Summary
Questo protocollo serve come una guida di riferimento completa per fabbricare impalcature tramite elettrofilatura con il polimero si scioglie in una modalità di scrittura diretta. Abbiamo sistematicamente delineare il processo e definire le impostazioni di parametro appropriato per la realizzazione di architetture di impalcatura mirati.
Abstract
Questo tutorial si riflette sui principi fondamentali e le linee guida per elettrofilatura scrivendo con il polimero si scioglie, una tecnologia di produzione additiva con un grande potenziale per applicazioni biomediche. La tecnica facilita la deposizione diretta di fibre polimeriche biocompatibili per fabbricare ben ordinate impalcature in sub-micron di intervallo scala micro. L'istituzione di una stabile, viscoelastico, polimero jet tra una filiera e un collezionista è ottenuta utilizzando una tensione applicata e può essere diretta-scritti. Un vantaggio significativo di un'impalcatura porosa tipica è un alto rapporto superficie / volume che fornisce una maggiore adesione efficace siti per la crescita e l'adesione cellulare. Controllo del processo di stampa di fine-tuning dei parametri di sistema consente un'elevata riproducibilità nella qualità delle impalcature stampate. Fornisce inoltre una piattaforma di produzione flessibile per gli utenti di adattare le strutture morfologiche di ponteggi alle loro specifiche esigenze. Per questo scopo, vi presentiamo un protocollo per ottenere fibra differenti diametri con fusione di elettrofilatura scrittura (MEW) con un emendamento guidato dei parametri, tra cui velocità di frequenza, tensione e collezione di flusso. Inoltre, dimostriamo come ottimizzare il getto, discutere sfide tecniche spesso con esperienza, spiegare le tecniche di risoluzione dei problemi e una vasta gamma di architetture di impalcatura stampabile.
Introduction
La fabbricazione di strutture biocompatibili di tridimensionali (3D) per le celle è uno dei principali contributi di additivo bioproduzione al tessuto ingegneria (TE), con l'obiettivo di ripristinare tessuti applicando biomateriali su misura, cellule, fattori biochimici, o una loro combinazione. Pertanto, i requisiti principali di impalcature per applicazioni TE includono: producibilità da materiali biocompatibili, proprietà morfologiche controllabile per l'invasione delle cellule mirati e proprietà di superficie ottimizzata per migliorata interazione cellula 1.
MEW è una tecnica di produzione di solventi che combina i principi della produzione additiva (spesso chiamata stampa 3D) ed elettrofilatura per la produzione di maglie polimerici con fibra ultrasottile altamente ordinata morfologie2. È un approccio di scrittura diretta e accuratamente depositi fibre secondo codici preprogrammati3, indicato come G-codici. Melt elettrofilate costrutti sono attualmente preparato usando un piatto4,5 o un collezionista di7 6,mandrino per fabbricare scaffold porosi piatta e tubolare, rispettivamente.
Questa tecnica offre vantaggi significativi per il TE e comunità di medicina rigenerativa (RM) dalla possibilità di stampare direttamente medicale polimeri, come poly(ε-caprolactone) (PCL), che presenta eccellente biocompatibilità8. Altri vantaggi sono la possibilità di personalizzare le dimensioni e la distribuzione della porosità, depositando le fibre in modo altamente organizzato per fabbricare scaffold di elevati rapporti superficie-volume. Prima che possa essere eseguita MEW, il polimero in primo luogo richiede l'applicazione di calore9. Una volta in uno stato fluido, una pressione d'aria applicata forza a defluire attraverso una filiera metallica che è collegata ad una sorgente di alta tensione. L'equilibrio di forza tra la tensione superficiale e l'attrazione della goccia elettrostaticamente al collettore con messa a terra porta alla formazione di un cono di Taylor, seguito dall'espulsione di un getto10.
Immagini e lo schema di massima del dispositivo MEW in-House di compilazione utilizzato per questo protocollo sono mostrati nella Figura 1. Viene inoltre illustrato i principi dell'utilizzo di nastro isolante per evitare scariche elettriche tra gli elementi di riscaldamento e la parte caricata elettricamente in ottone che circonda la filiera. Isolamento insufficiente comporterebbe danni interni dell'hardware implementato.
