अधिक है । जेट के अंतिम जमाव spinneret की ऊर्ध्वाधर दिशा से दूर होता है, एक ठंड जेट स्ट्रीम के कारण । उड़ान पथ एक बल दिया वक्रता, जो भी एक मुद्रित पाड़ के आयामों को कम करता है जैसा दिखता है ।
एक बकसुआ जेट तीसरा, कलेक्टर और प्रकट होता है पर जेट के सीधा प्रभाव के कारण होता है, जब कलेक्टर गति धीमी गति से जिस पर जेट spinneret से बाहर बह रही है की तुलना में सेट है । लागू उच्च वोल्टेज भी बकसुआ का कारण बन सकते हैं, कलेक्टर की ओर एक अत्यधिक त्वरण उत्पादन और फाइबर की एक सीधी उड़ान पथ. छोरों की अवांछित जमाव इस मामले में मनाया जाता है ।
प्रक्रिया को पुन: स्थिर करने का अर्थ है प्रोटोकॉल में प्रदान किया गया है और तालिका 4में दिखाया गया है ।
पाड़ कार्यांवयन के परिप्रेक्ष्य से, एकाधिक लाभ मौजूद है जब PCL और बीजेएस, जैसे कि reसंगतता, प्रत्यक्ष लेखन के माध्यम से reproducibility, या परिणामी आर्किटेक्चर के लिए डिज़ाइन अनुकूलन का उपयोग कर । बीजेएस किसी भी पारंपरिक प्रयोगशाला पीठ पर आयोजित किया जा सकता है, क्योंकि यह विलायक मुक्त बहुलक का उपयोग करता है पिघला देता है, इसलिए यह महंगा धुएं डाकू या अवशिष्ट सामग्री के संपूर्ण रीसाइक्लिंग29की आवश्यकता नहीं है । वहां कोई गंध जब बीजेएस उपकरणों युक्त एक कमरे में प्रवेश कर रहा है ।
इसके अतिरिक्त, एक छिद्रित पाड़ के भीतर मात्रा अनुपात के लिए एक प्राप्त उच्च सतह महान लाभ की है और बीजेएस पाड़ों अच्छी तरह से जैविक अनुप्रयोगों के लिए अनुकूल बनाता है30।
ऐसे जुड़े बयान के रूप में अच्छी तरह से जाना जाता 3 डी मुद्रण प्रौद्योगिकियों की तुलना में31मॉडलिंग, बीजेएस का आदेश दिया संरचनाओं के मुद्रण योग्य ऊंचाइयों में सीमाएं हैं ।कारण इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों, जो जमा तंतुओं के भीतर मोबाइल चार्ज वाहक जाल लागू करने की अंतर्निहित प्रक्रिया में देखा जाता है । एक बार पाड़ों की ऊंचाई लगभग 4 मिमी से अधिक है, यह सूचना दी है कि अतिरिक्त प्रभारी पाड़ के भीतर जमा की राशि आगामी फाइबर३२के लिए उत्तेजित कृत्यों । बाद में, ज्यादातर मामलों में, परिणामस्वरूप शीर्ष परतों काफी विकृत कर रहे हैं ।
पारंपरिक 3 डी प्रिंटिंग प्रौद्योगिकियों के लिए एक और अंतर तथ्य यह है कि इस प्रक्रिया के दौरान सामग्री के जमाव और बाधित नहीं किया जा सकता पूरी तरह से सभी सिस्टम मानकों को अंततः रोक सामग्री बाहर निकालना रखती में निहित है । यह एक डिजाइन सीमा का प्रतिनिधित्व करता है और जब जी कोड प्रोग्रामिंग माना जाना चाहिए । जबकि जेट दीक्षा यांत्रिक रूप से किया जा सकता है३३, जी कोड प्रोग्रामिंग एक सतत प्रत्यक्ष लेखन दृष्टिकोण पर विचार करने की जरूरत है ।
बीजेएस का प्रवाह और प्रक्रिया कुशलता में वृद्धि भी एक चुनौती बनी हुई है और हमारे विचार में मुख्य कारण का प्रतिनिधित्व करता है और दूसरों के ' क्यों इस प्रौद्योगिकी नहीं किया गया है अप औद्योगिक स्तर तक पैमाने पर अभी तक३४। सबसे पहले, बीजेएस प्रक्रिया स्वाभाविक कम प्रवाह दर और सीमित संग्रह गति के कारण प्रवाह में कम है । दोनों पहलुओं, तथापि, मुद्रण में जेट और reproducibility के नियंत्रित जमाव सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक हैं । दरअसल, छपाई की प्रक्रिया के दौरान अधिकतम संग्रह की गति इस्तेमाल सामग्री की शारीरिक सीमाओं के लिए प्रतिबंधित है, यानी बहुत अधिक गति जेट के टूटना का कारण होगा जब खींचें बलों व्यवहार्य सीमा से अधिक है । एक अन्य रणनीति बहु-बाहर बीजेएस उपकरणों का उपयोग करने पर निर्भर करता है, एक दूसरे के लिए करीब दूरी में कई मुद्रण प्रमुखों के साथ अर्थात् मशीनों; हालांकि, इन बहु प्रमुखों प्रत्येक सिर के बिजली के क्षेत्र के बीच हस्तक्षेप का कारण होता है, और बाद में अंतिम फाइबर जमाव३५विकृत । सुई पिघल electrospinning प्रमुखों विद्युतीकृत जेट विमानों की एक महत्वपूर्ण संख्या में उत्पंन किया है३६, हालांकि प्रत्यक्ष लिखा फाइबर की सटीक स्थान को नियंत्रित करने के लिए मुश्किल हो सकता है । बीजेएस की दक्षता बढ़ाने की दिशा में भविष्य के घटनाक्रम, तथापि, न केवल जैव चिकित्सा समुदाय को लाभ होगा, लेकिन यह भी निस्पंदन, वस्त्र, या ऊर्जा के लिए आवेदन के उद्योगों2।
