Summary
Detta protokoll serverar en omfattande riktlinje att fabricera ställningar via electrospinning med polymer smälter i en direkt skriva läge. Vi har systematiskt beskriva processen och definiera lämpliga parameterinställningarna för att uppnå riktade byggnadsställning arkitekturer.
Abstract
Denna handledning återspeglar på grundläggande principer och riktlinjer för electrospinning med polymer skrivande smälter, en additiv tillverkningsteknik med stor potential för biomedicinska tillämpningar. Tekniken underlättar direkt nedfall av biokompatibel polymer fibrer att fabricera välordnad ställningar i den sub micron till mikroskala utbud. Inrättandet av en stabil, viskoelastiska, polymer jet mellan ett spinndysor och en samlare som uppnås med hjälp av en tillämpad spänning och kan vara direkt-skriven. En betydande fördel med en typisk porös byggnadsställning är en hög yta till volym-förhållande som ger ökad effektiv vidhäftning platser för cell fastsättning och tillväxt. Styra tryckprocessen genom att finjustera parametrarna systemet möjliggör hög reproducerbarhet av kvaliteten på de tryckta ställningar. Det ger också en flexibel tillverkning plattform för användare att skräddarsy de morfologiska strukturerna av ställningar uppfyller deras specifika krav. För detta ändamål presenterar vi ett protokoll för att få olika fiber diametrar med hjälp av smälta electrospinning skriftligen (MEW) med en guidad ändring av parametrar, inklusive hastighet, spänning och samling hastighet. Dessutom visar vi hur du optimerar jet, diskutera ofta erfarna tekniska utmaningar, förklara felsökningsmetoder och visa upp ett brett utbud av utskrivbara byggnadsställning arkitekturer.
Introduction
Tillverkning av tredimensionella (3D) biokompatibla strukturer för celler är ett av de viktigaste bidragen av additiv biomanufacturing vävnad engineering (TE), som syftar till att återställa vävnader genom att tillämpa anpassade biomaterial, celler, biokemiska faktorer, eller en kombination av dessa. Därför de viktigaste kraven av ställningar för TE-program inkluderar: producerbarhet från biokompatibla material, kontrollerbar morfologiska egenskaper för riktade cell invasion och optimerad ytegenskaper för förbättrad cell interaktion 1.
MEW är en lösningsmedelsfri tillverkningsteknik som kombinerar principerna om additiv tillverkning (ofta kallade 3D utskrift) och electrospinning för produktion av Polymera maskor med mycket beställda ultrathin fiber morfologier2. Det är en direkt skriva strategi och inlåning korrekt fibrer enligt förprogrammerade koder3, kallas G-koder. Smälta electrospun konstruktioner är för närvarande tillagas med en platta4,5 eller en Dorn6,7 samlare för att fabricera porös platta och tubulär ställningar, respektive.
Denna teknik erbjuder betydande fördelar till TE och regenerativ medicin (RM) gemenskapen på grund av möjligheten att direkt skriva ut medicinsk kvalitet polymerer, såsom poly(ε-caprolactone) (PCL), som presenterar utmärkt biokompatibilitet8. Andra fördelar är möjligheten att anpassa storleken och fördelningen av porositeten, genom att sätta in fibrerna på ett mycket organiserade sätt att fabricera ställningar av hög yta till volym nyckeltal. Innan MEW kan utföras, kräver polymeren först tillämpningen av värme9. En gång i ett flytande tillstånd, en tillämpad lufttrycket tvingar den att flöda ut genom ett metalliskt spinndysor som är ansluten till en hög spänningskälla. Kraftbalans mellan ytspänning och attraktionskraften i elektrostatiskt laddat droplet-programmet till jordat insamlaren leder till bildandet av en Taylor kon följt av utskjutningen av en jet10.
