Summary
Este protocolo sirve como una guía completa para la fabricación de andamios mediante electrospinning con polímero se funde en un modo de escritura directa. Sistemáticamente el proceso del esquema y definir la configuración de los parámetros apropiados para lograr arquitecturas específicas andamio.
Abstract
Este tutorial se refleja en los principios y directrices para el electrospinning escribiendo con el polímero se funde, una tecnología de fabricación aditiva con gran potencial para aplicaciones biomédicas. La técnica facilita la deposición directa de las fibras de polímero biocompatible para fabricar andamios bien ordenados en el sub-micron al rango de la escala micro. El establecimiento de un establo, viscoelástico, jet de polímero entre una hilera y un colector se consigue utilizando un voltaje aplicado y puede ser escrito directo. Un beneficio significativo de un andamio poroso típico es una alta relación superficie a volumen que proporciona mayor adhesión eficaz sitios para el crecimiento y fijación de la célula. Controlar el proceso de impresión por ajustar los parámetros del sistema permite alta reproducibilidad en la calidad de las matrices de soporte impresos. También proporciona una plataforma de fabricación flexible para los usuarios a adaptar las estructuras morfológicas de los andamios a sus requerimientos específicos. Para ello, presentamos un protocolo para obtener diámetros de fibra diferentes usando melt electrospinning escritura (MAÚLLE) con una enmienda de guiado de los parámetros, incluyendo la velocidad del flujo velocidad, voltaje y colección. Además, demostramos cómo optimizar el chorro, a menudo experimentado desafíos técnicos, explicar técnicas de solución de problemas y mostrar una amplia gama de arquitecturas de andamio para imprimir.
Introduction
La fabricación de estructuras biocompatibles de tridimensionales (3D) para las células es una de las aportaciones claves de biomanufactura añadido al tejido Ingeniería (TE), con el objetivo de restaurar los tejidos mediante la aplicación de biomateriales modificado para requisitos particulares, células, factores bioquímicos, o una combinación de ellos. Por lo tanto, los principales requisitos de andamios para aplicaciones TE incluyen: fabricación de materiales biocompatibles, propiedades morfológicas controlables para la invasión de células específicas y propiedades superficiales optimizadas para mayor interacción de la célula 1.
MEW es una técnica de fabricación de disolventes que combina los principios de la fabricación aditiva (a menudo llamada impresión 3D) y electrospinning para la producción de mallas poliméricas con fibra ultrafina altamente ordenado morfologías2. Es un método de escritura directa y depósitos con precisión las fibras según códigos preprogramados3, conocido como G-Codes. Derretir electrospun construcciones están preparadas utilizando un plano4,5 o un colector de7 mandril6,para fabricar andamios porosos planos y tubulares, respectivamente.
Esta técnica ofrece importantes beneficios a la comunidad de medicina regenerativa (MR) debido a la posibilidad y TE para directamente imprimir polímeros de grado médico, tales como poly(ε-caprolactone) (PCL), que presenta excelente biocompatibilidad8. Otras ventajas son la posibilidad de personalizar el tamaño y la distribución de la porosidad, depositando las fibras de una manera muy organizada para fabricar andamios de alta relación superficie a volumen. Antes de que MEW se puede realizar, el polímero exige primero la aplicación de calor9. Una vez en estado líquido, una presión de aire aplicada lo obliga a salir a través de una hilera metálico que está conectado a una fuente de alto voltaje. El equilibrio de fuerza entre la tensión superficial y la atracción de la gota cargada electrostáticamente al colector de tierra conduce a la formación de un cono de Taylor, seguida de la expulsión de un chorro de10.
Imágenes y un dibujo esquemático del dispositivo MEW construir casa utilizado este protocolo se muestran en la figura 1. Además demuestra los principios de utilizar cinta aislante para evitar descargas eléctricas entre los elementos de calentamiento y la parte de latón eléctricamente cargada alrededor de la hilera. Aislamiento insuficiente daría lugar a daños internos del hardware implementado.
