Summary
İskele yolu ile electrospinning polimer ile imal için kapsamlı bir kılavuz doğrudan yazma modunda erir bu protokolü hizmet vermektedir. Sistematik olarak işlemi anahat ve hedeflenen iskele mimarileri ulaşmak için uygun parametre ayarlarını tanımlayın.
Abstract
Bu öğreticinin temel ilkeleri üzerinde yansıtır ve polimer ile yazma electrospinning için yönergeler erir, biyomedikal uygulamalar için büyük potansiyele sahip bir katkı üretim teknolojisi. Tekniği iyi iskele mikro ölçek aralığı için alt mikron olarak imal etmek Biyouyumlu polimer lifleri doğrudan birikimi kolaylaştırır. İstikrarlı, visko elastik kurulması, polimer jet arasında bir spinneret ve bir toplayıcı kullanarak uygulanan bir gerilim elde edilir ve doğrudan yazılı olabilir. Tipik bir gözenekli iskele önemli bir avantajı hücre eki ve büyüme için artan etkili yapışma siteleri sağlayan yüksek bir yüzey hacim oranı nedir. Yazdırma işlemi sistem parametreleri ince ayar tarafından denetlenmesini yüksek tekrarlanabilirlik yazdırılan iskele kalitesini sağlar. Ayrıca kullanıcıların kendi özel gereksinimler için iskele morfolojik yapılarının terzi esnek üretim platformu sağlar. Bu amaçla, akış hızı, voltaj ve toplama hızı da dahil olmak üzere parametreleri, rehberli bir değişiklik ile farklı elyaf çapları kullanarak erime electrospinning yazı (MEW) elde etmek için bir protokol tanıtacağız. Ayrıca, jet en iyi duruma getirmek, genellikle deneyimli teknik sorunları tartışmak, sorun giderme tekniklerini açıklar ve yazdırılabilir iskele mimarileri geniş bir vitrin nasıl gösterilmektedir.
Introduction
Üç boyutlu (3D) Biyouyumlu yapıları hücrelerin üretiminde katkı biomanufacturing doku için önemli katkıları biridir doku özelleştirilmiş Biyomalzeme, hücreleri, biyokimyasal faktörler uygulayarak geri amaçlayan mühendislik (TE), ya da onları bir arada. Bu nedenle, iskele TE uygulamalar için temel gereksinimleri içerir: dezavantajlari Biyouyumlu malzemeleri, hedeflenen cep işgali için kontrol edilebilir Morfolojik özellikleri ve en iyi duruma getirilmiş yüzey özellikleri için gelişmiş hücre etkileşim 1.
MEW, katkı imalat (genellikle 3D baskı) ve electrospinning polimer kafesleri üretimi için yüksek sıralı ultrathin fiber türleri Morfoloji2ile birleştiren bir solventsiz imalat tekniğidir. Bu doğrudan yazma yaklaşım ve doğru bir şekilde lifleri göre önceden programlanmış kodları3G-kodları anılacaktır, mevduat. Erime electrospun şu anda yapılarıdır gözenekli düz ve borulu iskele, sırasıyla imal etmek düz4,5 veya bir mandrel6,7 toplayıcı kullanarak hazırlanmıştır.
Bu teknik TE ve rejeneratif tıp (RM) topluma olasılığı nedeniyle doğrudan Medikal polimerler, mükemmel Biyouyumluluk8sunar (PCL), poly(ε-caprolactone) gibi yazdırmak için önemli yararlar sunar. Diğer avantajları gözeneklilik, dağılımı ve boyutu yüksek yüzey hacim oranları iskele imal etmek son derece organize şekilde lifler yatırma tarafından özelleştirmek için olasılığı vardır. MEW uygulanmadan önce polimer ilk ısı9uygulama gerektirir. Bir kez bir sıvı durumda bir uygulanan hava basıncı yüksek voltaj kaynağına bağlı bir metalik spinneret aracılığıyla dışarı akmasını zorlar. Yüzey gerilimi ve Elektrostatik şarj edilmiş damlacık topraklı toplayıcı için cazibe kuvvet dengesini jet10fırlatma tarafından takip Taylor koni oluşumuna yol açar.
Görüntüleri ve bu iletişim kuralı için kullanılan içi yapı MEW cihazın çizim bir şematik Resim 1' de gösterilir. Ayrıca Isıtma elemanları ve spinneret çevreleyen elektrikle şarj edilmiş pirinç parçası arasında elektrik boşalımı önlemek için ısı yalıtım bant kullanarak ilkeleri gösterir. Yetersiz izolasyon uygulanan donanım iç hasara yol açacak.