Bilder och en schematisk ritning av den interna build MEW anordning som används för detta protokoll visas i figur 1. Det visar dessutom principer med eltejp för att undvika elektrisk urladdning mellan värmeelementen och elektriskt laddade mässing del kring spinndysor. Otillräcklig isolering skulle leda till inre skador av genomförda hårdvaran.
Beroende på justering av de tre system parametrarna (temperatur, samling hastighet och lufttryck) möjliggör MEW tillverkning av fibrer med olika diametrar, förklarade i diskussionsavsnittet. I de flesta fall, men, kommer att intrimning och optimering av jet krävas innan en stabil jet matas. Visualisering av elektrifierade resande jet är ett effektivt sätt att kontrollera konsekvens och enhetlighet i processen. I en idealisk fall liknar flygbanan en kontaktledningar kurva som förvärvats till följd av en kraftbalans som kontrolleras av system parametrar11. Mikro - och makro-struktur i ställningar är vidare beroende av flygbanan av polymer jet12. En detaljerad tabell över olika nedböjning beteenden och åtgärder för optimering ges i diskussionsavsnittet.
I den aktuella studien presenterar vi ett protokoll som beskriver fabrication stegen för tillverkning av starkt kontrollerad fibrösa ställningar med MEW-teknik. I detta arbete, medicinsk klass PCL (molekylvikt 95-140 kg/mol) användes, som denna medicinsk kvalitet PCL förbättrats renhet över teknisk kvalitet och dess mekaniska och bearbetning egenskaper är utmärkta för MEW. Bred smält bearbetning utbud av PCL härrör från dess låga Smältpunkt (60 ° C) och hög termisk stabilitet. PCL är dessutom en långsam-rate biologiskt nedbrytbar polymer, vilket gör det till ett utmärkt material för många Vävnadsrekonstruktion program13.
För denna studie, temperatur och samlare avståndet kommer att hållas konstant (65 ° C och 82 ° C för sprutan och spinndysor temperaturerna (respektive) och 12 mm för samlare avståndet); tillämpad spänning, collector hastighet och lufttryck, men kommer att varieras för att fabricera fibrer med riktade diametrar. En detaljerad lista över publicerade studier använder MEW ställningar finns i resultatavsnittet och avslöjar olika applikationer för fälten av TE och RM (tabell 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. materiella beredning
- Fyll 2 g av PCL i en 3 mL spruta av plast med en tratt och infoga en kolv i den öppna änden.
- Placera sprutan i en förvärmd ugn på 65 ° C i 8 h. punkt spetsen uppåt så att luftbubblorna till samlade nära öppningen.
- Tryck kolven med ett tunt föremål att frigöra den instängda luften inom det smälta materialet.
- Låt den svalna ner till rumstemperatur, vilket uppnås när polymeren inte är genomskinligt längre efter 10 minuter.
- Förvara PCL förinstallerade sprutan vid rumstemperatur i en torr och mörk miljö tills det används.
2. hårdvara och mjukvara Setup
- Fäst en 23G platta lutad nål (spinndysor) till sprutan och en fat-adapter i den andra ändan till Anslut sprutan till luft trycksystemet.
- Placera sprutan i skrivhuvudet och tryck ned det tills spinndysor spetsen sticker ut 1 mm från mässing delen på undersidan av huvudet.
- Montera en samlare på scenen och rengör ytan samt skrivhuvudet med 70% (vol/vol) etanol till ta bort damm eller kvarstående polymer.
- Ställ in arbetsavståndet genom att placera en 12 mm höga objekt mellan spinndysor och insamlaren och lägre skrivarhuvudet tills spinndysor bara vidrör den.
- Justera Temperaturregulatorer på ellådan till 82 ° C och 65 ° C för regionen spinndysor och sprutan, respektive och starta dem att smälta PCL.
- Vänta i minst 10 min tills polymeren är smält och initiera lufttrycket genom att ställa in regulatorn till 1,8 bar.
- Laga G-koden för att definiera storleken och formen, mellan glödtråden avståndet och antalet lager av ställningen och samling hastighet processen.