A seconda della regolazione dei parametri di tre sistema (temperatura, pressione d'aria e velocità di raccolta), MEW consente la fabbricazione di fibre con diametri differenti, spiegati nella sezione discussione. Nella maggior parte dei casi, tuttavia, messa a punto e ottimizzazione del getto sarà richiesti prima un getto stabile verrà espulso. La visualizzazione del getto itinerante elettrificata è un modo efficace per verificare la coerenza e l'omogeneità del processo. In un caso ideale, la traiettoria di volo è simile a una curva catenaria acquisita a seguito di un equilibrio di forza controllato dal sistema parametri11. Ulteriormente, la micro - e macro-struttura di impalcature è dipenda sulla traiettoria di volo del polimero getto12. Una tabella dettagliata di deflessione differenti comportamenti e misure per l'ottimizzazione è dato nella sezione discussione.
Nel presente studio, presentiamo un protocollo che descrive i passaggi di lavorazione per la fabbricazione di scaffold fibroso altamente controllato utilizzando la tecnologia MEW. In questo lavoro, medico di grado PCL (peso molecolare 95-140 kg/mol) è stato usato, questo grado medico PCL ha migliorato la purezza sopra grado tecnico e sue proprietà meccaniche e di elaborazione sono eccellenti per MEW. Melt vasta gamma di PCL di elaborazione proviene dal suo basso punto di fusione (60 ° C) e alta stabilità termica. Inoltre, PCL è un polimero biodegradabile di lento-tasso, che lo rende un materiale eccellente per molte applicazioni13di tessuto.
Per questo studio, la temperatura e collezionista distanza verrà mantenuta costante (65 ° C e 82 ° C per le temperature di siringa e filiera (rispettivamente) e 12 mm per la distanza di collettore); applicata tensione, pressione d'aria e velocità collector, tuttavia, verrà variata per fabbricare fibre con i diametri mirati. Un elenco dettagliato degli studi pubblicati utilizzando ponteggi MEW è fornito nella sezione risultati e rivela diverse applicazioni per i campi di TE e RM (tabella 1).
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Protocol
1. materiale preparazione
- Riempire 2 g di PCL in una siringa di plastica da 3 mL con un imbuto e inserire l'estremità aperta di un pistone.
- Posizionare la siringa in un forno preriscaldato a 65 ° C per 8 h. punto la punta verso l'alto consentire le bolle di aria di aggregata vicino all'apertura.
- Spingere il pistone con un oggetto sottile per liberare l'aria intrappolata all'interno del materiale fuso.
- Lasciate raffreddare fino a temperatura ambiente, che si ottiene quando il polimero non è trasparente più dopo 10 minuti.
- Conservare la siringa pre-caricata di PCL a temperatura ambiente in un ambiente asciutto e buio fino a quando non viene utilizzato.
2. hardware e Software installazione
- Fissare un ago punta piatta di 23G (filiera) la siringa e un adattatore di canna a altra estremità per collegare la siringa al sistema di pressione dell'aria.
- Posizionare la siringa nella testina di stampa e premere verso il basso fino a quando la punta di filiera si distingue 1 mm dalla parte di ottone sul lato inferiore della testa.
- Montare un collettore sul palco e pulire la superficie, così come la testina di stampa con etanolo al 70% (vol/vol) per rimuovere polvere o residuo polimero.
- Impostare la distanza di lavoro posizionando un oggetto alto 12 mm tra la filiera e il collezionista e abbassare la testina di stampa fino a quando la punta di filiera appena lo tocca.
- Regolare i regolatori di temperatura a cassetta elettrica a 82 ° C e 65 ° C per la regione di filiera e la siringa, rispettivamente e forza li sopra per fondere il PCL.
- Attendere almeno 10 minuti fino a quando il polimero è fuso e avviare la pressione dell'aria impostando il regolatore a 1,8 bar.
- Preparare il G-codice per definire la dimensione e forma, distanza inter-filamento e il numero di strati dell'impalcatura e la velocità di raccolta del processo.
Nota: Un modello dettagliato per la realizzazione di ponteggi tubolari e piatti è fornito nel capitolo discussione (tabella 2). - Verificare manualmente che tutti i conduttori di terra siano collegati in modo sicuro per la custodia e la presa a muro.
