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Bioengineering

Derreter a eletrofiação escrita de andaimes Poly(ε-caprolactone) tridimensional com morfologias controláveis para aplicações de engenharia de tecidos

Published: December 23, 2017 doi: 10.3791/56289

Summary

Este protocolo serve como uma orientação abrangente para fabricar andaimes através de eletrofiação com polímero derrete em um modo de escrita direta. Nós sistematicamente descrevem o processo e definir as configurações de parâmetro apropriado para alcançar o andaime alvo arquiteturas.

Abstract

Este tutorial reflecte sobre os princípios fundamentais e diretrizes para a eletrofiação escrevendo com polímero derrete, uma tecnologia de fabricação aditiva com grande potencial para aplicações biomédicas. A técnica facilita a deposição direta de fibras de polímero biocompatível para fabricar andaimes bem-ordenado no sub mícron a escala micro escala. O estabelecimento de um estável, viscoelástico, polímero jet entre uma fieira e um coletor é conseguido usando uma voltagem aplicada e pode ser direta-escrito. Um benefício significativo de um andaime poroso típico é uma relação elevada da superfície e o volume que proporciona maior aderência eficaz sites para o crescimento e a fixação da célula. Controlar o processo de impressão por ajustando os parâmetros do sistema permite alta reprodutibilidade na qualidade dos andaimes impressos. Ele também fornece uma plataforma de fabricação flexível para usuários adaptar as estruturas morfológicas dos andaimes para suas exigências específicas. Para o efeito, apresentamos um protocolo para obter diâmetros diferentes de fibra usando derreter eletrofiação escrito (MEW) com uma alteração guiada dos parâmetros, incluindo a velocidade do fluxo de taxa, a tensão e a coleção. Além disso, demonstramos como otimizar o jato, discutir os desafios técnicos experientes, muitas vezes, explicar as técnicas de solução de problemas e mostrar uma grande variedade de arquiteturas de andaime para impressão.

Introduction

A fabricação de estruturas tridimensionais (3D) de biocompatível para células é uma das principais contribuições do aditivo biomanufacturing ao tecido engenharia (TE), com o objetivo de restaurar os tecidos através da aplicação de biomateriais personalizados, células, fatores bioquímicos, ou uma combinação deles. Portanto, os requisitos principais de andaimes para aplicações TE incluem: capacidade de fabricação de materiais biocompatíveis, controláveis Propriedades morfológicas para invasão da célula alvo e propriedades de superfície otimizadas para reforçada interação célula 1.

MEW é uma técnica de fabricação de solventes que combina os princípios de fabricação aditiva (muitas vezes chamado impressão 3D) e eletrofiação para a produção de malhas poliméricas com morfologias de fibra ultrafinos altamente ordenada2. É uma abordagem de escrita direta e depósitos com precisão fibras de acordo com códigos pré-programados3, conhecido como G-códigos. Electrospun de derretimento construções são atualmente preparada usando um plana4,5 ou6,7 colecionador mandril para fabricar andaimes planas e tubulares porosos, respectivamente.

Esta técnica oferece benefícios significativos para a comunidade de medicina regenerativa (RM) devido a possibilidade e TE para imprimir diretamente a classe médica de polímeros, tais como poly(ε-caprolactone) (PCL), que apresenta excelente biocompatibilidade8. Outras vantagens são a possibilidade de personalizar o tamanho e a distribuição de porosidade, depositando-se as fibras de forma altamente organizado para fabricar andaimes da alta proporção de superfície e o volume. Antes MEW pode ser executada, o polímero primeiro requer a aplicação de calor9. Uma vez em um estado fluido, uma pressão de ar aplicada força-o a fluir através de uma fieira metálica que é conectada a uma fonte de alta tensão. O equilíbrio de força entre a tensão de superfície e a atração da gota electroestática para o coletor de aterrada leva à formação de um cone de Taylor, seguido pela ejeção de um jato de10.