Según el ajuste de los parámetros del tres sistema (temperatura, presión de aire y velocidad de recogida), MEW permite la fabricación de fibras de diferentes diámetros, explicadas en la sección de discusión. En la mayoría de los casos, sin embargo, puesta a punto y optimización del jet será requeridos antes de que se expulsará un chorro. La visualización del chorro electrificado viaje es una forma efectiva de verificar la consistencia y homogeneidad del proceso. En un caso ideal, la trayectoria de vuelo se asemeja a una curva catenaria adquirida como resultado de un equilibrio de fuerza controlado por los parámetros de sistema11. Además, la estructura micro y macro de los andamios es dependiente de la trayectoria de vuelo del jet del polímero12. Una tabla detallada de desviación diferentes comportamientos y medidas para la optimización se da en la sección de discusión.
En el presente estudio, presentamos un protocolo que describe los pasos de fabricación para la fabricación de andamios fibrosos altamente controlados usando la tecnología MEW. En este trabajo, médica grado PCL (peso molecular 95-140 kg/mol) fue utilizado, como este grado médico PCL ha mejorado la pureza en grado técnico y sus propiedades mecánicas y procesamiento son excelentes para MEW. Fusión amplia gama de PCL de procesamiento origina de su bajo punto de fusión (60 ° C) y alta estabilidad térmica. Además, LCP es un polímero biodegradable de ritmo lento, que lo hace un material excelente para muchos tejidos ingeniería aplicaciones13.
Para este estudio, la distancia de la temperatura y el colector se mantendrá constante (65 ° C y 82 ° C para las temperaturas de la jeringa e hilera (respectivamente) y 12 mm para la distancia de colector); aplicado voltaje, selector velocidad aire presión y, sin embargo, se varió para fabricar fibras con diámetros específicos. Una lista detallada de los estudios publicados con andamios MEW se proporciona en la sección de resultados y revela diferentes aplicaciones para los campos de TE y RM (tabla 1).
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Protocol
1. material preparación
- Llenar 2 g de PCL en una jeringa de plástico de 3 mL con un embudo e inserte un pistón en el extremo abierto.
- Coloque la jeringa en un horno precalentado a 65 ° C durante 8 h. punto de la punta hacia arriba permitir que las burbujas de aire en total cerca de la abertura.
- Empuje el émbolo con un objeto delgado para liberar el aire atrapado en el material fundido.
- Déjelo enfriar a temperatura ambiente, que se consigue cuando el polímero no es transparente ya después de 10 minutos.
- Almacenar la jeringa precargada de PCL a temperatura ambiente en un ambiente seco y oscuro hasta que se utiliza.
2. hardware y Software de configuración
- Conecte una aguja con punta plana de 23G (hilera) a la jeringa y un adaptador del barril en el otro extremo para conectar la jeringa al sistema de presión de aire.
- Colocar la jeringa en el cabezal de impresión y presione hacia abajo hasta la punta de la hilera sobresale 1 mm desde la parte de latón en la parte inferior de la cabeza.
- Montaje de un colector en el escenario y limpiar la superficie, así como el cabezal de impresión con etanol al 70% (vol/vol) para quitar el polvo o polímero residual.
- Ajuste la distancia de trabajo colocando un objeto alto de 12 mm entre la hilera y el colector y baje el cabezal de impresión hasta que sólo toca la punta de la hilera.
- Ajuste los reguladores de temperatura en la caja eléctrica a 82 ° C y 65 ° C para la región de la hilera y la jeringa, respectivamente y energía para derretir el LCP.
- Espere al menos 10 minutos hasta que el polímero fundido e iniciar la presión de aire de ajuste el regulador a 1,8 bar.
- Preparar el código G para definir el tamaño y forma, distancia entre filamento y el número de capas del andamio y la velocidad de la colección del proceso.
Nota: Se suministra una plantilla detallada para la fabricación de Andamios tubulares y planos en el capítulo de discusión (tabla 2). - Comprobar manualmente que todos los cables de tierra están bien conectados a la caja y el cable de corriente.