- Avviare il software (ad es., MACH 3) sul computer e caricare il preparato G-code.
3. impalcatura fabbricazione
- Chiudere lo sportello anteriore del recinto, che collega l'interblocco di sicurezza e innesca il rifornimento ad alta tensione per la filiera.
Nota: Una volta che la porta è aperta, ad esempio quando una stampa è finita o in caso di emergenza, l'alta tensione scende e l'impalcatura può essere rimosso in modo sicuro. - Aumentare l'alta tensione gradualmente in 0,2 kV passi fino a quando si forma un cono di Taylor e una fibra viene espulsa verso il collettore (Vedi esemplare cono di Taylor in Figura 1).
- Consentire la fusione del polimero da estrudere sulla piastra ancora collector per stabilizzare il getto senza movimento per 5 minuti. Rimuovere la pila di materiale prima di iniziare una nuova stampa.
- Utilizzare i cursori della tastiera per spostare la testina di stampa sopra il punto dove inizia il G-codici.
- Avviare il G-codice del software sul computer.
4. fibra diametro regolazione
- Mantenere la distanza di lavoro (12 mm) e i regolatori di temperatura (82 ° C e 65 ° C per la regione di filiera e la siringa, rispettivamente) su un livello costante, come descritto prima in punti 2.4 e 2.5.
Nota: Una sintesi di diversi diametri di regolazione è data nella tabella 3. - Stampa fibre con diametri piccoli dimensioni (3-10 µm). Ridurre il livello di pressione di aria a 0,8 bar, regolare la tensione applicata a 8 kV e set collettore velocità a 1700 mm/min.
- Stampa fibre con medie dimensioni diametri (10-20 µm). Regolare la pressione dell'aria livello a 1,5 bar, tensione impostata a 11 kV e inferiore insieme velocità fino a 1200 mm/min.
- Stampa fibre con diametri grandi (20-30 µm). Aumentare il livello di pressione di aria a 2,6 bar, alterare la tensione applicata a 12 kV e diminuzione dell'insieme velocità a 700 mm/min.
5. jet ottimizzazione
- Illuminare il getto con una forte luce da fuori la custodia per una migliore visibilità di LED.
- Osservare il comportamento della fibra per 1 minuto e regolare i parametri di sistema per ottimizzare il processo a piccoli passi, cioè 0,1 kV di tensione applicata, 100 mm/min per la velocità di raccolta e 0,1 bar per la pressione dell'aria.
Nota: Una sintesi è data nella tabella 4. - Stabilizzare il deflettore periodicamente il comportamento riducendo la pressione dell'aria, aumentando la velocità e riducendo al minimo la tensione fino a quando la traiettoria di volo della fibra è simile a una curva catenaria stabile per più di 3 minuti.
- Correggere la traiettoria di volo di un jet di ritardo aumentando la tensione, riducendo la pressione dell'aria e ridurre la velocità del collettore. Applicare tali misure fino a quando la traiettoria di volo della fibra si muove indietro a una forma curva catenaria.
- Evitare le fibre verticalmente in viaggio verso il collettore diminuendo la tensione applicata, aumentando la velocità del collettore e aumentando la pressione dell'aria fino a quando la traiettoria di volo del getto mantiene la forma di una curva catenaria nuovamente.
6. impalcatura collezione
- Aprire la porta quando è terminata la stampa e utilizzare il cursore per spostare la piastra collettore verso la porta per una migliore accessibilità.
- Spruzzare il patibolo con miscela di etanolo 70% (vol/vol) e attendere 10 secondi fino a quando si stacca visibilmente dal collettore.
- Raccogliere il patibolo finito di afferrare un bordo con le pinzette e sollevandolo fuori dal recinto.
7. risoluzione dei problemi
- Diminuire la tensione applicata o aprire la porta immediatamente se c'è una scintilla tra la filiera visibile o uno schiocco udibile.
- Rimuovere tutti i materiali pericolosi e liquidi come etanolo 70% (vol/vol) dall'interno del recinto come un fuoco può infiammarsi in caso di potenziali scintille.