हालांकि इस ट्यूटोरियल दिशानिर्देश प्रदान करता है प्रस्तावित पैरामीटर सेटिंग्स के तहत अनुकूलित पाड़ों बनाना, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि पर्यावरणीय स्थितियों पर मामूली निर्भरता, जैसे कमरे के तापमान या आर्द्रता मौजूद है और अवांछित करने के लिए नेतृत्व कर सकते हैं विचलन३७. इस ट्यूटोरियल में प्रस्तुत परिणामों पर आधारित है पता कैसे Hutmacher समूह में संचित, नियंत्रित प्रयोगशाला रिक्त स्थान के भीतर स्थिर पर्यावरण की स्थिति में आयोजित किया ।
PCL बीजेएस के लिए सबसे प्रमुख उंमीदवार है । एक इंजीनियरिंग के नजरिए से, इसके कम पिघलने बिंदु (६० ° c) के रूप में यह उच्च तापमान heaters के चुनौतीपूर्ण कार्यांवयन (& #62; & #62; १०० डिग्री सेल्सियस) उच्च वोल्टेज स्रोतों के लिए करीब दूरी में की आवश्यकता नहीं है लाभप्रद है । एक सामग्री इंजीनियरिंग स्तर पर, PCL अर्द्ध प्रवाहकीय है और मजबूत macromolecular सामंजस्य दोनों एक तरल पदार्थ के रूप में और एक ठोस के रूप में प्रदान करता है । मजबूत यांत्रिक खींच के बावजूद, चिपचिपा सामग्री बांड एक निश्चित डिग्री है, जो प्रमुख फाइबर thinning जब कलेक्टर गति या लागू वोल्टेज में वृद्धि में परिणाम है । पारंपरिक चलती कलेक्टरों के बिना पिघल electrospinning विभिंन पॉलिमर, के साथ सूचित किया गया है जैसे कि, पॉलीथीन या नायलॉन9। सीधे लेखन सिद्धांतों के आवेदन तथापि, मुख्य रूप से pcl के साथ रिपोर्ट और कुछ pcl मिश्रणों additives के साथ किया गया है आगे अपनी चिपचिपापन३८कम है, हालांकि वहां अपवाद है३९,४०। भविष्य में, तथापि, हम बीजेएस द्वारा संसाधित सामग्री की एक व्यापक रेंज की उंमीद है । यह, बारी में, उदाहरण प्रसंस्करण के रूप में (160 डिग्री सेल्सियस पर पिघलने बिंदु) बीजेएस उपकरणों के हार्डवेयर की वर्तमान तकनीकी आवश्यकताओं बदल के रूप में इस प्रौद्योगिकी के लिए हार्डवेयर घटकों के उंनयन, मतलब होगा ।
अत्यधिक सटीक और नियंत्रणीय वास्तुकला के साथ एक से अधिक सुसंगत पॉलिमर पाड़ों में बढ़ती रुचि मौजूद है; बीजेएस, तारीख करने के लिए, केवल प्रौद्योगिकी का प्रतिनिधित्व करता है, जो, अंय विनिर्माण तकनीक की तुलना में, कम माइक्रोन रेंज में आदेश दिया वास्तुकला का निर्माण करने में सक्षम है (उप में अपवाद के साथ-माइक्रोन रेंज४१) । पिछले वर्षों के भीतर यह पेटेंट और प्रकाशनों की एक तेजी से बढ़ रही राशि के लिए नेतृत्व30। इसलिए, अनुकूलित हार्डवेयर के कार्यांवयन के माध्यम से तकनीकी जटिलता से निपटने और बीजेएस की प्रक्रिया में नियंत्रण की स्थापना बहुत महत्व का है । यह भविष्य में आवेदनों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए सिलवाया वास्तुकला के साथ मचान के उत्पादन की सुविधा होगी ।
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Disclosures
लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।
Acknowledgments
इस कार्य के लिए सहकारी अनुसंधान केंद्र सीआरसी द्वारा सेल थेरेपी निर्माण, ऑस्ट्रेलियाई अनुसंधान परिषद आर्क केंद्र में Additive के लिए विनिर्माण और तकनीकी विश्वविद्यालय म्यूनिख के उन्नत अध्ययन के लिए संस्थान द्वारा वित्तीय रूप से समर्थित किया गया है । यह शोध ऑस्ट्रेलियाई अनुसंधान परिषद औद्योगिक परिवर्तन प्रशिक्षण केंद्र द्वारा Additive के विनिर्माण http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026) में आयोजित किया गया । कृपया लेख, किताबें, टेलीविजन या रेडियो कार्यक्रम, इलेक्ट्रॉनिक मीडिया, या किसी भी अंय साहित्यिक परियोजना से संबंधित कार्यों के लिए साइट पर जाएं । इसके अलावा, लेखकों आभार फिल्म में समर्थन के लिए मारिया Flandes Iparraguirre स्वीकार करते हैं, पर आवाज और फिल्माने और संपादन के लिए लुइस Grossmann के लिए फिलिप Hubbard ।
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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