Üç sistem parametreleri (sıcaklık, toplama hızı ve hava basıncı) ayarlama türüne bağlı olarak, tartışma bölümünde açıklandığı farklı çaplarda elyaf imalatı MEW sağlar. İstikrarlı bir jet atılır önce çoğu durumda, ancak, ince ayar ve jet duruma getirilmesi gerekmektedir. Elektrikli seyahat eden jet görselleştirme tutarlılık ve homojenizasyon işlemi doğrulamak için etkili bir yoldur. İdeal bir durumda, uçuş yolu sistem parametreleri11tarafından kontrol edilen bir kuvvet denge sonucunda edinilen Katener eğri benzer. Ayrıca, mikro - ve makro-yapısını iskele polimer jeti12uçuş yolu üzerinde bağlıdır. Ayrıntılı tablo farklı saptırma davranışları ve optimizasyonu için ölçü tartışma bölümünde gösterilmektedir.
Bu da çalışmanın, biz MEW teknolojisini kullanarak son derece kontrollü fibröz iskele imalatı için üretim adımları açıklar bir iletişim kuralı mevcut. Bu iş, tıbbi sınıfta PCL (moleküler ağırlık 95-140 kg/mol), bu tıbbi sınıf PCL teknik notu üzerinde saflık geliştirdi ve mekanik ve işleme özelliklerini MEW için mükemmel olarak kullanıldı. Geniş eritebilir aralığı PCL işleme yüksek termal kararlılık ve düşük erime noktası (60 ° C) kaynaklanır. Ayrıca, PCL birçok doku uygulamaları13mühendislik için mükemmel bir malzeme yapar bir yavaş hızı biyobozunur polimer olduğunu.
Bu çalışmada, sıcaklık ve toplayıcı mesafe sabit tutulacaktır (65 ° C ve şırınga ve spinneret sıcaklıklar için 82 ° C (sırasıyla) ve toplayıcı mesafe için 12 mm); uygulanan gerilim, toplayıcı hız ve hava basıncı, ancak, çeşitli lifleri hedeflenen çaplarda imal etmek. MEW iskele kullanarak yayımlanmış çalışmalara ait ayrıntılı bir liste sonuçları bölümünde sağlanan ve TE ve RM (Tablo 1) alanlar için farklı uygulamaları ortaya koymaktadır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. malzeme hazırlama
- PCL 2 g 3 mL plastik enjektör içinde bir huni ile doldurun ve bir piston açık ucunu takın.
- Şırınga 8 h. noktası ucu yukarı doğru açılması için toplama yakın hava kabarcıkları izin vermek için 65 ° C'de ısıtılmış bir fırında yerleştirin.
- Pistonu erimiş malzeme içinde sıkışmış hava serbest bırakmak için ince bir nesne ile itin.
- Oda sıcaklığı, polimer artık 10 dakika sonra şeffaf olmadığı zaman elde aşağı soğumaya bırakın.
- Bu kullanılana kadar oda sıcaklığında PCL önceden yüklenmiş şırınga kuru ve karanlık bir ortamda saklayın.
2. donanım ve yazılım kurulumu
- 23 G düz uçlu iğne (spinneret) şırınga ve şırınga hava basınç sistemine bağlanmak için diğer ucunda namlu bağdaştırıcısı takın.
- Yazdırma kafası şırınga yerleştirin ve başın alt tarafında pirinç bölümünden 1 mm spinneret ipucu sıyrılıyor kadar aşağı bastırın.
- Sahne Alanı'nda bir koleksiyoncu dağ ve yüzey hem de toz veya kalıntı polimer kaldırmak için % 70 (vol/vol) etanol ile yazıcı kafasını temizleyin.
- Toplayıcı ve spinneret arasında bir 12 mm yüksek nesne konumlandırma tarafından çalışma mesafesi belirlemek ve spinneret ipucu sadece dokunana dek yazıcı kafası indirin.
- Spinneret bölge ve şırınga, elektrik kutusu 82 ° C ve 65 ° C sıcaklık regülatörleri sırasıyla ayarlayın ve onları eritebilir PCL üstünde-e doğru güç.
- Polimer erimiş olana kadar en az 10 dakika bekleyin ve hava basıncı regülatörü için 1.8 bar ayarlayarak başlatmak.
- G-Code boyutu ve şekli, arası filaman mesafe ve İskele katmanları ve işlemin koleksiyonu hızını tanımlamak için hazırlayın.