Imagens e um desenho esquemático do dispositivo in-house compilação MEW usado para este protocolo são mostrados na Figura 1. Além disso, ele demonstra os princípios do uso de fita isolante para evitar uma descarga elétrica entre os elementos de aquecimento e a parte de bronze eletricamente carregado em torno da fieira. Isolamento insuficiente provocaria danos internos do hardware implementado.

Dependendo do ajuste dos parâmetros três sistema (temperatura, pressão de ar e a velocidade de coleta), MEW permite a fabricação de fibras com diâmetros diferentes, explicados na seção de discussão. Na maioria dos casos, no entanto, ajustes e otimização do jato será necessários antes um jato estável será ejetado. A visualização do jato eletrificada itinerante é uma forma eficaz de verificar a consistência e homogeneidade do processo. Em um caso ideal, a rota de voo se assemelha a uma curva catenária adquirida como resultado de um equilíbrio de força controlado pelo sistema parâmetros11. Além disso, a micro-macroestrutura e dos andaimes é dependente à trajetória do polímero jato12. Uma tabela detalhada de medidas para otimização e comportamentos diferentes de deflexão é dada na seção de discussão.

No presente estudo, apresentamos um protocolo que descreve as etapas de fabricação para a fabricação de andaimes fibrosos altamente controlados, usando tecnologia MEW. Dessa série de trabalho, médicos PCL (peso molecular 95-140 kg/mol) foi usado, como essa classe médica PCL melhorou pureza grau técnico, e suas propriedades mecânicas e processamento são excelentes para MEW. Derretimento amplo gama de PCL de processamento se origina de seu baixo ponto de fusão (60 ° C) e alta estabilidade térmica. Além disso, o PCL é um polímero biodegradável taxa lenta, o que o torna um excelente material para muitos tecidos, engenharia de aplicações13.

Para este estudo, a distância de temperatura e coletor será mantida constante (65 ° C e 82 ° C para as temperaturas de seringa e fieira (respectivamente) e 12 mm para a distância do coletor); aplicada a tensão, pressão de ar e velocidade do coletor, no entanto, irá variar para fabricar fibras com diâmetros de alvo. Uma lista detalhada dos estudos publicados usando MEW andaimes é fornecida na seção de resultados e revela diferentes aplicações para os campos de TE e de RM (tabela 1).

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Protocol

1. material preparação

  1. Preencher 2 g de PCL em uma seringa de plástico 3 mL com um funil e introduza a extremidade aberta de um pistão.
  2. Coloque a seringa em um forno pré-aquecido a 65 ° C para 8 h. ponto a ponta para cima permitir que as bolhas de ar a agregação próximo à abertura.
  3. Empurre o pistão com um objeto fino para liberar o ar aprisionado dentro do material fundido.
  4. Deixe-o esfriar até a temperatura de quarto, que é alcançada quando o polímero não é transparente, mais depois de 10 minutos.
  5. Armazene a seringa pré-carregada PCL à temperatura ambiente em um ambiente seco e escuro, até que ele é usado.

2. hardware e configuração do Software

  1. Anexe uma agulha com ponta lisa 23G (fieira) para a seringa e um adaptador de barril na outra extremidade para conectar a seringa para o sistema de pressão de ar.
  2. Coloque a seringa na cabeça de impressão e pressione-o para baixo até a ponta da fieira destaca-se 1 mm da parte de bronze no lado inferior da cabeça.
  3. Montar um coletor no palco e limpar a superfície, bem como a cabeça de impressão com etanol a 70% (vol/vol) para remover poeira ou polímero residual.
  4. Definir a distância de trabalho posicionando um objeto elevado de 12 mm entre a fieira e o coletor e abaixe a cabeça de impressão até a ponta de fieira apenas toca-lo.
  5. Ajustar os reguladores de temperatura na caixa elétrica de 82 ° C e 65 ° C para a região de fiandeira e a seringa, respectivamente e lhes poder para derreter o PCL.
  6. Aguardar pelo menos 10 min até que o polímero fundido e iniciar a pressão do ar, definindo o regulador para 1,8 bar.
  7. Prepare o G-código para definir o tamanho e forma, filamento Interamericano de distância e o número de camadas do cadafalso e a velocidade de coleta do processo.
    Nota: Um modelo detalhado para fabricar andaimes tubulares e planas é fornecido no capítulo discussão (tabela 2).
  8. Verifica manualmente todos chão cabos estão conectados firmemente para o cerco e a tomada de parede.
  9. Inicie o software (por exemplo, MACH 3) no computador e carregar o código G preparado.