- Inicie el software (por ejemplo, MACH 3) en el equipo y cargar el código de G preparado.
3. andamios fabricación
- Cerca de la puerta principal del recinto, al cual se conecta el dispositivo de seguridad y activa el suministro de alto voltaje a la hilera.
Nota: Una vez que se abre la puerta, por ejemplo, cuando se acaba una impresión o en caso de emergencia, disminuye la tensión alta y el andamio pueden eliminarse con seguridad. - Aumentar el alto voltaje gradualmente en 0,2 kV pasos hasta que se forma un cono de Taylor y una fibra es expulsada hacia el colector (ver ejemplar Taylor cono en figura 1).
- Permita que el derretimiento del polímero a ser sacado de la placa de colector todavía para estabilizar el avión sin movimiento durante 5 minutos. Retire la pila de material antes de comenzar una nueva impresión.
- Usar las flechas del teclado para mover el cabezal de impresión sobre el punto donde los códigos G se iniciará.
- Iniciar el código de G del software en el ordenador.
4. Ajuste de diámetro de fibra
- Mantener la distancia de trabajo (12 mm) y los reguladores de temperatura (82 ° C y 65 ° C para la región de la hilera y la jeringa, respectivamente) en un nivel constante, como se describe antes en pasos de 2.4 y 2.5.
Nota: Un resumen de diferentes diámetros de ajuste se da en la tabla 3. - Imprimir las fibras con diámetros de tamaño pequeño (3-10 μm). Reducir el nivel de presión de aire a 0,8 bar, ajuste la tensión a 8 kV y conjunto el selector de velocidad a 1700 mm/min.
- Diámetros de tamaño de impresión fibras con medio (10-20 μm). Ajustar la presión de aire nivel a 1.5 bar, ajuste tensión de 11 kV y bajo la colección velocidad a 1200 mm/min.
- Imprimir las fibras con los diámetros grandes (20-30 μm). Aumentar el nivel de presión de aire a 2,6 bar, alterar la tensión a 12 kV y disminución de la colección de la velocidad a 700 mm/min.
5. jet optimización
- Iluminar el chorro con un fuerte luz desde fuera del recinto para una mejor visibilidad del LED.
- Observar el comportamiento de la fibra durante 1 minuto y ajustar los parámetros del sistema para optimizar el proceso en pequeños pasos, es decir, 0.1 kV de tensión, 100 mm/min velocidad de colección a 0,1 bar de presión de aire.
Nota: Se da un resumen en la tabla 4. - Estabilizar periódicamente desviar el comportamiento disminuyendo la presión de aire, aumentando la velocidad y minimizar la tensión hasta que la trayectoria de vuelo de la fibra se asemeja a una curva catenaria estable durante más de 3 minutos.
- Corregir la trayectoria de vuelo de un jet rezagada por aumento de la tensión, reduciendo la presión del aire y reduciendo la velocidad del colector. Aplicar estas medidas hasta que la trayectoria de vuelo de la fibra se mueve hacia atrás a una forma de curva catenaria.
- Evitar fibras viaja verticalmente hacia el colector por disminución de la tensión, aumentando la velocidad del colector y aumento de la presión de aire hasta que la trayectoria de vuelo del jet conserva la forma de una curva catenaria otra vez.
6. andamio colección
- Abra la puerta cuando la impresión haya finalizado y usa los cursores para mover la placa de colector hacia la puerta para facilitar el acceso.
- Rocíe el andamio con mezcla de 70% (vol/vol) de etanol y esperar 10 segundos hasta que visiblemente se separa del colector.
- Recoja el andamio terminado por acaparamiento de un borde con pinzas y sacar de la caja.
7. solución de problemas
- Disminuir la tensión o abrir la puerta inmediatamente si hay una chispa entre la hilera visible o un crujido audible.
- Retire todos los materiales peligrosos y líquidos como el etanol 70% (vol/vol) desde el interior del recinto como puede encender un fuego en el caso de posibles chispas.