Not: düz ve borulu iskele imalatı için detaylı bir şablon (Tablo 2) tartışma bölümde sağlanır. - El ile çift kontrol edin tüm zemin kabloların güvenli bir şekilde muhafaza ve dübel için bağlı.
- Belgili tanımlık bilgisayar yazılımı (örneğin, MACH 3) bilgisayarda başlatın ve hazırlanan G-code yükleyin.
3. İskele imalatı
- Hangi emniyet kilidi bağlanır ve yüksek gerilim kaynağı spinneret için tetikler kabin, ön kapağı kapatın.
Not: bir kez kapıyı açtı, örneğin ne zaman bir baskı sona erdi ya da acil bir durumda, yüksek gerilim düşer ve İskele sorunsuzca kaldırılabilir. - Taylor koni kurdu ve bir lif toplayıcı doğru fırlatılır kadar yavaş yavaş 0.2 kV adımda yüksek voltajı yükseltin (bkz: örnek Taylor koni içinde şekil 1 d).
- 5 dakika boyunca hareket etmeden jet dengelemeye hala toplayıcı plaka üzerinde kalıptan çekilmiş polimer eritebilir izin. Malzeme yığını yeni bir baskı başlıyor önce kaldırın.
- İmleçler klavyede yazdırma kafası G-kodları başlayacağı noktası yukarıda taşımak için kullanın.
- G-Code bilgisayardaki yazılım başlatın.
4. elyaf çapı ayarlama
- Çalışma mesafesi (12 mm) ve sıcaklık regülatörler (82 ° C ve 65 ° C spinneret bölge ve belgili tanımlık tenkıye için sırasıyla) sabit bir seviyede, daha önce açıklandığı gibi 2.4 ve 2.5 adımları.
Not: farklı çaplarda ayarlama bir özeti Tablo 3' te verilmiştir. - Lifleri küçük ölçekli çapı (3-10 µm) yazdırın. Hava basınç seviyesi için 0.8 bar azaltmak, 8 uygulanan gerilim ayarlamak kV ve küme Toplayıcı hız 1700 mm/dk için.
- Yazdırma lifleri ile orta ölçekli çapları (10-20 µm). Hava basıncını ayarlamak 1,5 bar, 11 set gerilim seviyesi kV ve alt toplama hızı 1200 mm/dak için.
- Lifleri büyük çaplarda (20-30 µm) yazdırın. Hava basıncı düzeyi 2.6 bar artırmak, 12 uygulanan gerilim alter kV ve azalma koleksiyon hız 700 mm/dk için.
5. jet en iyi duruma getirme
- Güçlü LED Kasası için geliştirilmiş görünürlük dışında hafif jet aydınlatmak.
- 1 dakikadır lif davranışlarını gözlemlemek ve küçük adımlar, Yani 0,1 sürecinde en iyi duruma getirmek için sistem parametrelerini ayarlamak için uygulanan gerilim, 100 mm/dak toplama hızı için ve hava basıncı için 0.1 bar kV.
Not: Bir Özet Tablo 4' te verilmiştir. - Düzenli aralıklarla hava basıncı azaltmak, hızını arttırmak ve fiber uçuş yolu istikrarlı Katener eğriye 3 dakikadan fazla benzer kadar gerilim en aza davranış saptırma stabilize etmek.
- Ahşap kaplama arkasında jet uçuş yolunu voltajı artırmak, hava basınç düşürme ve toplayıcı hızını azaltarak düzeltin. Fiber uçuş yolu geri Katener eğrisi şekil taşır kadar bu önlemleri uygulayın.
- Dikey olarak doğru toplayıcı uygulanan gerilim azalan, toplayıcı hızını arttırmak ve jet uçuş yolunu tekrar Katener eğrinin şeklini korur kadar hava basıncı artırarak seyahat lifleri kaçının.
6. İskele koleksiyonu
- Yazdırma tamamlandığında kapıyı açıp imleci kapıya daha iyi accessibility için toplayıcı plaka taşımak için kullanın.
- İskele etanol % 70 (vol/vol) karışımı ile sprey ve 10 kadar gözle görülür koleksiyoncu ayırır saniye bekleyin.
- Bitmiş İskele tarafından kapma bir kenar cımbız ve muhafaza dışarı kaldırarak ile toplamak.
7. sorun giderme
- Uygulanan gerilim azaltmak veya sesli bir kıvılcım spinneret görünür veya çatlama ses arasında ise kapıyı hemen açın.