3. fabricação de andaime

  1. Feche a porta da frente do gabinete, que se conecta a trava de segurança e desencadeia a fonte de alta tensão para a fieira.
    Nota: Uma vez que a porta está aberta, por exemplo quando uma impressão for concluída, ou em caso de emergência, a alta tensão cai e o andaime podem ser removidos com segurança.
  2. Aumente a alta tensão gradualmente em 0,2 kV passos até um cone de Taylor é formado e uma fibra é ejectada para o coletor (ver exemplar cone de Taylor na Figura 1).
  3. Permitir que o derretimento do polímero a ser extrudado na placa de coletor ainda para estabilizar o jato sem movimento por 5 minutos. Remova a pilha do material antes de iniciar uma nova impressão.
  4. Use os cursores do teclado para mover a cabeça de impressão acima do ponto onde os G-códigos vão começar.
  5. Inicie o G-código do software no computador.

4. ajuste do diâmetro da fibra

  1. Mantenha a distância de trabalho (12 mm) e os reguladores de temperatura (82 ° C e 65 ° C para a região de fiandeira e a seringa, respectivamente) em um nível constante, conforme descrito antes no passos 2.4 e 2.5.
    Nota: Um resumo dos diferentes diâmetros de ajuste é dado na tabela 3.
  2. Imprima as fibras com diâmetros de tamanhos pequenos (3-10 µm). Reduzir o nível de pressão de ar para 0,8 bar, ajustar a tensão aplicada a 8 kV e conjunto coletor de velocidade a 1700 mm/min.
  3. Fibras de impressão com médio porte diâmetros (10-20 µm). Ajustar a pressão de ar nível para 1,5 bar, conjunto tensão de 11 kV e inferior a coleção velocidade de 1200 mm/min.
  4. Fibras de impressão com grandes diâmetros (20-30 µm). Aumentar o nível de pressão de ar para 2,6 bar, alterar a tensão aplicada a 12 kV e diminuição da coleção velocidade a 700 mm/min.

5. jet otimização

  1. Ilumine o jato com um forte LED luz de fora do gabinete, para melhor visibilidade.
  2. Observar o comportamento da fibra durante 1 minuto e ajustar os parâmetros do sistema para otimizar o processo em pequenas etapas, ou seja, 0,1 kV de tensão aplicada, 100 mm/min. para velocidade de coleção e 0.1 bar para pressão de ar.
    Nota: Um resumo é dado na tabela 4.
  3. Estabilize-se periodicamente, desviando comportamento diminuindo a pressão de ar, aumentando a velocidade e minimizando a tensão até à trajetória da fibra se assemelha a uma curva catenária estável por mais de 3 minutos.
  4. Corrigi a trajectória de voo de um atraso jato aumentando a tensão, reduzindo a pressão de ar e reduzindo a velocidade do coletor. Aplica essas medidas até à trajetória da fibra transfere de volta para uma forma curva catenária.
  5. Evite fibras viajar verticalmente para o coletor de diminuir a tensão aplicada, aumentando a velocidade do coletor e aumentando a pressão de ar até à trajetória do jato retém a forma de uma curva catenária novamente.

6. andaime coleção

  1. Abra a porta quando a impressão for concluída e use o cursor para mover a placa de coletor em direção à porta para melhor acessibilidade.
  2. Pulverize o andaime com mistura de etanol 70% (vol/vol) e espere 10 segundos até que ele desconecta-se visivelmente do coletor.
  3. Recolha o andaime terminado por agarrar uma borda com uma pinça e retire-a do recinto.