- Programa G-Code por consiguiente que la hilera se mueve lejos del área donde el andamio se imprime después de todas las capas. Esto evita la acumulación de material por encima del punto donde se detiene finalmente la hilera.
- Compruebe la hilera bajo una lupa y comprobar que no hay ningún daño a la hilera ya que esto influenciará significativamente la homogeneidad del cono de Taylor.
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Representative Results
Dos métodos de colección se usan en MEW, que son plana colección y colección de mandril. La arquitectura resultante depende de la programación de la G-Code (tabla 2), que es ejecutado por el software.
Colección Flat
Aplicación de colectores planos se refiere al método más común y facilita la deposición directa de material referente al código preprogramado de G. 0/90 y 0 60 estructuras de diferentes tamaños se informó ampliamente en la literatura. Además, la capacidad de depositar directamente fibras fundidas en el colector también facilita la producción de forma aleatoria pero organizado estructuras cuando se utiliza un colector plano estampado en lugar de un suave uno14.
Tubular
Hay una gran demanda para la fabricación de Andamios tubulares arquitecturas para aplicaciones de TE. MEW es un método eficaz de conseguir Andamios tubulares con porosidad modificado para requisitos particulares mediante la utilización de colectores cilíndricos. Éstos giran sobre su propio eje, al traducir a lo largo del eje del mandril. A través de la puesta a punto del código de G, se determina la rotación como la velocidad traslacional y la orientación de las fibras puede ser modificado para requisitos particulares. Mayores velocidades de rotación que velocidades traslacionales de plomo a radialmente orientación los poros y viceversa. El número total de capas, distribución y morfología de la porosidad configurará las propiedades mecánicas del andamio. El diámetro interior del andamio tubular se determinará por el diámetro exterior del mandril implementado.
Figura 1 : Configuración MEW. (A) como un PC, la unidad de impresión y la caja de control eléctrica (B) la cabeza y el colector (C) la fibra en una fase de vuelo equilibrado y (D) un esquema de la figura de un cono de Taylor. (E) muestra un esquema de una impresora y enumera los cinco parámetros de sistema que prevalece más, incluyendo "tensión aplicada" (generador de alto voltaje), "temperatura" (regulador de temperatura), "la presión del aire" (regulador de presión), () "distancia" ajuste vía interno diseñado eje movible) y "velocidad de la colección del" (X y Y al posicionamiento en diapositivas). (F) se muestra el diseño del sistema de aislamiento dentro de la cabeza de impresión a través de una cinta de poliamida resistentes al calor. Esto previene la formación de arcos entre la "resistencia 1" y la cargada "parte de latón". Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 : Diferentes andamios fabricados con un colector plano (A), enrejado de 0/90 (B) y el mismo enrejado en mayor resolución (C). (D) muestra una estructura de 0/60 y (E) una estructura al azar controlada.Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 : Mostrando diferentes Andamios tubulares y una imagen representativa respectiva de microscopía electrónica de barrido (SEM). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Infiltración de fibroblastos dérmicos de andamios de poly(ε-caprolactone) fabricado por derretimiento electrospinning en un modo de escritura directa (Farrugia et al., 2013)4 || PLANO |
| Sembrado de fibroblastos dérmicos PCL MEW andamios son evaluados para la infiltración de la célula. |
| Un modelo de xenoinjerto humanizado tejido-dirigida de metástasis del cáncer de mama al hueso (Thibaudeau et al., 2014)15 || TUBULAR |
| Andamios tubulares de MEW se utilizan para crear un hueso ectópico viable 'órgano' en un modelo de ratón para estudiar la metástasis del cáncer de mama al hueso. |
| Mecanismos específicos autoguiados hacia el blanco de metástasis de cáncer de próstata humano en tejido diseñado hueso (Holzapfel et al., 2014)16 || TUBULAR |