- Yangın potansiyel kıvılcım durumunda tutuşturmak gibi tüm tehlikeli madde ve etanol %70 (vol/vol) gibi sıvı muhafaza içinden çıkarın.
- G-kodu buna göre program spinneret nerede iskele tüm katmanları tamamladıktan sonra basılır alan uzak taşır. Bu malzeme birikimi nerede spinneret sonunda durur noktası yukarıda önler.
- Spinneret bir büyüteç altında kontrol ve bu önemli ölçüde Taylor koni polimerlerin etkileyecektir gibi spinneret bir hasar yok olduğunu doğrulayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
İki farklı yöntem toplama düz koleksiyonu ve mandrel koleksiyonu olan MEW, yaygın olarak kullanılır. Elde edilen mimarileri G-yazılım tarafından yürütülen kodu (Tablo 2), programlama bağlıdır.
Düz koleksiyonu
Düz kolektörler uygulamak için en yaygın yöntem başvurur ve malzeme hazır çekim G-code atıfta doğrudan birikimi kolaylaştırır. 0/90 ve 0/60 yapıları farklı boyutlarda yaygın olarak literatürde bildirdi. Ayrıca, doğrudan yatırma erimiş lifler üzerinde toplayıcı yeteneğine de üretimini rastgele kolaylaştırır henüz desenli bir düz toplayıcı yerine düzgün bir14kullanıldığında yapıları organize.
Borulu
TE uygulamalar için borulu mimarileri ile iskele imalatı için büyük bir talep vardır. MEW borulu iskele ile özelleştirilmiş porozite silindirik toplayıcıları kullanarak elde etmek için etkili bir yöntemdir. Bunlar kendi ekseni boyunca mandrel ekseni boyunca çevrilirken döndürün. G-Code ince ayar, dönme yanı sıra çevirim hızı belirlenir ve lifler yönünü özelleştirilebilir. Radyal translasyonel hızları neden daha yüksek dönme hızları yönelik gözenekleri ve ahlak bozukluğu çok yönlü. Katmanlar, dağıtım ve morfolojisi porozite toplam sayısı iskele mekanik özelliklerini yapılandırın. Borulu iskele iç çapını uygulanan mandrel dış çapı göre belirlenecektir.
Resim 1 : MEW Kur. (A)bir PC, baskı ünitesi ve elektrik panoları (B) baş ve toplayıcı (C) fiber mükemmel dengeli uçuş faz ve (D) bir şematik çizimde Taylor koni gibi. (E) bir şematik bir yazıcının gösterir ve "gerilim uygulanan" de dahil olmak üzere beş en hakim sistem parametreleri, listeler (yüksek gerilim jeneratör), "" hava basıncı"sıcaklık" (sıcaklık denetleyicisi), (basınç regülatörü), "çalışma mesafesi" () ayarlama yoluyla şirket içinde tasarlanmış hareketli z ekseni) ve "toplama hızı" (X ve Y slaytlar konumlandırma). (F) yalıtım sistemi içinde bir ısıya dayanıklı Polyamid teyp üzerinden yazdırma kafası tasarımını gösterir. Bu "ısıtma elemanı 1" ve şarj edilmiş "pirinç parçası" arasında arcing engeller. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Resim 2 : Düz bir toplayıcıyı fabrikasyon farklı iskele (A)0/90 kafes (B) ve büyük çözünürlükte (C) aynı kafes. (D) 0/60 yapısı ve (E) rasgele kontrollü bir yapı gösterir.Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3 : Farklı borulu iskele ve elektron mikroskobu (SEM) tarama bir ilgili temsilcisi görüntü vitrine. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
| Poly(ε-caprolactone) İskele tarafından fabrikasyon infiltrasyonu dermal fibroblast eritmek electrospinning doğrudan yazma modunda (Farrugia vd., 2013)4 || DÜZ |
| Dermal fibroblast numaralı seribaşı PCL MEW iskele hücre infiltrasyonu için değerlendirmeye alınır. |
| İnsan meme kanseri metastaz kemik (Thibaudeau ve ark., 2014) için bir doku Mühendisliği insanlaşmış xenograft model15 || BORULU |
| Borulu MEW iskele uygun Ektopik 'organ' kemik kemik için insan meme kanseri metastaz çalışmaya bir fare modeli oluşturmak için kullanılır. |
| İnsan prostat kanseri metastaz doku Species-Specific izleme mekanizmaları mühendislik kemik (Holzapfel ve ark., 2014)16 || BORULU |
| MEW iskele mühendislik doku kemik prostat kanseri araştırmaları için oluşturmak için kullanılır. |
| Son derece organize kullanarak hydrogels yapısal bütünlüğünü artırılması eriyecek electrospun elyaf yapıları (Bas ve ark., 2015)17 || DÜZ |
