組織工学的応用の制御可能な形態の三次元 Poly(ε-caprolactone) 足場のエレクトロスピニング記述を溶かす
Summary
このプロトコルでは、直接書き込みモードで溶けるポリマー エレクトロスピニング足場を作製する包括的なガイドラインとして提供しています。我々 は体系的にプロセスの概要を説明し、対象となる足場アーキテクチャを実現するため適切なパラメーター設定を定義します。
Abstract
このチュートリアルを基本原則に反映し、エレクトロスピニング ポリマーを書くためのガイドラインが溶け、生物医学アプリケーションのための大きな可能性を持つ添加剤の製造技術。技術マイクロ スケール範囲にサブミクロンのよく整理された足場を作製する生体適合性高分子繊維の直接成膜が容易になります。安定性、粘弾性の確立、高分子ジェット、スピナレットとコレクターの間印加電圧を使用して実現され、直接記述することができます。典型的な多孔質足場材料の大きな利点は、細胞接着および成長の増加効果的な癒着を提供する高表面・体積比です。システム パラメーターを微調整することで印刷プロセスを制御することで印刷の足場の品質で再現性の高い。また、ユーザー固有の要件に足場の形態素の構造を調整するための柔軟な製造プラットフォームを提供します。このため、速度、電圧と収集の流れの速度を含むパラメーターのガイド修正溶融エレクトロスピニング執筆 (MEW) を使用して別のファイバーの直径を取得するためのプロトコルを提案する.さらに、ジェットを最適化、しばしば経験豊富な技術的な課題を話し合う、トラブルシューティング手法を説明する、印刷可能な足場のアーキテクチャの広い範囲を展示する方法を示します。
Introduction
細胞の三次元 (3 D) 生体構造の製造は添加物製造組織への重要な貢献の 1 つエンジニア リング (TE)、カスタマイズされた生体材料、細胞生化学的要因を適用することによって組織を復元することを目指してまたはそれらの組み合わせ。したがって、TE 用足場の主な要件を含める: ターゲット細胞浸潤の制御形態学的プロパティと最適化された表面の生体適合性材料から製造強化細胞間相互作用1。
MEW は、添加剤の製造 (多くの場合と呼ばれる 3 D 印刷) とエレクトロスピニング高分子メッシュの生産のための原則を組み合わせて非常に発注された極薄繊維形態2溶剤フリーの製造手法です。直接執筆アプローチがあり、正確にに従ってあらかじめコード3、G コードと呼ばれる繊維を堆積します。溶融エレクトロスピニング構造が現在は、フラットおよび尿細管の多孔質をそれぞれ作製するフラット4,5またはマンドレル6,7コレクターを使用して準備。
この手法は、医療グレード ポリマー、生体適合性の8を提示 poly(ε-caprolactone) (PCL) などを直接印刷するテや可能性があるため再生医療 (RM) 地域へ重要な利点を提供しています。その他の利点は、高い表面のボリューム比率の足場を作製する非常に組織される方法で繊維を堆積することにより、気孔率の分布のサイズをカスタマイズする可能性です。MEW を実行する前にまずポリマー熱9のアプリケーションが必要です。一度液体状態に適用空気圧は高電圧源に接続されている金属スピナレットを通じて流出することを強制します。表面張力と接地コレクターに静電帯電液滴の魅力の力のバランスは、ジェット10の放出によって続いてテイラーの円錐形の形成に します。
画像、このプロトコルで使用する社内ビルド MEW デバイスの図は図 1のとおりです。さらに、ヒーター エレメントと紡糸を囲む電気で満たされたブラスのパーツとの間の放電を避けるために絶縁テープを使用しての原理を示します。不十分な絶縁実装されたハードウェアの内部損傷に 。
3 つのシステムのパラメーター (温度、コレクションの速度と空気の圧力) の調整によって MEW ディスカッション セクションで説明した、直径の異なる繊維の作製ができます。ほとんどの場合、ただし、微調整とジェットの最適化必要になります前に安定したジェットが飛び出します。電化旅行噴流の可視化は、一貫性とプロセスの均一性を確認する効果的な方法です。理想的な場合、飛行経路システム パラメーター11によって制御される力のバランスにより取得したカテナリー曲線に似ています。さらに、足場のミクロ構造とマクロ-は高分子ジェット12の飛行経路に依存しています。ディスカッション セクションでは、異なる変位挙動と最適化のための措置の詳細な表が与えられます。