| MEW andamios se utilizan para crear un hueso de ingeniería tisular para la investigación del cáncer de próstata. |
| Mejorar la integridad estructural de los hidrogeles mediante el uso de altamente organizado del derretimiento electrospun construcciones de fibra (Bas et al., 2015)17 || PLANO |
| MEW andamios con diferentes patrones de colocación y poresizes se utilizan para mejorar la funcionalidad mecánica de hidrogeles suaves. |
| Refuerzo de hidrogeles con microfibra impreso tridimensionalmente (Visser et al., 2015)18 || PLANO |
| Hidrogeles basados en gelatina blandos están reforzados con PCL de MEW andamios. |
| Derretir electrospinning en cilindros: efectos de la velocidad rotacional, diámetro de colector en la morfología de estructuras tubulares (Jungst et al., 2015)6 || TUBULAR |
| La influencia de la velocidad traslacional y rotacional en la morfología final de Andamios tubulares de MEW se investigan sistemáticamente. |
| Jerárquicamente estructurado poly(2-oxazoline) poroso hidrogeles (Haigh et al., 2016)19 || PLANO |
| MEW andamios se utilizan como una plantilla de sacrificio para crear una red jerárquica porosidad 3D dentro de un hidrogel. |
| A validación preclínica modelo animal para la investigación del tumor primario del hueso (Wagner et al., 2016)20 || TUBULAR |
| MEW andamios se utilizan para crear construcciones de ingeniería tisular humanizado para investigación preclínica en tumores primarios del hueso. |
| Ingeniería de tejido periostio en un orthotopic en vivo plataforma (Baldwin et al., 2017) 21 || TUBULAR |
| Un andamio multifásicos que consiste en una malla MEW y un hidrogel está diseñado para aplicaciones de regeneración de tejido periostio. |
| Metrología dimensional de las interacciones célula-matriz en microescala 3D sustratos fibrosos (Tourlomousis y Chang. 2017)22 || PLANO |
| Se investigan las interacciones célula-matriz sobre andamios MEW con diferentes arquitecturas. |
| Expresión de matriz extracelular como endóstica en electrospun derretimiento escrito andamio (Muerza-Cascante et al., 2017)23 || PLANO |
| MEW PCL andamios se utilizan para desarrollar un tejido similar al hueso endosteal que promueve el crecimiento de las células madre hematopoyéticas humanas primarias. |
| 3D impreso enrejados como una plataforma de activación y expansión para la terapia de la célula de T (Delalat et al., 2017)24 || PLANO |
| Andamios con fibra diferente espaciamiento (200 μm, 500 μm y 1000 μm) son superficies funcionalizadas y sembrado con células T de expansión. |
| Biofabricated compuestos de red suave de tejido cartilaginoso (Bas et al., 2017) la ingeniería25 || PLANO |
| Compuestos de red suave biomiméticos que consiste en una matriz de hidrogel y refuerzo de mallas MEW diseñados para la reparación del cartílago articular se divulgan. |
| Mediante ingeniería de interfaz precisa hacia compuestos Bioinspirados con impresión 3D mejorada de la procesabilidad y propiedades mecánicas (Hansske et al., 2017)26 || PLANO |
| Magnesio fluoruro nanopartículas reforzado PCL los andamios fabricados mediante MEW están diseñados y desarrollados para aplicaciones de ingeniería del tejido óseo. |
Tabla 1: referencias a una lista de estudios, en que MEW andamios eran fabricados y utilizados para aplicaciones biológicas. La lista proporciona resultados de andamios tanto planos como tubulares implementados.
Tabla 2: explicación de un código G para Andamios tubulares y planos, utilizando un archivo de texto (.txt) para ser cargado en el software de programación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta mesa.
Tabla 3: valores representativos de los parámetros presión, tensión y colección de velocidad de aire (temperatura y colección distancia constante) para llegar a tres gamas de diferentes diámetros (pequeñas, medianas y grandes). Las flechas rojas de proponen valores exactos dentro de las categorías correspondientes a los diámetros de fibra.Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta tabla.