- Programmare il G-codice di conseguenza che la filiera si muove lontano dalla zona dove il patibolo viene stampato dopo finiti tutti i livelli. Questo evita l'accumulo di materiale sopra il punto dove si ferma infine la filiera.
- Controllare la filiera sotto una lente d'ingrandimento e verificare che non esiste nessun danno per la filiera come questo influenzerà notevolmente l'omogeneità del cono di Taylor.
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Representative Results
Due diversi metodi di raccolta sono comunemente usati in MEW, che sono insieme piatto e mandrino insieme. Le architetture risultante dipendono la programmazione del G-codice (tabella 2), che viene eseguita dal software.
Collezione Flat
L'applicazione di collettori piani fa riferimento al metodo più comune e facilita la deposizione diretta di materiale di riferimento per il G-codice preprogrammato. 0/90 e 0/60 strutture di diverse dimensioni sono ampiamente riportati in letteratura. Inoltre, la capacità di depositare direttamente fusa fibre sul collettore inoltre facilita la produzione di casualmente ancora strutture organizzate quando un collettore piano modellato viene utilizzato invece un liscio one14.
Tubolare
C'è una grande richiesta per la fabbricazione di scaffold con tubolare architetture per applicazioni di TE. MEW è un metodo efficace per realizzare ponteggi tubolari con porosità su misura utilizzando collettori cilindrici. Questi ruotare lungo il proprio asse, durante la traduzione lungo l'asse del mandrino. Attraverso la regolazione fine del G-codice, la rotazione, nonché la velocità di traslazione è determinato e l'orientamento delle fibre possa essere personalizzato. Maggiore velocità di rotazione di velocità traslazionale portare a radialmente orientati i pori e viceversa. Il numero totale di strati, la distribuzione e la morfologia della porosità configurerà le proprietà meccaniche dell'impalcatura. Il diametro interno dell'impalcatura tubolare sarà determinato dal diametro esterno del mandrino implementato.
Figura 1 : Installazione di MEW. (A) tra cui un PC, l'unità di stampa e la casella di controllo elettrico (B), la testa e il collettore (C) la fibra in una fase di volo perfettamente equilibrato e illustrazione (D) un disegno schematico di un cono di Taylor. (E) Mostra un disegno schematico di una stampante e sono elencati i cinque parametri di sistema più prevalenti, tra cui "tensione applicata" (Generatore di alta tensione), "temperatura" (regolatore di temperatura), "pressione atmosferica" (regolatore di pressione), ("distanza di lavoro" regolazione tramite in-House progettato mobili dell'asse z) e "velocità di raccolta" (X e Y posizionamento diapositive). (F) dimostra la progettazione del sistema di isolamento all'interno della testa di stampa tramite un nastro di poliammide resistente al calore. Questo impedisce di archi elettrici tra elemento riscaldante"1" e la carica "parte di ottone". Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 : Ponteggi diversi fabbricati con un collettore piano (A), 0/90 della grata (B) e lo stesso reticolo in risoluzione maggiore (C). (D) dimostra una struttura 0/60 e (E), una struttura in modo casuale controllata.Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 : Una vetrina di diversi ponteggi tubolari e una rispettiva immagine rappresentativa da microscopia elettronica (SEM). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| L'infiltrazione dei fibroblasti cutanei di ponteggi poly(ε-caprolactone) fabbricato da fondere elettrofilatura in una modalità di scrittura diretta (Finocchiaro et al., 2013)4 | | PIATTO |
| Dei fibroblasti dermici seminato PCL MEW ponteggi vengono valutati per l'infiltrazione delle cellule. |
| Un modello di xenotrapianto umanizzato tessutale della metastasi del cancro al seno umano all'osso (Thibaudeau et al., 2014)15 | | TUBOLARE |
| Tubolare MEW ponteggi vengono utilizzati per creare un osso vitale ectopico 'organo' in un modello murino per studiare la metastasi del cancro al seno umano alle ossa. |