| MEW ile farklı uyuklama desen iskele ve poresizes yumuşak hydrogels mekanik işlevselliğini geliştirmek için kullanılır. |
| Üç boyutlu baskılı microfibres (Visser vd., 2015) kullanarak hydrogels takviye18 || DÜZ |
| Yumuşak jelatin tabanlı hydrogels MEW PCL iskele ile takviye edilmiştir. |
| Electrospinning silindir üzerine eritmek: yapılar (Jungst ve ark., 2015) morfolojisi üzerine dönme hızı ve kolektör çapı etkileri6 || BORULU |
| Sistematik translasyonel ve dönme hızları borulu MEW iskele son morfolojisi üzerine etkisi incelenmiştir. |
| Hiyerarşik olarak yapılandırılmış gözenekli poly(2-oxazoline) hydrogels (Haigh vd., 2016)19 || DÜZ |
| MEW iskele kurban şablon olarak bir hidrojel içinde hiyerarşik 3D porozite ağ oluşturmak için kullanılır. |
| A doğrulanmış preklinik hayvan modeli için birincil kemik tümörü araştırma (Wagner et al., 2016)20 || BORULU |
| MEW iskele insanlaşmış doku mühendislik yapıları preklinik araştırma için birincil kemik tümörleri oluşturmak için kullanılır. |
| Kapaklarini doku Mühendisliği bir orthotopic vivo platform (Baldwin vd., 2017) içinde 21 || BORULU |
| MEW kafes ve bir hidrojel oluşan bir çoklu faz iskele kapaklarini doku rejenerasyonu uygulamaları için geliştirilmiştir. |
| 3D microscale fibröz yüzeylerde (Tourlomousis ve Chang. 2017)22 cep-matris etkileşimlerin boyutlu Metroloji || DÜZ |
| Hücre-matris etkileşimleri MEW iskele farklı mimarileri ile incelenmiştir. |
| Erime electrospun İskele yapısı-İskele (Muerza-Cascante vd., 2017) yazılı Endosteal benzeri hücre dışı matriks ifade23 || DÜZ |
| MEW PCL iskele birincil insan hematopoetik kök hücrelerinin büyümesini teşvik bir endosteal kemik gibi doku geliştirmek için kullanılır. |
| 3D T hücre tedavisi (Delalat ve ark., 2017) için harekete geçirmek ve genişleme bir platform olarak kafesler baskılı24 || DÜZ |
| İskele farklı fiber (200 µm, 500 µm ve 1000 µm) aralığı ile yüzey functionalised vardır ve genişleme için T hücreler seçilir. |
| Biofabricated yumuşak ağ Kompozit (Bas ve ark., 2017) mühendislik kıkırdak doku25 || DÜZ |
| Bir hidrojel matrisi oluşan ve eklem kıkırdak onarım için tasarlanmış MEW kafesler takviye Biomimetic yumuşak ağ kompozit raporlanır. |
| Kesin arayüzü mühendislik bioinspired kompozit Geliştirilmiş 3D baskı processability ve mekanik özellikleri (Hansske ve ark., 2017) ile doğru yolu ile26 || DÜZ |
| Magnezyum florür takviyeli nanopartikül PCL iskele MEW ile fabrikasyon tasarlanmış ve kemik doku mühendisliği uygulamaları için geliştirilmiştir. |
Tablo 1: hangi MEW iskele fabrikasyon ve biyolojik uygulamalar için kullanılan çalışmalar listesini referanslar. Liste uygulanan düz gibi borulu iskele sonuçlarını sağlar.
Tablo 2: programlama yazılımı yüklemek için bir metin dosyası (.txt) kullanarak bir G-kodu düz ve borulu iskele için açıklama. Bu tablo daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Tablo 3: parametrelerin temsili değerlerini hava basıncı, gerilim ve toplama hızı (mesafe sabit sıcaklık ve koleksiyon) üç farklı çap aralıkları (küçük, orta ve büyük) ulaşmak için. Kırmızı oklar elyaf çapları ulaşmak için ilgili kategoriler içinde kesin değerleri öneriyorum.Bu tablo daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Tablo 4: şematik farklı durumları ve MEW hem de en iyi duruma getirmek için araç mümkün fiber yükünün gerçek görüntüler. Bu tablo daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Tıp alanında sorunlar için yenilikçi çözümler bulmak için AM entegre yeni bir paradigma 21st century için sunar. "Bio-fabrikasyon" olarak adlandırılan alan artıyor ve imalat teknolojileri yenilikleri TE uygulamalar için son derece gelişmiş mimarileri üretimini etkinleştirin. Polimer erir bir doğrudan yazma modunda (burada MEW) electrospinning en umut verici üretim aday biri olarak TE toplumun ihtiyaçları ile uymak için Nano mikron Biyouyumlu malzemelerin nerede sipariş edilen yapılardır görülür gerekli27.