Tabla 4: ilustración esquemática de los diferentes casos e imágenes reales de deposición de fibra posible a MEW como medio para optimizar la. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta mesa.
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Discussion
Integración de AM para encontrar soluciones innovadoras para los desafíos en el campo de la medicina presenta un nuevo paradigma para el siglo 21st . El campo llamado de la "Bio-fabricación" va en aumento y las innovaciones en tecnologías de fabricación permiten la producción de sofisticadas arquitecturas para aplicaciones de TE. El electrospinning de derretimientos del polímero en un modo de escritura directa (MEW aquí) es visto como uno de los candidatos más prometedores de la fabricación para cumplir con las necesidades de la comunidad de TE, donde son estructuras ordenadas de materiales biocompatibles en el micra a nanoescala requiere27.
Este tutorial tiene como objetivo generar conocimientos fundamentales de las operaciones de MEW por explicar los principios físicos y demostrar medidas para la fabricación de andamios reproducibles mediante esta tecnología.
Puesto que los principios generales de MEW son comparables a los de tecnologías convencionales de fabricación aditiva, es decir, un depósito dirigido de material extruido en forma de capa por capa, es crucial controlar el movimiento relativo entre la cabeza y el colector. Desde nuestra experiencia, recomendamos trabajar con dispositivos MEW que Mantén la cabeza fija, mientras que el movimiento respectivo del colector se lleva a cabo por etapas (X e Y). Una fijación cabeza permanece en una posición estable y no genera fuerzas cinemáticas, que actúan sobre el cono de Taylor y potencialmente conducir a los disturbios durante su creación. Además, el cableado asociado con alto voltaje y calentadores no está sujeto a constante movimiento repetitivo. El movimiento del colector se define por el código de G, que debe ser cargado en el software. Este código, también conocido como RS-274, es ampliamente utilizado en el campo de la fabricación asistida por ordenador para el control de la vía de herramientas. Para aplicaciones de MEW con colectores planos, el archivo de código G determina el movimiento y la velocidad en X y Y dirección; para colectores cilíndricos o aplicaciones de mandril, el archivo de código G define la traslación (X sentido) y rotacional velocidades. Tabla 2 explica la programación de un código G más detalladamente.
En comparación con otras tecnologías de fabricación aditiva, MEW permite la fabricación de fibras con diferentes diámetros por el ajuste de la temperatura de los parámetros del sistema, velocidad de colección y voltaje aplicado, como se describe en el protocolo.
Para alcanzar las fibras pequeñas (3-10 μm), se recomienda utilizar bajas presiones, tensiones moderadas y velocidades de alta colección. Presión reducida conduce generalmente, a la masa menos sacada. Esto se acompaña por una disminución correspondiente en la superficie del chorro. Por lo tanto, menores fuerzas electrostáticas son necesarias para acelerar la masa de la fibra hacia el colector, es decir, necesita aplicarse un voltaje menor. Además, comparable velocidades más altas de la colección conducen a mayor estiramiento de la fibra, provocando una reducción adicional de la diámetro de la fibra final.
Aumento de la presión induce más flujo de polímero fundido y por lo tanto, conduce a diámetros más grandes de fibra (10-20 μm). En este caso, es necesaria una mayor fuerza electrostática para compensar la superficie ampliada polímeros (fibras gruesas). Para obtener un polímero estable corriente en chorro, voltaje debe modificarse y debe reducirse la velocidad de recogida.
Diámetros de fibra grande (20-30 μm) requieren extrusión de polímero mejorado, es decir, mayor presión de aire. Esto provoca las fibras relativamente más gruesas y se sugiere para ser aplicado en combinación con un voltaje más alto para suministrar suficiente fuerza electrostática en la fibra. Además, menores velocidades que recoge inducen menor estiramiento de la fibra. Un resumen se da en la tabla 3.