Observera: En detaljerad mall för fabricera platt och tubulär ställningar finns i kapitlet diskussion (tabell 2). - Kontrollera manuellt att alla marken kablar är ordentligt anslutna till inneslutningen och vägguttaget.
- Starta programvaran (t.ex., MACH 3) på datorn och ladda upp den beredda G-kod.
3. byggnadsställning fabrication
- Stäng den främre luckan av inneslutningen, som förbinder säkerhet förreglingen och utlöser högspänning leverans till spinndysor.
Obs: När dörren öppnas, till exempel när en utskrift är klar eller i nödfall hög spänningen sjunker och ställningen kan avlägsnas på ett säkert sätt. - Öka den höga spänningen gradvis i 0.2 kV steg tills en Taylor kon bildas och en fiber matas mot kollektorn (se exemplariskt Taylor cone i figur 1 d).
- Tillåta polymer smältan att vara pressad på fortfarande collector plattan att stabilisera jet utan rörelse i 5 minuter. Ta bort högen av material innan påbörjas ett nytt print.
- Använd markörknapparna på tangentbordet för att flytta skrivhuvudet ovanför den punkt där G-koderna startar.
- Starta det G-kod i programvaran på datorn.
4. fiber Diameterjustering
- Hålla arbetsavstånd (12 mm) och temperaturregulatorer (82 ° C och 65 ° C för regionen spinndysor och sprutan, respektive) på en konstant nivå, som tidigare beskrivits i steg 2.4 och 2.5.
Obs: En sammanfattning av justera olika diametrar ges i tabell 3. - Skriva ut fibrer med små medelstora diametrar (3-10 µm). Minska luft tryck på 0,8 bar, justera spänningen till 8 kV och uppsättning samlaren hastighet till 1700 mm/min.
- Skriv ut fibrer med medium sized diametrar (10-20 µm). Justera lufttrycket nivå till 1,5 bar, inställd spänning till 11 kV och lägre samlingen hastighet till 1200 mm/min.
- Skriva ut fibrer med stora diametrar (20-30 µm). Öka nivån luft trycket till 2,6 bar, ändra spänningen till 12 kV och minska samlingen hastighet till 700 mm/min.
5. jet optimering
- Belysa jet med en stark LED-ljus från utanför inneslutningen för bättre synlighet.
- Observera beteendet hos fibern i 1 minut och justera parametrarna system för att optimera processen i små steg, dvs 0,1 kV för tillämpad spänning, 100 mm/min för samling hastighet och 0.1 bar för lufttryck.
Obs: En sammanfattning ges i tabell 4. - Stabilisera regelbundet avleda beteende genom att minska lufttrycket-, öka hastigheten och minimera spänningen tills flygbanan av fibern liknar en stabil kontaktledningar kurva för mer än 3 minuter.
- Korrigera flygbanan av en släpar bakom jet genom att öka spänningen, att minska lufttrycket och minska hastigheten av samlare. Tillämpa dessa åtgärder tills flygbanan av fiber flyttar tillbaka till en kontaktledningar kurvform.
- Undvika fibrer reser vertikalt mot kollektorn genom att minska spänningen, öka hastigheten av samlare och öka lufttrycket tills flygbanan av jet behåller formen på en kontaktledningar kurva igen.
6. byggnadsställning samling
- Öppna dörren när utskriften är klar och använda markören för att flytta collector plattan mot dörren för bättre tillgänglighet.
- Spraya på schavotten med etanol 70% (vol/vol) mix och vänta i 10 sekunder tills det synbart lossnar från collector.
- Samla färdiga ställningen genom att greppa en kant med pincett och lyfta ut det från inneslutningen.
7. felsökning
- Minska spänningen eller öppna dörren omedelbart om det finns en gnista mellan spinndysor synliga eller ett knakande ljud hörbara.
- Ta bort alla farliga material och vätskor såsom etanol 70% (vol/vol) från insidan av kapslingen som en brand kan antändas vid potentiella gnistbildning.