本研究では MEW の技術を使用して高度に制御線維性足場の製造のための加工手順を記述するプロトコルを提案する.この仕事、医療グレード PCL で (分子量 95-140 kg/mol) この医療グレード PCL は技術的な等級を超えて純度を向上し、その機械的および処理のプロパティは、MEW に優れているとして、使用されました。広い、溶解処理範囲の PCL は、その融点の低い (60 ° C) と高い熱安定性から起きる。また、PCL は、エンジニア リング アプリケーション13多くの組織のための優秀な材料はそれに遅い率の生分解性ポリマーです。
この研究のため、温度とコレクターの間隔が一定保たれるが (65 ° C と注射器とスピナレット気温 82 ° C (それぞれ) とコレクターの距離 12 mm);印加電圧、コレクターの速度と空気の圧力が対象径ファイバーを作製するただし、変更されます。MEW 足場を使用して発表された研究の詳細なリストは、結果] セクションに表示され、TE と RM (表 1) のフィールドにさまざまなアプリケーションを明らかにします。
Protocol
Representative Results
Discussion
21st世紀の新しいパラダイムを提示午前を統合医療の分野での課題は、革新的なソリューションを見つけるために。いわゆる「バイオ加工」分野増加と加工技術の革新がテ ・ アプリケーションの高度なアーキテクチャ生産有効にします。直接書き込みモード (ここで MEW) で高分子の溶融エレクトロスピニングはナノスケールにミクロンにおける生体適合性材料の秩序構造があるテ ・ ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、細胞療法の製造業、添加物製造とミュンヘンの技術的な大学の高等研究所オーストラリアの研究評議会アークの中心の共同研究センター CRC によって財政的にサポートされています。この研究は、オーストラリア研究協議会産業変換トレーニング センターが添加物製造 http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026) で実施されました。記事、書籍、テレビやラジオのプログラム、電子メディア、またはプロジェクトに関連するその他の文学作品サイトをご覧ください。さらに、著者は編集や撮影に感謝して撮影、ボイスのフィリップ ・ ハバードの上、ルイーゼ ・ グロスマンのサポートのマリア フランデス Iparraguirre を認めます。
Materials
| Plastic syringe | Nordson Australia Pty Ltd | 7012072 | EFD BARREL O 3mL Clear 50 |
| Medical grade Poly (ε-caprolactone) (mPCL) | Corbion Purac, The Netherlands | PURASORB PC12 | |
| 23 GA needle | Nordson Australia Pty Ltd | 7018302 | #23GP .013 X .25 ORANGE 50 PC |
| Plunger | Nordson Australia Pty Ltd | 7012166 | PISTON O 3mL WH WIPER 50 |
| Pressure adapter | Nordson Australia Pty Ltd | 7012059 | ADAPTER ASM O 3mL BL 1.8M |
| Aluminium collector | Action Aluminium, Australia | SHP2 | Sheet 5005 H34 |
| Acrylic glass | Mulford Plastics Pty Ltd | ACC6-13094 | |
| Mach 3 software | Art Soft | Purchased online | |
| Safety switch interlock | RS components Pty Ltd | 12621330 | |
| High voltage generator | EMCO High Voltage Co. | DX250R | |
| Temperature controller | WATLOW | PM9R1FJ | |
| X and Y positioning slide | VELMEX Inc. | XN-10-0020-M011 |
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. , 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. , 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).