7. resolução de problemas

  1. Diminuir a tensão aplicada ou abra a porta imediatamente se houver uma faísca entre a fieira visível ou um ruído de craqueamento audível.
  2. Retire todos os materiais perigosos e líquidos, tais como etanol 70% (vol/vol) do interior do recinto como um fogo pode causar a ignição em caso de faíscas potenciais.
  3. O G-código do programa nesse sentido que a fieira move-se longe da área onde o andaime é impresso depois de todas as camadas são feitas. Isso evita o acúmulo de material acima do ponto onde a fieira finalmente para.
  4. Verifique a fieira sob uma lupa e verificar que não há nenhum dano para a fieira como isso influenciará significativamente a homogeneidade do cone de Taylor.

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Representative Results

Dois métodos diferentes de coleta são comumente usados em MEW, que são plana coleção e coleção de mandril. As arquiteturas resultantes dependem da programação do G-código (tabela 2), que é executado pelo software.

Coleção plana
Aplicação de coletores planos refere-se ao método mais comum e facilita a deposição direta de material referindo-se ao G-código pré-programados. 0/90 e 0/60 estruturas de diferentes tamanhos são amplamente relatadas na literatura. Além disso, a capacidade de depositar diretamente fibras derretidas no coletor também facilita a produção de aleatoriamente ainda organizado estruturas quando um colector plano padronizado é usado em vez de uma suave e uma14.

Tubular
Há uma grande demanda para a fabricação de andaimes com arquiteturas tubulares para aplicações de TE. MEW é um método eficaz de atingir andaimes tubulares com porosidade personalizada utilizando coletores cilíndricos. Estas giram ao longo de seu próprio eixo, enquanto traduzia ao longo do eixo do mandril. Através de ajuste fino do G-código, o rotacional, bem como a velocidade de translação é determinada e a orientação das fibras pode ser personalizada. Velocidades de rotação mais elevadas do que a velocidades de translação originar radialmente orientados poros e vice-versa. O número total de camadas, distribuição e morfologia da porosidade irá configurar as propriedades mecânicas do cadafalso. O diâmetro interno do andaime tubular será determinado pelo diâmetro externo do mandril implementado.