- Programmera G-koden följaktligen att spinndysor flyttar från området där ställningen är tryckt efter alla lager är klar. Detta undviker material ackumulering ovanför den punkt där spinndysor slutligen stannar.
- Kontrollera spinndysor under ett förstoringsglas och kontrollera att det finns inga skador på spinndysor som detta kommer att avsevärt påverka enhetligheten av Taylor konen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Två olika metoder för insamling används vanligen i MEW, som är platta samling och Dorn samling. De resulterande arkitekturerna beror på programmering av G-kod (tabell 2), som utförs av programvaran.
Flat samling
Tillämpa plana solfångare refererar till den vanligaste metoden och underlättar direkta nedfallet av material hänvisar till det förprogrammerade G-kod. 0/90 och 0/60 strukturer av olika storlekar är allmänt rapporterats i litteraturen. Dessutom möjlighet att direkt insättning smälta fibrer på insamlare också underlättar produktionen av slumpmässigt ändå organiserade strukturer när en mönstrad platta collector används i stället för en smidig en14.
Tubulär
Det finns en stor efterfrågan på tillverkning av ställningar med tubulär arkitekturer för TE-program. MEW är en effektiv metod att uppnå tubulär ställningar med anpassade porositet genom att utnyttja cylindriska samlare. Dessa rotera längs sin egen axel, medan översätta längs axeln i dornen. Genom finjustering av G-koden, den roterande samt till translationell hastighet bestäms och orientering på fibrerna kan anpassas. Högre varvtal än translationell hastigheter leda till radiellt orienterade porer och vice versa. Det totala antalet lager, distribution och morfologi av porositeten konfigurerar schavotten mekaniska egenskaper. Den inre diametern av tubulär ställningen kommer att bestämmas av den yttre diametern av genomförda dornen.
Figur 1 : MEW setup. (A) inklusive en PC, utskrift enheten och rutan elektrisk kontroll (B), huvudet och samlaren (C), fibern i en perfekt balanserad flygning och (D), en Schematisk illustration av en Taylor kon. (E) visar en schematisk bild av en skrivare och listar de fem mest rådande systemparametrar, inklusive ”tillämpad spänning” (hög spänning Generator), ”temperature” (temperatur Controller), ”lufttryck” (tryckregulator), ”arbetsavstånd” () justering via egen designad lös z-axel) och ”samling speed” (X och Y positionering diabilder). (F) visar utformningen av isolering systemet inom skrivhuvudet via ett värmetåligt polyamid band. Detta förhindrar överslag mellan ”värmeelementet 1” och laddade ”mässing”. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Olika byggnadsställningar tillverkas med en platta collector (A), 0/90 galler (B) och samma gallret i högre upplösning (C). (D) visar en 0/60 struktur och (E), en slumpmässigt kontrollerade struktur.Klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 3 : Skylta olika tubulär byggnadsställningar och en respektive representativ bild från svepelektronmikroskopi (SEM). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Dermal fibroblast infiltration av poly(ε-caprolactone) ställningar tillverkad av smält electrospinning i en direkt skriva läge (Farrugia et al., 2013)4 || PLATT |
| Dermal fibroblast seedade PCL MEW ställningar utvärderas för cell infiltration. |
| En vävnadsteknisk humaniserad xenograft modell av mänskliga bröstcancer cancer metastaser till skelettet (Thibaudeau et al., 2014)15 || TUBULÄR |
| Tubulär MEW ställningar används för att skapa en livskraftig ektopisk 'organ' benet i en musmodell att studera mänskliga bröstcancer cancer metastaser till ben. |
| Artspecifika målsökande mekanismer för mänsklig prostatacancer metastaser i vävnad konstruerad ben (Holzapfel et al., 2014)16 || TUBULÄR |