Los tres casos antes mencionados, sin embargo, todavía requieren ajuste y optimización para mantener una curva catenaria estable en forma de fibra con el tiempo, explica en el protocolo. En MEW, solamente un equilibrio perfectamente equilibrado entre las fuerzas determinar el flujo del polímero masa y las fuerzas de atracción el chorro hacia el colector conducirá eventualmente a alcanzar andamio consistente morfologías 12,28 . Por lo tanto, las divergencias de la vía del jet reflejan fuertes desviaciones del diámetro de la fibra o deposición incorrecta. Desde nuestra experiencia, se pueden obtener tres diferentes variaciones en el comportamiento.
En primer lugar, de una fibra puede pulso, un fenómeno reportado inicialmente por el grupo Dalton del12. Una distribución desequilibrada entre entrega las fuerzas de arrastre masivas y respectivas sobre los resultados de las fibras en un cono de Taylor sobrealimentado constantemente, que periódicamente lanza el polímero acumulado. Esto hace importante variabilidad en los ángulos de la vía y los resultados en diferentes diámetros.
En segundo lugar, un revestimiento termoaislante electrified jet se produce cuando la velocidad del colector es mayor que la velocidad de la protuberancia del inyector. La deposición final del jet pasa lejos de la dirección vertical de la hilera, haciendo que un chorro de revestimiento. La trayectoria de vuelo se asemeja a una curvatura más, que también reduce al mínimo las dimensiones de un andamio impreso.
En tercer lugar, un chorro electrificado pandeo es causado por el impacto perpendicular del inyector en el colector y se manifiesta, cuando la velocidad del colector es más lento que la velocidad a la que el jet está fluyendo fuera de la hilera. Aplicando altos voltajes también puede causar pandeo, produciendo una aceleración excesiva hacia el colector y una trayectoria recta de la fibra. En este caso se observa depósito indeseado de bucles.
Medios para volver a estabilizar el proceso previstos en el protocolo y se muestra en la tabla 4.
Desde la perspectiva de la aplicación del andamio, múltiples beneficios existen cuando se usa LCP y MEW, tales como biocompatibilidad, reproducibilidad a través de la escritura directa o prediseñada personalización de las arquitecturas resultantes. MEW puede realizarse en cualquier banco de laboratorio convencional, ya que utiliza disolventes polímero se funde, por lo tanto no requiere costosas campanas o exhaustivo reciclaje de materiales residuales29. No hay ningún olor al entrar en una sala que contiene dispositivos MEW.
Además, una alta superficie posible relación dentro de un andamio poroso es de gran ventaja y andamios MEW muy adecuados para aplicaciones biológicas30.
En comparación con conocidas tecnologías de impresión 3D, tales como modelado de deposición fundida31, MEW tiene limitaciones en altura imprimible de estructuras ordenadas.La razón se ve en el proceso inherente de la aplicación de fuerzas electrostáticas, que trampas móviles de carga portadores dentro de las fibras depositadas. Una vez que la altura de los andamios excede aproximadamente de 4 mm, se informa que la suma de la carga excedente acumulado dentro de los actos de andamio rechazo para fibras próximos32. Posteriormente, en la mayoría de los casos, las capas superiores que están significativamente distorsionadas.
Otra diferencia a las tecnologías de impresión 3D convencionales radica en el hecho de que la deposición de material durante el proceso no puede ser interrumpida y únicamente dejar todos los parámetros de sistema eventualmente sostiene extrusión de material. Esto representa una limitación de diseño y debe considerarse cuando se está programando el código G. Mientras que la iniciación de jet puede ser realizada mecánicamente33, las necesidades de programación G-Code a considerar un enfoque continuo de escritura directa.