Bu eğitimde fiziksel ilkeleri açıklamak ve tekrarlanabilir iskele bu teknolojiyi kullanarak üretmek için Eylem adımlarını gösteren MEW operasyonların temel bilgi üreten amaçlamaktadır.
MEW genel prensipleri bu geleneksel katkı imalat teknolojileri, yani hedeflenen ifade bir katman katman şekilde haddelenmiş materyalin karşılaştırılabilir olduğundan bu kafa arasında göreli hareketi kontrol etmek önemlidir ve Toplayıcı. Bizim deneyim, toplayıcı ilgili hareketi aşamaları (X ve Y) tarafından üstlenilen iken sabit kafa tutmak MEW aygıtları ile çalışmanızı öneririz. Bir saplantısı baş istikrarlı bir konumda kalır ve Taylor koni üzerinde hareket ve bozuklukları için oluşturma sırasında yol olası kinematik kuvvetler oluşturmaz. Buna ek olarak, kabloları yüksek gerilim ile ilişkili ve Isıtma cihazları sürekli tekrarlayan hareket tabi değildir. Toplayıcı hareket G-Code, yazılımı yüklemek için ihtiyacı tarafından tanımlanır. Bu kodu olarak da bilinen RS-274, araçları yolu kontrol etmek için bilgisayar destekli üretim alanında yaygın olarak kullanılır. Hareket ve hız x G-Code dosya düz toplayıcıları ile MEW uygulamaları için belirler ve Y yönü; Silindirik toplayıcıları ya da mandrel uygulamaları için G-Code dosyası hem translasyonel (yön) X ve dönme tanımlar hızları. Tablo 2 G-code daha ayrıntılı programlama açıklar.
Diğer katkı üretim teknolojileri ile karşılaştırıldığında, MEW lifleri ile çeşitli çaplarda imalatı sistem parametreleri sıcaklık, toplama hızı ve uygulanan voltaj ayarı tarafından iletişim kuralında tanımlandığı gibi sağlar.
Küçük lifleri (3-10 µm) elde etmek için bu düşük basınç, orta gerilim ve yüksek toplama hızı kullanmak için tavsiye edilir. Genel olarak, düşük basınç daha az haddelenmiş ayine yol açar. Bu jet yüzey alanındaki karşılık gelen bir düşüş eşlik ediyor. Bu nedenle, daha küçük Elektrostatik kuvvetler kitle fiber toplayıcı doğru hızlandırmak için gerekli olan, yani daha düşük voltaj uygulanması gerekiyor. Ayrıca, karşılaştırılabilir yüksek toplama hızı geliştirilmiş son lif çapı ek bir azalma neden fiber, germe için yol.
Artan basınç daha fazla erimiş polimer akışının sebep olur ve böylece, daha büyük lif çapı (10-20 µm) yol açar. Bu durumda, daha fazla Elektrostatik kuvvet genişlemiş polimer yüzey (kalın elyaf) telafi etmek için gereklidir. İstikrarlı polimer akımını elde etmek için gerilim değiştirilmesi gerekir ve toplama hızı azaltılmalıdır.
Büyük lif çapı (20-30 µm) gelişmiş polimer ekstrüzyon, yani yüksek hava basıncı gerektirir. Bu nispeten kalın elyaf kışkırtır ve lif üzerinde yeterli Elektrostatik kuvvet sağlamak için yüksek gerilim ile birlikte uygulanması için önerilmektedir. Ayrıca, azaltılmış toplama hızları daha az lif germe neden. Bir Özet Tablo 3' te verilmiştir.
Yukarıda bahsedilen her üç durumda ancak, hala ince ayar gerektirir ve istikrarlı bir Katener eğrisi korumak için en iyi duruma getirme fiber Zamanla iletişim kuralında açıkladı şeklinde. MEW, sadece mükemmel dengeli bir denge içinde polimer akışının belirlenmesi güçleri arasında kitle ve jet toplayıcı doğru çekme kuvvetleri sonunda tutarlı iskele türleri Morfoloji 12,28 ulaşmak için götürecek . Bu nedenle, jet yolun farklılıkları gidermek güçlü sapmalar lif çapı veya yanlış ifade yansıtır. Bizim deneyim, üç farklı varyasyonlar davranış elde edilebilir.