| Homing specie-specifici meccanismi della metastasi di carcinoma della prostata umane in tessuto ingegnerizzato osso (Holzapfel et al., 2014)16 | | TUBOLARE |
| MEW ponteggi vengono utilizzati per creare un osso tessuto ingegnerizzato per ricerca sul cancro della prostata. |
| Migliorare l'integrità strutturale di idrogeli utilizzando altamente organizzato fondere costrutti di fibre elettrofilate (Bas et al., 2015)17 | | PIATTO |
| Ponteggi di MEW con diversi schemi di posa e poresizes vengono utilizzati per migliorare la funzionalità meccanica di idrogeli morbidi. |
| Rinforzo di idrogeli utilizzando microfibre tridimensionale stampate (Visser et al., 2015)18 | | PIATTO |
| Idrogeli basati su gelatina morbidi sono rinforzati con MEW PCL impalcature. |
| Sciogliere elettrofilatura su cilindri: effetti di rotazione Diametro velocità e collezionista sulla morfologia delle strutture tubolari (Jungst et al., 2015)6 | | TUBOLARE |
| L'influenza delle velocità traslazionali e rotazionali sulla morfologia finale di ponteggi tubolari di MEW sono studiato sistematicamente. |
| Gerarchicamente strutturata poly(2-oxazoline) poroso idrogel (Haigh et al., 2016)19 | | PIATTO |
| MEW ponteggi vengono utilizzati come modello sacrificale per creare una rete gerarchica porosità 3D all'interno di un idrogel. |
| A convalidato preclinico modello animale per la ricerca di tumore primario dell'osso (Wagner et al., 2016)20 | | TUBOLARE |
| MEW ponteggi vengono utilizzati per creare costrutti umanizzato tessuto ingegnerizzato per ricerca preclinica su tumori primari dell'osso. |
| Ingegneria tissutale periostio in un orthotopic in vivo piattaforma (Baldwin et al., 2017) 21 | | TUBOLARE |
| Un'impalcatura di multiphasic costituito da una maglia MEW e un idrogel è sviluppata per le applicazioni di rigenerazione di tessuto periostio. |
| Metrologia dimensionale delle interazioni cellula-matrice in 3D su microscala substrati fibroso (Tourlomousis e Chang. 2017)22 | | PIATTO |
| Interazioni cellula-matrice sono studiate su impalcature di MEW con diverse architetture. |
| Espressione di matrice extracellulare endosteal-come il melt elettrofilate scritti impalcatura (Muerza-Cascante et al., 2017)23 | | PIATTO |
| MEW PCL ponteggi sono utilizzati per sviluppare un tessuto bone-like endosteal che promuove la crescita di cellule staminali ematopoietiche umane primarie. |
| 3D stampato grate come una piattaforma di attivazione e l'espansione per la terapia delle cellule T (Delalat et al., 2017)24 | | PIATTO |
| Ponteggi con fibra differente spaziatura (200 µm, 500 µm e 1000 µm) sono superficie funzionalizzata e seminati con cellule di T per l'espansione. |
| Biofabricated compositi di rete morbida per tessuto cartilagineo (Bas et al., 2017) di ingegneria25 | | PIATTO |
| Biomimetic compositi di rete morbido costituito da una matrice di idrogel e rafforzare reti MEW progettati per la riparazione della cartilagine articolare sono segnalati. |
| Via Ingegneria precisa interfaccia verso bioinalati compositi con stampa 3D migliorata di processabilità e proprietà meccaniche (Hansske et al., 2017)26 | | PIATTO |
| Magnesio fluoruro nanoparticella rinforzato PCL ponteggi fabbricati per mezzo di MEW sono progettati e sviluppati per applicazioni di tessuto osseo. |
Tabella 1: riferimenti a un elenco di studi, in cui MEW ponteggi sono stati fabbricati e utilizzati per applicazioni biologiche. L'elenco fornisce risultati di implementato piatti come pure tubolare Ponteggi.
Tabella 2: spiegazione di un G-Code per ponteggi tubolari e piatti, utilizzando un file di testo (. txt) per essere caricato nel software di programmazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa tabella.
Tabella 3: valori rappresentativi dei parametri velocità di pressione, tensione e raccolta dell'aria (temperatura e raccolta a distanza costante) per raggiungere tre gamme di diametro diverso (piccole, medie e grandi). Le frecce rosse propongono valori esatti all'interno delle rispettive categorie per raggiungere i diametri di fibra.Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa tabella.