| MEW ställningar används för att skapa en vävnadsteknisk benet för prostatacancer forskning. |
| Förbättra strukturella integriteten av hydrogels med hjälp mycket organiserade smälta electrospun fibre konstruktioner (Bas et al., 2015)17 || PLATT |
| MEW ställningar med olika lay-down mönster och poresizes används för att förbättra mekanisk funktionaliteten i mjuk hydrogels. |
| Förstärkning av hydrogels använder tredimensionellt tryckta mikrofiber (Visser et al., 2015)18 || PLATT |
| Mjuk gelatin-baserade hydrogeler är förstärkta med MEW PCL ställningar. |
| Smälta electrospinning på cylindrar: effekter av roterande velocity och samlare diameter på Morfologi av tubulära strukturer (Jungst et al., 2015)6 || TUBULÄR |
| Påverkan av den translationella och roterande hastighet på slutliga morfologi av tubulär MEW ställningar utreds systematiskt. |
| Hierarkiskt strukturerad porösa poly(2-oxazoline) hydrogels (Haigh et al., 2016)19 || PLATT |
| MEW ställningar används som uppoffrande mall för att skapa en hierarkisk 3D porositet nätverk inom ett hydrogel. |
| A validerade prekliniska djurmodeller för primära Ben tumör forskning (Wagner et al., 2016)20 || TUBULÄR |
| MEW ställningar används för att skapa humaniserad vävnadstekniska konstruktioner för preklinisk forskning på primära ben tumörer. |
| Periostet vävnadsteknik i en ortotop i vivo plattform (Baldwin et al., 2017) 21 || TUBULÄR |
| En multiphasic byggnadsställning som består av en MEW mesh och en hydrogel är utvecklad för periostet vävnad förnyelse program. |
| Dimensionsmätning av cell-matrix interaktioner i 3D hur provtagningsutrustningen skall fibrösa substrat (Tourlomousis och Chang. 2017)22 || PLATT |
| Cell-matrix interaktioner undersöks på MEW ställningar med olika arkitekturer. |
| Endosteala-liknande extracellulärmatrix uttryck på smälta electrospun skrivet byggnadsställning (Muerza-Cascante et al., 2017)23 || PLATT |
| MEW PCL ställningar används för att utveckla en endosteala ben-liknande vävnad som främjar tillväxten av primära mänskliga hematopoetiska stamceller. |
| 3D tryckta galler som en aktivering och expansion plattform för T-cellterapi (Delalat et al., 2017)24 || PLATT |
| Ställningar med olika fiber avstånd (200 µm, 500 µm och 1000 µm) är ytan funktionaliserade och ympats med T-celler för expansion. |
| Biofabricated mjuka nätverk kompositer för brosk Vävnadsrekonstruktion (Bas et al., 2017)25 || PLATT |
| Biomimetiska mjuk nätverk kompositer som består av en hydrogel matris och förstärka MEW maskor utformad för ledbroskreparation redovisas. |
| Via exakt gränssnitt engineering mot bioinspired kompositer med förbättrad 3D utskrift processbarhet och mekaniska egenskaper (Hansske et al., 2017)26 || PLATT |
| Magnesium fluor nanopartiklar förstärkt PCL ställningar fabricerade med hjälp av MEW är utformade och utvecklade för benvävnad tekniska tillämpningar. |
Tabell 1: referenser till en lista av studier, i vilka MEW ställningar var fabricerade och biologiska tillämpningar. Listan ger resultaten av genomförda platta samt tubulär ställningar.
Tabell 2: förklaring av programmering en G-kod för platt och tubulär ställningar, använda en textfil (.txt) laddas upp i programvaran. Klicka här för att se en större version av denna tabell.
Tabell 3: representativa värden för parametrarna luft tryck, spänning och samling hastighet (temperatur och samling avstånd konstant) att nå tre olika diameter spänner (small, medium och large). De röda pilarna föreslå exakta värden inom de respektiva kategorierna att nå fiber diametrarna.Klicka här för att se en större version av denna tabell.