Figure 1
Figura 1 : Instalação MEW. (A) incluindo um PC, a unidade de impressão e a caixa de controle elétrico (B), a cabeça e o coletor (C) a fibra em uma fase de voo perfeitamente equilibrado e ilustração (D), um diagrama esquemático de um cone de Taylor. (E) mostra um diagrama esquemático de uma impressora e lista os parâmetros de sistema mais prevalecentes cinco, incluindo "aplicada tensão" (gerador de alta tensão), "temperatura" (controlador de temperatura), "pressão de ar" (regulador de pressão), ("distância de trabalho" ajuste através de portas adentro projetado móvel eixo z) e "velocidade de coleta" (X e Y posicionamento slides). (F) demonstra o design do sistema de isolamento dentro da cabeça de impressão através de uma fita de poliamida resistente ao calor. Isso impede que a formação de arco entre o "elemento de aquecimento 1" e a parte carregada"Bronze". Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2 : Diferentes andaimes fabricados com um colector plano (A), malha de 0/90 (B) e o retículo mesmo em maior resolução (C). (D) demonstra uma estrutura de 0/60 e (E), uma estrutura aleatoriamente controlada.Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3 : Apresentando de andaimes tubulares diferentes e uma imagem representativa respectiva de microscopia eletrônica (SEM). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Infiltração de fibroblastos dérmicos de andaimes poly(ε-caprolactone) fabricada por derreter eletrofiação em um modo de escrita direta (Fernandes et al., 2013)4 | |  APARTAMENTO
Fibroblastos dérmicos semearam PCL MEW andaimes são avaliadas para a infiltração de células.
Um modelo de engenharia de tecidos humanizado xenoenxertos de metástase de câncer de mama humano ao osso (Thibaudeau et al., 2014)15 | | TUBULAR
Andaimes tubulares de MEW são usados para criar um osso viável ectópicas 'órgão' em um modelo do rato para estudar a metástase do cancro de mama humano ao osso.
Mecanismos de sinalização espécie-específicos de metástase de câncer de próstata humano no tecido engenharia óssea (Holzapfel et al., 2014)16 | | TUBULAR
MEW andaimes são usados para criar um osso de engenharia de tecidos para pesquisa do câncer da próstata.
Melhorar a integridade estrutural do hidrogel usando altamente organizada derreter construções de fibra electrospun (Bas et al., 2015)17 | |  APARTAMENTO
MEW moldes com diferentes padrões de lay-para baixo e poresizes são usados para aprimorar a funcionalidade mecânica de hidrogel suave.
Reforço de hidrogel usando microfibras impressas tridimensionalmente (Visser et al., 2015)18 | |  APARTAMENTO
Hidrogel com base em gelatina macia é reforçadas com andaimes MEW PCL.
Derreter a eletrofiação para cilindros: efeitos de diâmetro coletor e velocidade rotacional na morfologia das estruturas tubulares (Jungst et al., 2015)6 | | TUBULAR
A influência das velocidades translacionais e rotacionais na morfologia final de andaimes tubulares de MEW sistematicamente são investigados.
Hierarquicamente estruturada poly(2-oxazoline) poroso hidrogel (Haigh et al., 2016)19 | | APARTAMENTO
MEW andaimes são usados como um modelo de sacrifício para criar uma rede hierárquica de porosidade 3D dentro de um hidrogel.
A validado pré-clínicos modelo animal para a pesquisa de tumor ósseo primário (Wagner et al., 2016)20 | | TUBULAR
MEW andaimes são usados para criar construções de engenharia de tecidos humanizado para pesquisa pré-clínica em tumores ósseos primários.
Engenharia de tecido periósteo em um ortotópico em plataforma vivo (Baldwin et al., 2017) 21 | | TUBULAR
Um andaime multifásica consiste em uma malha MEW e um hidrogel é desenvolvido para aplicações de regeneração de tecido periósteo.
Metrologia Dimensional das interacções célula-matriz em microescala 3D substratos fibrosa (Tourlomousis e Chang. 2017)22 | | APARTAMENTO
Interações célula-matriz são investigadas em andaimes MEW com arquiteturas diferentes.
Expressão de matriz extracelular endosteal, como na electrospun de derretimento escrito andaime (Cascante-Muerza et al., 2017)23 | | APARTAMENTO
Andaimes de MEW PCL são usados para desenvolver um tecido ósseo-como endosteal que promove o crescimento de células-tronco hematopoéticas humano primário.
3D impresso grades como uma plataforma de ativação e expansão para a terapia de células T (Delalat et al., 2017)24 | | APARTAMENTO
Andaimes com fibra diferente espaçamento (200 µm, 500 µm e 1000 µm) são superfície poliepiclorohidrina e inoculado com células T para expansão.
Compósitos de rede macia de Biofabricated para tecido cartilaginoso engenharia (Bas et al., 2017)25 | | APARTAMENTO
Compósitos de rede macia biomimetic consistindo de uma matriz de hidrogel e reforçando malhas MEW projetadas para reparação da cartilagem articular são relatados.
Através de engenharia de interface precisa para Bioinspirada compósitos com melhor processabilidade de impressão 3D e propriedades mecânicas (Hansske et al., 2017)26 | | APARTAMENTO
Andaimes PCL nanopartículas reforçada do flúor magnésio fabricados por meio de MEW são concebidos e desenvolvidos para aplicações de engenharia de tecido ósseo.

Tabela 1: referências para uma lista de estudos, no qual MEW andaimes foram fabricados e utilizados para aplicações biológicas. A lista fornece resultados de andaimes planas, bem como tubulares implementadas.

Table 2
Tabela 2: explicação de um G-código para andaimes tubulares e planas, usando um arquivo de texto (. txt) para ser carregado no software de programação. Clique aqui para ver uma versão maior desta tabela.

Table 3
Tabela 3: valores representativos dos parâmetros pressão, tensão e coleção de velocidade do ar (temperatura e coleção distância constante) para alcançar três intervalos de diâmetro diferente (pequenos, médios e grandes). As setas vermelhas propõem valores exatos dentro das respectivas categorias para alcançar os diâmetros de fibra.Clique aqui para ver uma versão maior desta tabela.