Tabella 4: illustrazione schematica dei diversi casi e immagini reali di deposizione di fibra possibile a MEW, nonché mezzi per ottimizzare. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa tabella.
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Discussion
L'integrazione di AM al fine di trovare soluzioni innovative per le sfide in campo medico presenta un nuovo paradigma per il secolo 21st . Il cosiddetto campo di "Bio-fabbricazione" è in aumento e le innovazioni nelle tecnologie di fabbricazione consentono la produzione di architetture altamente sofisticati per applicazioni di TE. L'elettrofilatura di polimero si scioglie in una modalità di scrittura diretta (qui MEW) è visto come uno dei più promettenti candidati fabbricazione per conformarsi alle esigenze della comunità di TE, dove sono strutture ordinate di materiali biocompatibili nel micron a scala nanometrica richiesto27.
Questo tutorial mira a generare conoscenze fondamentali delle operazioni di MEW che spiega i principi fisici e dimostrando passi d'azione per la fabbricazione di scaffold riproducibile utilizzando questa tecnologia.
Dal momento che i principi generali di MEW sono paragonabili a quelli delle tecnologie di produzione additiva convenzionale, cioè una deposizione mirata del materiale estruso in modo strato dopo strato, è fondamentale controllare il movimento relativo fra la testa e la collettore. Dalla nostra esperienza, raccomandiamo di lavorare con dispositivi MEW che mantenere una testa fissa, mentre il movimento relativo del collettore è intrapresa dalle fasi (X e Y). Una testa fissata rimane in una posizione stabile e non genera forze cinematiche, che agiscono sul cono di Taylor e potenzialmente condurre alle dispersioni durante la sua creazione. Inoltre, il cablaggio associato ad alta tensione e riscaldatori non è soggetto a continuo movimento ripetitivo. Il movimento di collettore è definito dal G-codice, che deve essere caricato nel software. Questo codice, noto anche come RS-274, è ampiamente usato nel campo di produzione assistita da computer per controllare il percorso di strumenti. Per applicazioni di MEW con collettori piani, il file G-Code determina il movimento e la velocità in X e direzione Y; per collettori cilindrici o applicazioni mandrino, il file G-Code definisce traslazionale (direzione X) e rotazione velocità. Tabella 2 spiega la programmazione di un G-code più dettagliatamente.
Rispetto ad altre tecnologie di produzione additiva, MEW consente la fabbricazione di fibre con vari diametri mediante la regolazione della temperatura di parametri del sistema, velocità di raccolta e tensione applicata, come descritto nel protocollo.
Per realizzare piccole fibre (3-10 µm), si consiglia di utilizzare basse pressioni, moderate tensione e collezione ad alta velocità. In generale, riduce la pressione conduce alla massa meno estruso. Ciò è accompagnata da una corrispondente diminuzione della superficie del getto. Quindi, più piccole forze elettrostatiche sono necessarie per accelerare la massa della fibra verso il collettore, cioè bassa tensione deve essere applicato. Inoltre, velocità più elevate collezione paragonabile portano a maggiore allungamento della fibra, causando un'ulteriore riduzione del diametro della fibra finale.
Aumentando la pressione induce più flusso del polimero fuso e così, conduce ai più grandi diametri di fibra (10-20 µm). In questo caso, per compensare la superficie di polimero allargata (più spesse fibre) è necessaria una maggiore forza elettrostatica. Al fine di ottenere una corrente a getto polimero stabile, la tensione deve essere alterato e la velocità di raccolta deve essere ridotta.
Diametri di fibra grande (20-30 µm) richiedono rafforzata polimero estrusione, cioè più alta pressione d'aria. Questo provoca fibre relativamente più spesse ed è suggerito per essere applicato in combinazione con tensione superiore a fornire sufficiente forza elettrostatica sulla fibra. Inoltre, la ridotta velocità di raccolta indurre meno fibra stretching. Un riassunto è dato in tabella 3.
