Smelt Electrospinning skriving av tredimensjonale Poly(ε-caprolactone) stillaser med kontrollerbar Morphologies for Tissue Engineering programmer

Summary

Denne protokollen fungerer som en omfattende veiledning for å dikte stillaser via electrospinning med polymer smelter i en direkte skrivemodus. Vi systematisk skissere prosessen og definere de aktuelle innstillingene for å oppnå målrettet stillaset arkitekturer.

Abstract

Denne opplæringen reflekterer på grunnleggende prinsipper og retningslinjer for electrospinning skriver med polymer smelter, en additiv produksjonsteknologi med stort potensial for biomedisinsk programmer. Teknikken forenkler direkte avsetning av biokompatible polymer fiber å dikte velordnet stillaser i sub-mikron til mikro intervall. Etableringen av et stabilt, viskoelastiske, polymer jet mellom en spinneret og en samler oppnås ved hjelp av en anvendt spenning og kan være direkte skrevet. En betydelig fordel av en typisk skafottet som porøse er høy overflate-til-volum forholdet som gir økt effektiv vedheft nettsteder for cellen vedlegg og vekst. Kontrollere utskriften av finjustering av systemparametere kan høy reproduserbarhet i kvaliteten på trykte stillasene. Det gir også en fleksibel produksjon plattform for brukere å skreddersy morfologiske strukturer av stillasene til deres spesifikke behov. For dette formålet presenterer vi en protokoll for å få ulike fiber diameter bruke smelte electrospinning skrive (MEW) med en guidet endring av parametere, inkludert trafikkflyten hastighet, spenning og samling fart. Videre viser vi hvordan å optimalisere jet, diskutere ofte erfarne tekniske utfordringer, forklare feilsøkingsteknikkene og presentere en rekke utskriftsvennlig stillaset arkitekturer.

Introduction

Produksjon av tredimensjonale (3D) biokompatible strukturer for cellene er en av de viktigste bidragene av additiv biomanufacturing til vev engineering (TE), satsing å gjenopprette vev ved å bruke tilpassede biologisk materiale, celler, biokjemiske faktorer, eller en kombinasjon. Derfor de viktigste kravene til stillaser for TE programmer inkluderer: manufacturability fra biokompatible materialer, kontrollerbar morfologiske egenskaper for målrettet celle invasjonen og optimal overflateegenskaper for forbedret celle interaksjon ¹.

MEW er et løsemiddel-fri produksjon teknikk som kombinerer prinsippene om additiv produksjon (ofte kalt 3D utskrift) og electrospinning for produksjon av polymere nett med svært organisert ultrathin fiber morphologies². Det er en direkte skrive tilnærming og innskudd nøyaktig fiber ifølge forhåndsprogrammerte koder³, kalt G-koder. Smelt electrospun konstruksjoner er tilberedt med en flat^4,5 eller en mandrel^6,7 samler for å dikte porøse flat og rørformede stillaser, henholdsvis.

Denne teknikken tilbyr betydelige fordeler til TE og regenerativ medisin (RM) samfunnet på grunn av muligheten for direkte utskrift medisinsk kvalitet polymerer, som poly(ε-caprolactone) (PCL), som presenterer utmerket biocompatibility⁸. Andre fordeler er muligheten til å tilpasse størrelsen og distribusjon av porøsitet, ved innskudd fibrene i en svært organisert måte å dikte stillaser høy overflate-til-volum forholdstallene. Før MEW kan utføres, krever polymer først bruk av varme⁹. En gang i en flytende tilstand, en anvendt lufttrykket styrker den å strømme ut gjennom en metallisk spinneret som er koblet til en høy spenningskilde. Massebalansen mellom overflatespenningen og tiltrekningen av elektrostatisk ladet slippverktøyet til jordet samleren fører til dannelsen av en Taylor kjegle etterfulgt av utløsing av en jet¹⁰.

Bilder og en skjematisk tegning av huset bygge MEW enheten brukes for denne protokollen er vist i figur 1. I tillegg viser prinsipper med isolerende tape for å unngå elektrisk utladning mellom varmeelementer og elektrisk ladet messing del rundt på spinneret. Utilstrekkelig isolasjon ville føre til interne skader implementert maskinvaren.

Avhengig av justering av de tre systemparametere (temperatur, samling hastighet og lufttrykk) gjør MEW fabrikasjon av fibre med forskjellige diametere, forklart under diskusjon. I de fleste tilfeller, vil finjustering og optimalisering av jet imidlertid nødvendig før en stabil jet mates. Visualisering av elektrifisert reiser jet er en effektiv måte å kontrollere konsistens og homogenitet av prosessen. I en ideell sak ligner flyleden en kjøreledning kurve ervervet som følge av en kraftbalansen kontrollert av systemet parametere¹¹. Videre er mikro – og makro-strukturen i stillasene avhengig av flyleden av polymer jet¹². En detaljert tabell av ulike utslag atferd og tiltak for optimalisering er gitt under diskusjon.

I studien presenterer vi en protokoll som beskriver fabrikasjon trinnene for produksjon av kontrollerte fibrøs stillaser bruker MEW teknologi. I dette arbeidet, medisinsk karakter PCL (molekylvekt 95-140 kg/mol) ble brukt, som denne medisinsk karakter PCL har forbedret renhet over teknisk karakter og egenskapene mekanisk og behandling er utmerket for MEW. Bred smelte behandling utvalg av PCL stammer fra lavt Smeltepunkt (60 ° C) og høy temperaturstabilitet. Videre er PCL en langsom hastighet nedbrytbart polymer, som gjør det et utmerket materiale for mange tissue engineering programmer¹³.

For denne studien, temperatur og samler avstanden holdes konstant (65 ° C og 82 ° C i sprøyten og spinneret temperaturen (henholdsvis) og 12 mm som samler avstand); anvendt spenning, samler og press, men skal varieres for å utvikle fiber med målrettet diameter. En detaljert liste over publiserte studier med MEW stillasene er gitt i delen resultater og avslører ulike programmer for feltene av TE og RM (tabell 1).

Protocol

1. materialet forberedelse Fyll 2 g PCL i en 3 mL plastsprøyte med en trakt og sette inn et stempel i den åpne enden. Plass sprøyten i en forvarmet ovn ved 65 ° C i 8 h. Pek tuppen oppover å tillate luftbobler til samlet nær til åpningen. Skyv stempelet med en tynn gjenstand å løslate den innestengte luften i det smeltede materialet. La den avkjøles til romtemperatur, som oppnås når polymer ikke er gjennomsiktig lenger etter 10 minutter. Lagre PCL forhåndsl…

Representative Results

To ulike metoder for samlingen brukes ofte i MEW, som er flatt samling og mandrel samling. De resulterende arkitekturene, avhenger av programmering av G-koden (tabell 2), som er laget av programvaren. Flat samlingBruke flatt samlere refererer til den vanligste metoden og forenkler direkte avsetning materiale refererer til forhåndsprogrammert G-koden. 0/90 og 0/60 strukturer av forskjellige …

Discussion

Integrere AM for å finne innovative løsninger på utfordringene i det medisinske feltet, presenterer et nytt paradigme for century 21^st . Den såkalte “Bio-fabrikasjon” er på vei og innovasjoner i fabrikasjon teknologi gjør at produksjonen av svært sofistikerte arkitekturer for TE programmer. Electrospinning av polymer smelter i direkte skrivemodus (her MEW) betraktes som en av de mest lovende produksjon kandidatene i samsvar med behovene til TE samfunnet, hvor bestilte strukturer av biokompatible materia…

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