Method Article

Elektrospinning Temelleri: Optimizasyon Çözümü ve Cihazlar Parametreleri

DOI:

10.3791/2494

⸱

January 21st, 2011

 ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, University of Michigan, 2State Key Laboratory of Bioelectronics, Southeast University, 3Department of Neurology, University of Michigan, 4Geriatrics Research, Education and Clinical Center, Veterans Affairs Ann Arbor Healthcare Center

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elektrospinning teknikleri, doku mühendisliği ya da diğer uygulamalar için nanofibrous iskeleleri çeşitli oluşturabilirsiniz. Biz burada istenilen morfolojisi ve hizalama lifler elde etmek için elektrospinning çözüm ve cihazları parametrelerini optimize etmek için bir prosedür açıklanmaktadır. Yaygın sorunlar ve sorun giderme tekniklerini de sunulmaktadır.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Electrospun nanolif iskeleler, olgunlaşma hızlandırmak, büyüme geliştirmek, ve in vitro hücre göç doğrudan gösterilmiştir . Elektrospinning bir ücret polimer jet topraklı bir koleksiyoncu toplanan olduğu bir süreçtir; rastgele odaklı elyaf şilteleri hızla hizalanmış nanolifler toplayıcı sonuçları dönerken sabit koleksiyoncular. Polimer jet uygulanan elektrostatik yük çözüm yüzey gerilimini üstesinden oluşur. Belirli bir polimer için en az konsantrasyon vardır, kritik karıştırmanın konsantrasyonu istikrarlı bir jet elde edilemez altında olarak adlandırılan ve hiçbir nanolifler oluşturacak nanopartiküller (elektrosprey) elde edilebilir olmasına rağmen. İstikrarlı bir jet, iki etki alanı, bir akarsu segment ve kırbaçlanan segmentinde vardır. Kırbaçlanan jeti genellikle çıplak gözle görünmez iken, akış segment uygun aydınlatma koşulları altında sık sık görülebilir. Akış uzunluğu, kalınlığı, tutarlılık ve hareket Gözlem oluşmakta olan nanolifler hizalama ve morfolojisi tahmin etmek için yararlı olur. Kısa, tekdüze olmayan, tutarsız ve / veya salınım akışı, sıçrama boncuk ve kıvrımlı çizgi veya dalgalı desenler, zayıf elyaf dizilimleri de dahil olmak üzere, çeşitli sorunların bir göstergesi. Dere, böylece üretilen liflerin hizalama ve morfolojisi optimize çözüm kompozisyon ve elektrospinning aygıtının yapılandırma ayarlayarak optimize edilebilir. Bu protokol, biz, temel elektrospinning cihazı kurma ampirik bir polimer çözüm kritik karıştırmanın konsantrasyon AB'ye yakınlaştırılması ve elektrospinning sürecini optimize etmek için bir prosedür mevcut. Buna ek olarak, bazı ortak sorunları ve sorun giderme tekniklerini tartışacağız.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Polimer seçin

  1. Belirtimlerinize dayalı bir polimer (örneğin, poli-L-laktik asit (PLLA), polycaprolactone (PCL), polistiren (PS) veya naylon) (örneğin, biyolojik olarak parçalanabilen, termoplastik veya çapraz linkable) ve bu polimer solvent seçin. Uygun kişisel koruyucu ekipman seçimi göre seçin.
  2. Başvurunuzu dayalı bir substrat seçin (örneğin, cam, plastik, metal ya da silikon gofret gibi).

2. Kollektör seçin

  1. Toplayıcı geometri senin özelliklerine göre seçin. Rastgele lifleri sabit plakalar üzerinde toplanabilir. Bağlantısızlar lifler hızla dönen tekerlekler, davul veya çubuklar, ya da paralel plakalar üzerinde toplanan olabilir.
  2. Kolektör iletken olmalıdır ve komşu nesneler, masa üstü, vb topraklama olmadan topraklı olabilir, böyle bir şekilde, axel izole kalmalıdır