İlk olarak, bir lif, bir fenomen başlangıçta Dalton grup12tarafından bildirilen darbe. Dengesiz bir dağıtım arasında düzenli olarak birikmiş polimer bültenleri bir sürekli kalkık Taylor koni lifleri sonuçlarında kitle ve ilgili sürükle-kuvvetler teslim. Bu yolu ve sonuçları farklı çaplarda açılarını önemli değişkenlik neden olur.
İkincisi, bir ahşap kaplama elektrikli jet hızı toplayıcı jet ekstrüzyon hızından daha yüksek olduğunda oluşur. Jet son birikimi çok uzak bir ahşap kaplama akımını neden spinneret, dikey yönünden olur. Uçuş yolu da yazdırılan bir iskele boyutlarını en aza indirir overemphasized bir eğrilik benzer.
Toplayıcı hız ayarlandığında üçüncü olarak, bir burkulma elektrikli jet jet toplayıcı ve bildirimleri, üzerine dik etkisi neden olur, jet spinneret dışarı akan hızı daha yavaş. Yüksek gerilim uygulayarak da çökertme, toplayıcı ve fiber düz uçuş rotası doğru aşırı bir ivme üreterek neden olabilir. İstenmeyen döngüler birikimi bu durumda görülmektedir.
İşlemi yeniden stabilize etmek anlamına gelir iletişim kuralında sağlanan ve Tablo 4' te gösterilen.
İskele uygulama açısından, PCL MEW, kullanırken ve Biyouyumluluk, tekrarlanabilirlik doğrudan yazma ya da elde edilen mimarileri önceden tasarlanmış özelleştirme yoluyla gibi birden çok yarar vardır. MEW herhangi bir geleneksel laboratuvar tezgah üzerinde yürütülen, solventsiz kullandığından polimer erir, bu nedenle bu pahalı duman davlumbaz veya ayrıntılı arta kalan malzemeleri29uncu geri dönüşüm gerektirmez. MEW aygıtları içeren bir salonuna girerken hiçbir koku vardır.
Ayrıca, hacim oranı gözenekli bir iskele içinde ulaşılabilir bir yüksek yüzeye büyük avantajı ve MEW İskele de biyolojik uygulamalar30için uygun hale getirir.
31erimiş ifade modelleme gibi tanınmış 3D baskı teknolojileri ile karşılaştırıldığında MEW sipariş edilen yapıları yazdırılabilir yüksekten sınırlamaları vardır.Neden Elektrostatik kuvvetler, hangi tuzakları mobil taşıyıcılar yatırılan lifleri içinde şarj başvuru doğal süreci içinde görülür. İskele yüksekliği yaklaşık 4 mm aştığında, fazla ücret toplamı iskele eylemleri için yaklaşan lifleri32püskürtücü içinde birikmiş bildirilmektedir. Daha sonra çoğu durumda, sonuçta elde edilen üst katmanlarında önemli ölçüde çarpılmıştır.
Geleneksel 3D baskı teknolojileri için başka bir fark malzeme birikimi işlemi sırasında kesildi ve sadece tüm sistem parametreleri sonunda durdurma tutan malzeme ekstrüzyon gerçeği yatıyor. Bu bir tasarım sınırlama temsil eder ve G-Code programlama kabul edilmelidir. Jet başlatma olabileceği gibi mekanik olarak gerçekleştirilen33, G-Code programlama ihtiyacı sürekli bir yolu tarif etmek-yazma yaklaşım göz önünde bulundurun.