Table 4
Tabela 4: ilustração esquemática dos diferentes casos e imagens reais de deposição de fibra possível no MEW, bem como meio para otimizar o. Clique aqui para ver uma versão maior desta tabela.

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Discussion

Integração AM a fim de encontrar soluções inovadoras para os desafios no campo da medicina apresenta um novo paradigma para o século 21st . O campo chamado de "Bio-fabricação" está em ascensão e inovações em tecnologias de fabricação permitem a produção de arquiteturas altamente sofisticadas para aplicações de TE. A eletrofiação de polímeros derrete em um modo de escrita direta (MEW aqui) é vista como um dos mais promissores candidatos fabricação em conformidade com as necessidades da Comunidade TE, onde estruturas ordenadas de materiais biocompatíveis no mícron, a nanoescala são necessário,27.

Este tutorial tem como objetivo gerar conhecimentos fundamentais das operações do MEW por explicar os princípios físicos e demonstrando ação passos para fabricar andaimes podem ser reproduzidos usando esta tecnologia.

Uma vez que os princípios gerais do MEW são comparáveis das tecnologias convencionais de fabricação aditiva, ou seja, uma alvo deposição de material extrudado de forma camada por camada, é fundamental controlar o movimento relativo entre a cabeça e o coletor. De nossa experiência, recomendamos trabalhar com dispositivos MEW que mantenham uma cabeça fixa, enquanto o respectivo movimento do coletor é realizado por fase (X e Y). Uma cabeça fixada permanece em uma posição estável e não gera forças cinemáticas, que atuam sobre o cone de Taylor e potencialmente levar a distúrbios durante sua criação. Além disso, a fiação associada com alta tensão e aquecedores não está sujeita a movimento repetitivo sustentado. O movimento de coletor é definido pelo G-código, que precisa ser carregado no software. Este código, também conhecido como RS-274, é amplamente utilizado no campo de fabricação assistida por computador para controlar o percurso de ferramentas. Para aplicações de MEW com coletores planos, o arquivo de código G determina o movimento e a velocidade em X e Y a direção; para coletores cilíndricos ou aplicações de mandril, o arquivo de G-código define o translacional (X direção) e rotacional velocidades. Tabela 2 explica a programação de um G-código mais detalhadamente.

Em comparação com outras tecnologias de fabricação aditiva, MEW permite a fabricação de fibras com diâmetros diferentes pelo ajuste da temperatura de parâmetros do sistema, coleção de velocidade e tensão aplicada, conforme descrito no protocolo.

Para alcançar as fibras pequenas (3-10 µm), é aconselhável usar a baixas pressões, tensões moderadas e coleção altas velocidades. Geralmente, pressão reduzida leva à massa menos extrudada. Isto é acompanhado por uma diminuição correspondente a área de superfície do jato. Portanto, menores as forças eletrostáticas são necessárias para acelerar a massa da fibra para o coletor, ou seja, baixa tensão precisa ser aplicada. Além disso, comparáveis umas velocidades mais elevadas coleção levam a maior alongamento da fibra, causando uma redução adicional do diâmetro da fibra final.

Aumentando a pressão induz mais fluxo do polímero fundido e assim, leva a maiores diâmetros de fibra (10-20 µm). Neste caso, a maior força eletrostática é necessária para compensar a superfície do polímero alargada (fibras mais grossas). A fim de obter um polímero estável jet stream, a tensão deve ser alterada e a velocidade de coleta deve ser reduzida.

Diâmetros de fibra grande (20-30 µm) requerem a extrusão do polímero reforçada, ou seja, maior pressão de ar. Isto provoca fibras relativamente mais espessas e é sugerido para ser aplicado em combinação com maior tensão para fornecer suficiente força eletrostática sobre a fibra. Além disso, velocidades reduzidas de coleta induzem menos alongamento da fibra. Um resumo é dado na tabela 3.