Tabell 4: Schematisk illustration av de olika fall och verkliga bilder av möjligt fiber nedfall på MEW samt möjlighet att optimera. Klicka här för att se en större version av denna tabell.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Att integrera AM för att hitta innovativa lösningar för utmaningarna inom det medicinska området presenterar ett nytt paradigm för 21st -talet. Det så kallade ”Bio-påhitt” är på uppgång och innovationer inom fabrication teknik möjliggör produktion av mycket sofistikerade arkitekturer för TE-program. Electrospinning av polymer smälter i en direkt skriva läge (här MEW) ses som en av de mest lovande kandidaterna tillverkning uppfyller behoven hos TE gemenskapen, där beställda strukturer av biokompatibla material i micron till nanoskala är krävs27.
Denna handledning syftar till att generera grundläggande kunskap av MEW verksamhet av förklara fysikaliska principer och demonstrera åtgärd steg för att tillverka reproducerbara ställningar med denna teknik.
Eftersom de allmänna principerna för MEW är jämförbara med konventionella additiva tillverkningstekniker, dvs en riktade nedfall av extruderade material i ett lager av lager sätt, är det viktigt att kontrollera den relativa rörelsen mellan huvudet och de samlare. Från vår erfarenhet, rekommenderar vi att arbeta med MEW enheter som håller fast huvudet, medan respektive rörelsen av samlare utförs av etapperna (X och Y). En fixerade huvudet förblir i en stabil position och genererar inte kinematisk styrkor, som skulle agera på Taylor konen och potentiellt leda till störningar under dess skapelse. Dessutom ledningar är associerad med hög spänning och värmare omfattas inte av den ihållande repetitiva rörelse. Samlare rörelsen definieras av G-koden, som måste skickas i programvaran. Denna kod, även känd som RS-274, används ofta i fältet datorstödd tillverkning för att styra vägen för verktyg. För MEW applikationer med plana solfångare, G-Code filen bestämmer rörelse och hastighet i X och Y riktning; för cylindriska samlare eller Dorn program, G-Code filen definierar både translationell (X-led) och roterande hastigheter. Tabell 2 förklarar programmering av en G-kod mer i detalj.
Jämfört med andra additiv tillverkningstekniker, möjliggör MEW tillverkning av fibrer med olika diametrar av justeringen av systemet parametrarna temperatur, samling hastighet och tillämpad spänning, som beskrivs i protokollet.
För att uppnå små fibrer (3-10 µm), är det klokt att använda lågt tryck, måttliga spänningar och hög samling hastigheter. I allmänhet minskat tryck leder till mindre extruderad massa. Detta åtföljs av en motsvarande minskning av ytan på jet. Därför mindre elektrostatiska krafter krävs att accelerera massan av fibern mot kollektorn, dvs lägre spänning måste tillämpas. Dessutom kan leda jämförbara högre samling hastigheter till förbättrad stretching av fiber, orsakar en ytterligare minskning av slutliga fiber diameter.
Öka trycket inducerar mer flöde av smält polymer och således leder till större fiber diametrar (10-20 µm). I det här fallet krävs större elektrostatisk kraft för att kompensera för den utvidgade polymer ytan (tjockare fibrer). För att erhålla en stabil polymer Jetstream, spänning måste ändras och samling hastigheten sänkas.
Stora fiber diametrar (20-30 µm) kräver förstärkt polymer extrudering, dvs högre lufttryck. Detta provocerar relativt tjockare fibrer och föreslås tillämpas i kombination med högre spänning att leverera tillräcklig elektrostatisk kraft på fibern. Dessutom framkalla minskad samlande hastigheter mindre fiber stretching. En sammanfattning ges i tabell 3.
Alla tre fall som nämns ovan, men fortfarande kräver finjustering och optimering för att upprätthålla en stabil kontaktledningar kurva formad fiber över tid, förklarade i protokollet. I MEW, endast en perfekt balanserad jämvikt mellan krafter att bestämma flödet av polymeren massa och krafter att locka jet mot kollektorn kommer så småningom leda till att nå konsekvent byggnadsställning morfologier 12,28 . Därför återspeglar skillnader av väg av jet starka avvikelser av fiber diameter eller felaktig nedfall. Från vår erfarenhet, kan tre olika variationer i beteende erhållas.