Aumento de la eficiencia de producción y proceso de MEW también sigue siendo un desafío y representa la principal razón en nuestra opinión y otros de por qué esta tecnología no ha sido para arriba-escala a nivel industrial pero34. En primer lugar, el proceso MEW es inherentemente bajo en el rendimiento debido a los bajos caudales y velocidades de colección limitada. Sin embargo, ambos aspectos son esenciales para asegurar la deposición controlada de los jet y reproducibilidad en la impresión. De hecho, la velocidad máxima de la colección durante el proceso de impresión se limita a las fronteras físicas de los materiales, es decir, demasiado altas velocidades causaría rotura del chorro cuando las fuerzas de arrastre de límites viables. Otra estrategia para se basa en el uso de multi-extrudado MEW dispositivos, es decir, máquinas con múltiples cabezales impresión en distancia cercana sin embargo, estas cabezas múltiples interferencias entre el campo eléctrico de cada cabeza y posteriormente distorsionar la de deposición de fibra final35. Fusión sin aguja electrospinning cabezas han generado un número significativo de chorros electrificados36, aunque controlar la exacta colocación de las fibras escrito directa podría ser difícil de lograr. Futuros desarrollos para aumentar la eficacia de MEW, sin embargo, no sólo beneficiaría a la comunidad biomédica, sino también las industrias de la filtración, textil o aplicaciones de la energía2.
Aunque este tutorial proporciona instrucciones para fabricar andamios personalizados bajo la configuración de los parámetros propuestos, debe ser observado que las dependencias menores en las condiciones ambientales, como temperatura o humedad y podrían conducir a no deseados desviaciones37. Los resultados presentados en este tutorial se basan en know-how acumulado en el grupo de Hutmacher, llevó a cabo en condiciones ambientales estables dentro de espacios controlados de laboratorio.
PCL es el candidato más prominente para MEW. Desde una perspectiva de ingeniería, su bajo punto de fusión (60 ° C) es beneficioso como no requiere la aplicación desafiante de calentadores de alta temperatura (> > 100 ° C) en estrecha distancia a fuentes de alta tensión. En un nivel material de ingeniería, PCL es semi-conductive y proporciona fuerte cohesión macromolecular como un líquido y un sólido. A pesar de la fuerte estiramiento mecánico, el material viscoso bonos hasta cierto punto, que resulta en fibra prominente adelgazamiento al aumentar la velocidad de colector o aplicado tensión. Electrospinning fusión convencional sin necesidad de mover los colectores se ha divulgado con diferentes polímeros, tales como polipropileno, polietileno o nylon9. La aplicación de los principios de la escritura directa, sin embargo, ha divulgado predominante con PCL y algunas mezclas de PCL con aditivos para bajan su viscosidad38, aunque hay excepciones39,40. En el futuro, sin embargo, prevemos una amplia gama de materiales procesados por MEW. Esto, a su vez, implica que la actualización de componentes de hardware para esta tecnología, en cuanto a polipropileno de procesamiento de ejemplo (punto de fusión a 160 º C) modifica los actuales requerimientos técnicos del hardware de dispositivos MEW.
Existe un creciente interés en andamios poliméricos biocompatibles con las arquitecturas altamente precisa y controlables; MEW, hasta la fecha, representa la tecnología única, que, en comparación con otras técnicas de biofabricación, es capaz de fabricar ordenó arquitecturas en la gama más baja de micrones (con excepciones en la gama de sub-micron41). En los últimos años este conducen a una cantidad exponencialmente creciente de patentes y publicaciones30. Por lo tanto, abordar la complejidad técnica a través de la implementación de optimizado hardware y el establecimiento de control durante el proceso de MEW es de gran importancia. Esto facilitará la producción de andamios con arquitecturas a medida para una amplia gama de aplicaciones en el futuro.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo ha sido apoyado financieramente por el CRC de centro de investigación cooperativa para la fabricación de la terapia celular, el centro australiano de investigación Consejo arco en biofabricación de aditivo y el Instituto de estudios avanzados de la Universidad técnica de Munich. Esta investigación fue realizada por el australiano Consejo Industrial transformación capacitación centro de investigación en biofabricación de aditivo http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026). Por favor visite el sitio para artículos, libros, programas de radio o televisión, medios electrónicos o cualquier otras obras literarias relacionadas con el proyecto. Además, los autores agradece María Flandes Iparraguirre para apoyo en la película, Philip Hubbard para la voz y Luise Grossmann para filmación y edición.
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
- 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).
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