Todos os três casos acima mencionados, no entanto, continuam a exigir ajuste fino e otimização para manter uma curva catenária estável em forma de fibra ao longo do tempo, explicou no protocolo. No MEW, só um equilíbrio perfeitamente equilibrado entre as forças que determinar o fluxo do polímero em massa e as forças atraindo o jacto contra o coletor conduzirão eventualmente para alcançar o andaime consistente morfologias 12,28 . Daí, divergências do percurso do jato refletem fortes desvios do diâmetro da fibra ou deposição imprecisa. De nossa experiência, podem ser obtidas três variações diferentes em comportamento.

Primeiro, uma fibra pode pulso, um fenômeno inicialmente relatado por Dalton grupo12. Uma distribuição desequilibrada entre entregue em massa e respectivas arrastar-forças sobre os resultados de fibras em um cone de Taylor constantemente mantido, que periodicamente libera polímero acumulado. Isso faz com que variabilidade significativa nos ângulos do caminho e os resultados em diferentes diâmetros.

Segundo, um revestimento eletrificada jato ocorre quando a velocidade do coletor é maior do que a velocidade de extrusão do jato. A deposição final do jato acontece longe da direção vertical da fieira, causando um atraso jet stream. A trajectória de voo se assemelha a uma curvatura subestimada, que também minimiza as dimensões de um andaime impresso.

Em terceiro lugar, um jato eletrificado flambagem é causado pelo impacto perpendicular do jato para o coletor e manifestos, quando a velocidade do coletor é definida mais lento que a velocidade na qual o jato está fluindo para fora a fieira. Aplicação de alta tensão também pode causar flambagem, produzindo uma aceleração excessiva para o coletor e um caminho de voo reto da fibra. Deposição indesejada de loops é observada neste caso.

Meios para re-estabilizar o processo são fornecidos no protocolo e mostrados na tabela 4.

Na perspectiva da implementação do andaime, múltiplos benefícios existem quando usando PCL e MEW, como biocompatibilidade, reprodutibilidade através da escrita direta, ou preconcebida personalização das arquiteturas resultantes. MEW pode ser realizado em qualquer bancada de laboratório convencional, uma vez que utiliza solventes polímero derrete, portanto não requer exaustores de fumos caro ou exaustiva, reciclagem de materiais residuais29. Não há nenhum odor quando entrar em um quarto que contém dispositivos MEW.

Além disso, uma superfície de alta realizável a relação do volume dentro de um andaime porosa é de grande vantagem e faz andaimes MEW bem adequados para aplicações biológicas30.

Em comparação com o conhecido tecnologias de impressão 3D, como modelagem de deposição fundida31, MEW tem limitações em alturas imprimíveis de estruturas ordenadas.O motivo é visto no processo inerente da aplicação de forças eletrostáticas, que armadilhas móveis cobram transportadoras dentro as fibras depositadas. Uma vez que a altura de andaimes excede cerca de 4 mm, é relatado que a soma da carga em excesso acumulado dentro dos actos de andaime repelindo para fibras próximas32. Posteriormente, na maioria dos casos, as camadas superiores resultantes são significativamente distorcidas.

Outra diferença de tecnologias de impressão 3D convencionais reside no fato de que a deposição de material durante o processo não pode ser interrompida e unicamente parar todos os parâmetros do sistema eventualmente detém a extrusão de material. Isto representa uma limitação de concepção e deve ser considerado quando o G-código de programação. Enquanto a iniciação do jato pode ser executada mecanicamente33, G-código programação precisa considerar uma abordagem direta-escrita contínua.

Aumentar a eficiência do processo e taxa de transferência do MEW também continua a ser um desafio e representa a principal razão, na nossa opinião e dos outros de por que esta tecnologia não foi dimensionado para cima a nível industrial ainda34. Em primeiro lugar, o processo MEW é inerentemente baixo na produtividade devido a baixas vazões e velocidades de coleção limitada. Ambos os aspectos, no entanto, são essenciais para garantir a deposição controlada do jato e reprodutibilidade na impressão. De fato, a velocidade máxima coleção durante o processo de impressão é restrita aos limites físicos do material utilizado, ou seja, demasiado altas velocidades causaria quebra do jato, quando as forças de arraste excederem limites viáveis. Outra estratégia para upscale depende usando multi-expulsando MEW dispositivos, ou seja, máquinas com várias cabeças de impressão em curta distância uns aos outros; no entanto, estas cabeças multi causaria as interferências entre o campo elétrico de cada cabeça e posteriormente distorcer a deposição de fibra final35. Sem derreter eletrofiação cabeças têm gerado um número significativo de jatos eletrificada36, embora controlando a colocação exata das fibras direta-escritos pode ser difícil de alcançar. Futuros desenvolvimentos no sentido de aumentar a eficiência do MEW, no entanto, não só beneficiaria a Comunidade biomédica, mas também as indústrias de filtração, têxteis ou pedidos de energia2.