Först, en fiber kan puls, ett fenomen först rapporterats av Dalton grupp12. En obalanserad fördelning mellan levererade massa och respektive drar-krafter på fibrer resultaten i en ständigt övergödda Taylor kon, som regelbundet frigör ackumulerade polymer. Detta orsakar betydande variabilitet i vinklar av väg och resultat i olika diametrar.
Andra, en eftersläpande elektrifierade jet uppstår när hastigheten av samlare är högre än jet extrudering hastighet. Slutliga nedfall av jet händer långt borta i vertikal riktning från spinndysor, orsakar en eftersläpande Jetstream. Flygbanan liknar en alltför krökning, vilket också minimerar måtten på en tryckt byggnadsställning.
För det tredje en buckling elektrifierade jet orsakas av vinkelrätt effekterna av jet på samlaren och manifest, när samlare hastigheten ställs långsammare än den hastighet vid vilken jet rinner ut ur spinndysor. Tillämpa höga spänningar kan också orsaka buckling, genom att producera en överdriven acceleration mot the collector och en rak flygbana av fiber. Oönskad nedfall av loopar observeras i detta fall.
Medel för att åter stabilisera processen tillhandahålls i protokollet och visas i tabell 4.
Ur ett perspektiv av byggnadsställning genomförande finns flera fördelar när du använder PCL och MEW, såsom biokompatibilitet, reproducerbarhet genom direkt skriva eller fördesignade anpassning av de resulterande arkitekturerna. MEW kan utföras på alla konventionella arbetsbänk, eftersom den använder lösningsmedelsfri polymer smälter, det kräver därför inte dyra dragskåp eller uttömmande återvinning av restmaterial29. Det finns ingen lukt när du anger ett rum som innehåller MEW enheter.
Dessutom en uppnåeliga kicken ytbehandlar volym-förhållande inom en porös byggnadsställning är stor fördel och gör MEW byggnadsställningarna väl lämpad för biologiska applikationer30.
I jämförelse med välkända 3D utskrift teknik, såsom smält nedfall modellering31, har MEW begränsningar i utskrivbara höjder av beställda strukturer.Anledningen är sett i inneboende ansökningsprocessen elektrostatiska krafter, som fällor mobil Ladda bärare inom den deponerade fibrer. När höjden av ställningar överstiger ca 4 mm, har det rapporterats att summan av den överskjutande avgiften ackumulerat inom de byggnadsställning akterna repellerande för kommande fibrer32. I de flesta fall snedvrids de resulterande toppskikt därefter avsevärt.
En annan skillnad till konventionella 3D utskrift teknik ligger i det faktum att nedfallet av material under processen inte kan avbrytas och endast stoppa alla systemparametrar så småningom innehar väsentlig extrudering. Detta representerar en design begränsning och måste betraktas vid programmering av G-kod. Medan jet inledande kan vara utförs mekaniskt33, G-kod programmering behöver överväga en kontinuerlig direkt-writing-strategi.
Genomströmning och process effektivisering av MEW också fortfarande en utmaning och utgör den främsta anledningen i våra och andras av varför denna teknik inte har upp-skalas till industriell nivå ännu34. Först, MEW processen är till sin natur låg genomströmning på grund av den låga flöden och begränsad samling hastigheter. Båda aspekterna, är dock viktigt att säkerställa kontrollerade nedfall av jet och reproducerbarhet i utskriften. Faktiskt den högsta samling hastigheten under utskriftsprocessen är begränsad till fysiska begränsningar och det material som används, dvs alltför höga hastigheter skulle orsaka brott på jet när de drar styrkorna överskrida genomförbart. En annan strategi att skala upp är beroende av använda multi-strängpressning MEW enheter, dvs maskiner med flera utskrift huvuden inom nära avstånd till varandra. dock skulle dessa flera huvuden orsaka störningar mellan det elektriska fältet av varje huvud, och därefter snedvrida de slutliga fiber nedfall35. Nålfri smälta electrospinning huvuden har genererat ett betydande antal elektrifierade jets36, även kontrollera den exakta placeringen av direkt skrivna fibrerna kan vara svårt att uppnå. Framtida utvecklingen mot effektivisering av MEW, dock skulle inte bara gynna biomedicinska gemenskapen, men också inom filtrering, textil eller program för energi2.