Tutti e tre i casi di cui sopra, tuttavia, richiedono fine-tuning e ottimizzazione per mantenere una stabile curva catenaria a forma di fibra nel corso del tempo, ha spiegato nel protocollo. A MEW, solo un equilibrio perfettamente bilanciato tra le forze che determinano il flusso del polimero massa e le forze che attrae il getto verso il collettore alla fine porterà al raggiungimento coerente impalcatura morfologie 12,28 . Quindi, le divergenze del pathway del getto riflettono forti deviazioni del diametro della fibra o deposizione imprecise. Dalla nostra esperienza, possono essere ottenuti tre differenti variazioni nel comportamento.
In primo luogo, una fibra può impulso, un fenomeno inizialmente segnalato dal gruppo Dalton12. Una distribuzione squilibrata tra consegnato drag-forze di massa e rispettive sui risultati di fibre in un cono di Taylor costantemente ipernutrito, che rilascia periodicamente polimero accumulato. In questo modo significativa variabilità negli angoli della via e dei risultati in diversi diametri.
In secondo luogo, un ritardo di sviluppo elettrificato jet si verifica quando la velocità del collettore è superiore alla velocità di estrusione del getto. La deposizione finale del getto accade lontano dalla direzione verticale di filiera, causando una corrente a getto in ritardo. Il percorso di volo assomiglia ad una curvatura sottovalutata, che riduce al minimo le dimensioni di un'impalcatura stampata.
In terzo luogo, un getto elettrificato instabilità è causato dall'impatto perpendicolare del getto sul collettore e manifesti, quando è impostata la velocità di collezionista più lento rispetto alla velocità alla quale il getto è che scorre fuori della filiera. L'applicazione di alte tensioni può anche causare instabilità, producendo un'eccessiva accelerazione verso il collettore e un percorso di volo rettilineo della fibra. Indesiderati deposizione di loop è osservata in questo caso.
Mezzi di ri-stabilizzare il processo sono forniti nel protocollo e indicati nella tabella 4.
Dal punto di vista dell'implementazione di impalcatura, molteplici vantaggi esistano quando si utilizza PCL e MEW, come biocompatibilità, riproducibilità attraverso scrittura diretta o predefiniti personalizzazione delle architetture risultante. MEW può essere condotto su qualsiasi banco di laboratorio convenzionali, poiché utilizza solventi polimero si scioglie, pertanto non richiede costosi cappe o esaustivo di riciclaggio di materiali residui29. Non c'è nessun odore quando si entra in una stanza che contiene dispositivi MEW.
Inoltre, un'alta superficie realizzabile in rapporto al volume all'interno di uno scaffold poroso è di grande vantaggio e rende ponteggi MEW adatti per applicazioni biologiche30.
Rispetto alle tecnologie di stampa 3D ben noti, ad esempio Fused Deposition Modelling31, MEW ha limitazioni nelle altezze stampabile di strutture ordinate.Il motivo è visto nel processo inerente di applicare forze elettrostatiche, che intrappola mobile carica vettori nelle fibre depositate. Una volta che l'altezza delle impalcature supera di circa 4 mm, è stato riferito che la somma della carica in eccesso accumulate all'interno gli atti di impalcatura repellente per fibre prossimi32. Successivamente, nella maggior parte dei casi, gli strati superiori della risultanti sono notevolmente distorti.
Un'altra differenza di tecnologie di stampa 3D convenzionali sta nel fatto che la deposizione di materiale durante il processo non può essere interrotta e unicamente fermandosi alla fine tutti i parametri di sistema tiene estrusione materiale. Questo rappresenta una limitazione di progettazione e deve essere considerato quando il G-codice di programmazione. Mentre l'iniziazione di getto può essere eseguita meccanicamente33, delle esigenze di programmazione di G-Code in considerazione un approccio diretto-scrittura continuo.