Embora este tutorial fornece diretrizes para fabricar andaimes personalizados sob as configurações de parâmetro proposto, deve-se notar que dependências de menores em condições ambientais, como temperatura ou umidade existem e podem levar a não intencional desvios37. Os resultados apresentados neste tutorial baseiam-se no know-how acumulado do grupo Hutmacher, realizados em condições ambientais estáveis dentro de espaços de laboratório controlado.

PCL é o candidato mais proeminente para MEW. Do ponto de vista de engenharia, seu baixo ponto de fusão (60 ° C) é benéfico, como isso não requer a implementação desafiador de aquecedores de alta temperatura (> > 100 ° C) em estreita a distância de fontes de alta tensão. Em um nível material de engenharia, PCL é semicondutor e fornece forte coesão macromolecular como um fluido e um sólido. Apesar da forte alongamento mecânico, o material viscoso adere a um certo grau, o que resulta em fibra proeminente desbaste quando aumentar a velocidade de coletor ou aplicada tensão. Eletrofiação de derretimento convencional sem mover os coletores tem sido relatada com diferentes polímeros, tais como polipropileno, polietileno ou nylon9. A aplicação dos princípios de escrita directa, no entanto, predominantemente tem sido relatada com PCL e algumas misturas PCL com aditivos para mais diminuir sua viscosidade38, embora haja exceções39,40. No futuro, no entanto, prevemos uma ampla gama de materiais processados por MEW. Este, por sua vez, implicará que a atualização de componentes de hardware para esta tecnologia, quanto ao polipropileno de processamento exemplo (ponto de fusão 160 ° c) altera os atuais requisitos técnicos de hardware de dispositivos do MEW.

Existe um crescente interesse em andaimes polímeros biocompatíveis com arquiteturas altamente precisas e controláveis; MEW, até à data, representa a tecnologia única, que, em comparação com outras técnicas de biomanufacturing, é capaz de fabricar ordenou arquiteturas na faixa inferior do mícron (com exceções a sub mícron faixa41). Nos últimos anos este chumbo a uma quantidade exponencial crescente de patentes e publicações30. Portanto, abordar a complexidade técnica através da implementação de otimizado a ferragem e o estabelecimento de controle em processo de MEW é de grande importância. Isto facilitará a produção de andaimes com arquiteturas adaptadas para uma ampla gama de aplicações no futuro.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado financeiramente pelo CRC de centro de pesquisa cooperativa para fabricação de terapia celular, Australian Conselho ARC centro de investigação em Biomanufacturing do aditivo e do Instituto de estudos avançados da Universidade Técnica de Munique. Esta pesquisa foi realizada pelo australiano Conselho Industrial transformação formação centro de investigação em aditivo Biomanufacturing http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026). Por favor, visite o site para artigos, livros, programas de televisão ou rádio, meios eletrônicos ou qualquer outras obras literárias relacionadas ao projeto. Além disso, os autores com gratidão reconhecem Maria Flandes Iparraguirre pelo apoio nas filmagens, Philip Hubbard para a voz e Luise Grossmann para filmagem e edição.

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
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References

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Wunner, F. M., Bas, O., Saidy, N.More

Wunner, F. M., Bas, O., Saidy, N. T., Dalton, P. D., Pardo, E. M. D. J., Hutmacher, D. W. Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(ε-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications. J. Vis. Exp. (130), e56289, doi:10.3791/56289 (2017).

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