Üretilen iş ve süreç verimliliği arttırma MEW, aynı zamanda bir meydan okuma, kalır ve ana nedeni bizim görünümünde ve başkalarının neden bu teknoloji yukarı ölçekli endüstriyel düzeyi henüz34olmamıştır, temsil eder. İlk olarak, MEW doğal olarak düşük işlem hacmi düşük debi ve sınırlı koleksiyon hızları nedeniyle işlemidir. Her iki yönlerini, ancak, jet ve tekrarlanabilirlik baskı içinde kontrollü birikimi sağlamak için gereklidir. Gerçekten de, yazdırma işlemi sırasında en fazla toplama hızı yani kullanılan malzeme fiziksel sınırlarını sınırlıdır çok yüksek hızlarda sürükle Kuvvetleri uygun sınırları aştığında jet kırılma neden. Başka bir strateji upscale MEW aygıtları, yani makineleri birbirlerine yakın mesafede birden çok yazdırma kafaları ile multi-ekstrüzyon kullanarak dayanıyor; Ancak, bu çok kafa, her kafa elektrik alanı arasındaki etkileşimler neden ve daha sonra deforme son fiber ifade35. Ne doğrudan yazılı lifleri tam yerleşimini kontrol elde etmek zor olabilir needleless erime electrospinning kafaları elektrikli jetleri36, önemli sayıda üretilip. MEW, verimliliği arttırma doğru gelecekteki gelişmeler ancak, sadece Biyomedikal topluluk, aynı zamanda sanayi filtrasyon, tekstil veya uygulamalar için enerji2-cekti yarar değil.
Bu öğretici yönergeleri altında Önerilen parametre ayarları özelleştirilmiş iskele imal sağlasa da, bu oda sıcaklık veya nem gibi çevresel koşullar küçük bağımlılıkları var ve istenmeyen için yol açabilecek dikkat edilmelidir sapmalar37. Sonuçları Bu eğitimde sunulan istikrarlı çevresel koşullar içinde kontrollü laboratuvar alanlarda yapılan Hutmacher grup, birikmiş know-how temel alır.
PCL MEW için en önemli aday olduğunu. Bu does değil istemek yüksek sıcaklık ısıtıcılar zorlu uygulanması gibi bir mühendislik açısından, düşük erime noktası (60 ° C) faydalıdır (> > 100 ° C) olarak yüksek gerilim kaynakları Uzaklik kapatın. Malzeme Mühendisliği düzeyde, PCL yarı iletken ve hem sıvı hem katı olarak güçlü makromoleküllerin uyum sağlar. Güçlü mekanik germe rağmen yapışkan malzeme toplayıcı hızı artan zaman önde gelen fiber inceltme neden olur veya uygulanan gerilim belli bir dereceye, Tahvil. Toplayıcıları taşımadan geleneksel erime electrospinning polipropilen, polietilen veya naylon9gibi farklı polimerler ile bildirilmiştir. Doğrudan yazma ilkeleri uygulama PCL ile ancak, ağırlıklı olarak bildirilmiştir ve özel durumlar39,40olsa bazı PCL karışımları daha fazla katkı maddeleri ile onun viskozite38, daha düşük. Gelecekte, ancak, hammaddeler MEW tarafından daha geniş bir yelpazesi öngörüyoruz. Bu, sırayla, yükseltme örnek işleme polipropilen (160 ° C'de erime noktası) gelince bu teknoloji için donanım bileşenlerinin MEW aygıtların donanım güncel teknik gereksinimlerine değiştirir ima.
Son derece hassas ve kontrol edilebilir mimarileri ile Biyouyumlu polimer iskele artan bir ilgi var; MEW, bugüne kadar hangi diğer biomanufacturing teknikleri ile karşılaştırıldığında (istisnalar alt mikron aralığı41yılında) alt mikron aralığındaki mimarileri sipariş imalatı yeteneğine sahiptir sadece teknoloji temsil eder. Geçen yıl bu patent ve yayınları30katlanarak artan bir miktar için kurşun içinde. Bu nedenle, donanım teknik karmaşıklık uygulanması yoluyla mücadele en iyi duruma getirilmiş ve işlem dışı kontrolünü MEW kurulması büyük önem taşıyor. Bu geniş bir uygulama yelpazesi için uyarlanmış mimarileri ile iskele imalatı gelecekte kolaylaştıracaktır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Bu eser mali kooperatif Araştırma Merkezi CRC tarafından hücre terapisi üretim, Avustralya Araştırma Konseyi ARC Merkezi katkı Biomanufacturing ve Gelişmiş çalışma Münih Teknik Üniversitesi Enstitüsü için desteklenmiştir. Bu araştırma Avustralya Araştırma Konseyi endüstriyel dönüşümü eğitim merkezinde katkı Biomanufacturing http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026) tarafından yapılmıştır. Makaleler, kitaplar, televizyon veya radyo programları, elektronik ortamda veya projeyle ilgili başka herhangi bir edebi eserler için sitesini ziyaret edin. Ayrıca, yazarlar minnetle Maria Flandes Iparraguirre filme, Philip Hubbard için ses ve Luise Grossmann desteği için filme ve düzenleme için kabul edersiniz.
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).