Även om handledningen ger riktlinjer för att fabricera anpassade ställningar under föreslagna parameterinställningarna, måste det noteras att mindre beroenden på miljöförhållanden, till exempel temperatur eller fuktighet finns och kan leda till oavsiktliga avvikelser37. De resultat som presenteras i denna tutorial är baserade på kunskap ackumulerad vid gruppen Hutmacher genomfördes i stabil miljöförhållanden inom kontrollerade laboratorium utrymmen.
PCL är den mest framträdande kandidaten för MEW. Ur ett teknisk perspektiv, dess låga Smältpunkt (60 ° C) är fördelaktigt eftersom detta inte kräver utmanande genomförandet av hög temperatur värmare (> > 100 ° C) i nära avstånd till högspänning källor. På materiella engineering nivå, PCL är halvledande och ger stark makromolekylära sammanhållning både som en vätska och en solid. Trots stark mekanisk stretching obligationer trögflytande materialet till viss del, vilket resulterar i framstående fiber gallring när ökande collector hastighet eller tillämpad spänning. Konventionella smälta electrospinning utan att flytta samlare har rapporterats med olika polymerer, såsom polypropylen, polyetylen eller nylon9. Tillämpningen av principerna om direkt skriva dock huvudsakligen har rapporterats med PCL och vissa PCL blandningar med tillsatser för att ytterligare sänka sin viskositet38, även om det finns undantag39,40. I framtiden, men förutse vi ett bredare utbud av material som bearbetas av MEW. Detta, i sin tur kommer att innebära uppgraderingen av maskinvarukomponenter för denna teknik, som för anföra som exempel bearbetning polypropylen (Smältpunkt vid 160 ° C) förändrar de nuvarande tekniska kraven i hårdvaran i MEW enheter.
Ett ökande intresse för biokompatibla polymera ställningar med mycket exakt och reglerbar arkitekturer existerar; MEW, hittills, representerar den enda tekniken, som, i jämförelse med andra biomanufacturing tekniker, kan fabricera beställde arkitekturer i intervallet micron lägre (med undantag i den sub micron intervallet41). Under de senaste åren som detta leder till en exponentiellt växande mängd patent och publikationer30. Därför att hantera tekniska komplexitet genom genomförandet av optimerad hårdvara och inrättandet av i processen kontroll av MEW är av stor betydelse. Detta kommer att underlätta produktionen av ställningar med skräddarsydda arkitekturer för ett brett spektrum av applikationer i framtiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete har fått ekonomiskt stöd av Cooperative Research Centre CRC för Cell terapi tillverkning, Australiensisk forskning rådet ARC centrum i tillsatsen Biomanufacturing och Institutet för Advanced Study av tekniska universitetet i München. Denna forskning har genomförts av den australiska forskning rådet industriell omvandling Training Centre i tillsatsen Biomanufacturing http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026). Besök webbplatsen för artiklar, böcker, TV eller radio program, elektroniska medier eller några andra litterära verk som hör till projektet. Ytterligare, författarna tacksamt erkänna Maria Flandes Iparraguirre för stöd i filmning, Philip Hubbard för röst och Luise Grossmann för filmning och redigering.
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).
- 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. , Elsevier. 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. Proceedings of the International Conference on Latest Advances in High Tech Textiles and Textile-Based Materials, , 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).