Aumentando l'efficienza di processo e velocità effettiva di MEW anche rimane una sfida e rappresenta il motivo principale nel nostro punto di vista e gli altri di perché questa tecnologia non è up-regolata a livello industriale ancora34. In primo luogo, il processo MEW è intrinsecamente basso velocità effettiva a causa delle basse portate e velocità collezione limitata. Entrambi gli aspetti, tuttavia, sono essenziali per garantire la deposizione controllata del getto e riproducibilità nella stampa. Infatti, la velocità massima raccolta durante il processo di stampa è limitata ai confini fisici del materiale utilizzato, cioè velocità troppo elevate potrebbe causare rottura del getto quando le forze di trascinamento superano i limiti fattibili. Un'altra strategia di alto livello si basa sull'utilizzo di dispositivi di MEW multi-espulsione, ovvero macchine con più testine di stampa a distanza ravvicinata a vicenda; Tuttavia, queste multi-teste sarebbero causare interferenze tra il campo elettrico di ogni testa e successivamente distorcere la deposizione di fibra finale35. Senza ago melt elettrofilatura teste hanno generato un numero significativo di getti elettrificata36, anche se controllare l'esatto posizionamento delle fibre scritta diretta potrebbe essere difficile da raggiungere. Sviluppi futuri verso aumentando l'efficienza di MEW, tuttavia, non sarebbero solo beneficio della Comunità biomedica, ma anche le industrie di filtrazione, tessile o applicazioni per energia2.
Anche se questo tutorial fornisce linee guida per realizzare ponteggi su misura in base alle impostazioni di parametro proposto, si deve constatare che le dipendenze minori sulle condizioni ambientali, quali temperatura o umidità esistano e potrebbero portare a non intenzionale deviazioni37. I risultati presentati in questa esercitazione si basano sul know-how accumulato presso il gruppo Hutmacher, condotto in condizioni ambientali stabili all'interno di spazi di laboratorio controllate.
PCL è il candidato più prominente per MEW. Da un punto di vista ingegneristico, il suo basso punto di fusione (60 ° C) è utile come questo non richiede l'implementazione impegnativo di radiatori ad alta temperatura (> > 100 ° C) in stretta distanza da fonti ad alta tensione. Su un livello materiale di ingegneria, PCL è semi-conduttivo e fornisce la forte coesione macromolecolare sia come un solido come un fluido. Nonostante la forte stiramento meccanico, il materiale viscoso obbligazioni in una certa misura, che si traduce in fibra prominente diradamento quando si aumenta la velocità del collettore o tensione applicata. Elettrofilatura fusione convenzionale senza spostare collezionisti è stata segnalata con polimeri diversi, come il polipropilene, polietilene o nylon9. L'applicazione dei principi di scrittura diretta tuttavia, principalmente è stato segnalato con PCL e alcune miscele PCL con additivi ulteriormente abbassare la sua viscosità38, anche se ci sono eccezioni39,40. In futuro, tuttavia, si prevede una più ampia gamma di materiali trattati da MEW. Questo, a sua volta, implica che l'aggiornamento dei componenti hardware per questa tecnologia, per quanto riguarda polipropilene di esempio elaborazione (punto di fusione a 160 ° C) altera il correnti requisiti tecnici dell'hardware dei dispositivi MEW.
Esiste un crescente interesse in scaffold polimerici biocompatibili con architetture altamente precise e controllabile; MEW, fino ad oggi, rappresenta l'unica tecnologia, che, in confronto ad altre tecniche di bioprocesso, è in grado di fabbricare ordinato architetture alle basse micron (con eccezioni nel sub-micron gamma41). Negli ultimi anni questo portare ad una crescita esponenziale quantità di pubblicazioni e brevetti30. Pertanto, affrontare la complessità tecnica mediante implementazione di hardware ottimizzato e l'istituzione di controllo durante il processo di MEW è di grande importanza. Questo faciliterà la produzione di ponteggi con architetture su misura per una vasta gamma di applicazioni in futuro.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente da Cooperative Research Centre CRC per produzione di terapia cellulare, il centro australiano di ricerca Consiglio ARC in additivo bioproduzione e l'Institute for Advanced Study dell'Università tecnica di Monaco. Questa ricerca è stata condotta dal Australian Research Consiglio industriale trasformazione Training Centre in additivo bioproduzione http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026). Si prega di visitare il sito per articoli, libri, programmi televisivi o radiofonici, mezzi elettronici o qualsiasi altre opere letterarie legate al progetto. Inoltre, gli autori riconoscono con gratitudine Maria Flandes Iparraguirre per supporto in riprese, Philip Hubbard per la voce e Luise Grossmann per riprese e montaggio.
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
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