3. Ampirik 1 Yaklaşık Kritik Dolaşıklık Konsantrasyon

  1. Birden fazla aday polimer konsantrasyonları (örn., 4, 10, 15, 20, 30 ağırlıkça%) hazırlayın ve başlatmak için (çözüm viskoz bir sıvı değil jel olmalıdır) akar bir konsantrasyon seçin.
  2. Elektrospinning aparatı 2,3,4,5 (bkz. Şekil 1)
    1. Şırınga pompası Yük ve ucundan sildi çözüm herhangi bir boncuk hemen değiştirilmesi olduğunu pompa hızını ayarlamak.
    2. Zemin toplayıcı ve yüksek gerilim tel iletken plaka (şırınga ucu çıkıntı vasıtasıyla alüminyum folyo gibi iletken malzemeden küçük bir kare) klibi.
    3. Tekerlek dönmeye başlar.
    4. Güç kaynağı açmadan önce sıfıra ayarlanmış olduğundan emin olun.
  3. Akış dikkat
    1. Yavaş yavaş voltaj Rampa ve iğne ucunda çözüm boncuk izlemek.
    2. Gerilim, uzun ve sürekli bir akış elde etmek için ayarlayın. Sürekli bir akım elde edilemezse, polimer solüsyonu ayarlayın. Bir örnek için Tablo 1'e bakınız.

4. Sorun Giderme - Akış:

  1. Sorun incelemekte akışı
    1. Karanlık bir mat fon kullanın ve görüntüleyici ve akışı (bkz. Şekil 2) arasındaki tek yönlü bir ışık kaynağı (bir el feneri gibi) yerleştirin.
  2. Şırınga ucu damlayan
    1. Polimer çözümü tekerlek hiçbir cazibesi ile düz aşağı damlayan ise, iletken plaka iğne ucu ile temas eden ve kollektör yere temas yaptığına emin olun.
    2. Damla şırınga ucundaki polimer çözüm tekerlek yönde eğilim ama bir dere oluşturarak değilse, gerilim artar. Mesafe ve gerilim bir akışı görünür oluncaya kadar değişen akışı kalitesi ayarlanabilir. % 4 PLLA çözüm ve 8x8 cm iletken plaka ilgili gerilimler ile önerilen mesafeler için Bkz: Şekil 3.
  3. Şırınga ucundaki Büyük globs
    1. Polimer çözümü iletken olmayan bir sopa ile bağlı bir kağıt havlu ile glob uzak ucunda iğne, tokatlamak toplamak ve sertleşmeye başlar.
  4. Salınım veya 'dalgalanma' akışları
    Akışı hızlı bir şekilde aşağı yukarı sallayarak ve zaman, gerilim kapatın veya şırınga ucu ve tekerlek arasındaki mesafeyi artırmak. Akış wag polimer daha yüksek bir konsantrasyonda kullanımı ya da daha yavaş bir buharlaşma ile küçük bir çözücü eklemek devam ederse.
  5. Kısa veya kesintili akarsu
    Yüksek bir dönme hızında, tekerlek seti ile gözlemlenebilir temas eden Görünür kararlı akışları tekdüzelik ve hizalama en yüksek kalitede verim. Akışı daha yavaş ekleyerek çözücü buharlaşan ve voltajı ayarlayarak akış uzunluğu ve metanet artıracak, polimer çözümü artan kısa ve süreksiz.

5. Sorun Giderme - Fiber Morfoloji 6,7,8 (Şekil 4 bakınız)

  1. Boncuk
    Boncuk lifler bulunduktan sonra, polimer çözüm artırmak ve iletken plaka iğne ile sürekli temas ve topraklı tel fırça tekerlek ile sürekli temas halinde olduğunu emin olun.
  2. Kurdela ve kanama lifleri
    Lifleri kurdele gibi şekillendirme ya da birlikte kanama zaman, polimer konsantrasyonu ya da daha yüksek bir buharlaşma oranı daha uçucu bir çözücü kullanın.
  3. Kıvrımlı çizgi ya da dalgalı lifleri
    Lifleri dalgaları veya kıvrımları oluştuğu zaman, tekerlek hızını artırmak veya daha fazla iğne ucu hareket kollektör. Ayrıca, titreşimli iletken plaka ve kolektör olmadığını kontrol edin.
  4. Gözeneklilik 9
    Gözenekleri istenirse, hızla buharlaşan çözücü kullanın. Eğer gözenekler istenmiyorsa, co-solvent küçük bir miktar büyük çözücü daha az uçucu eklemeyi deneyin.
  5. Hizalama 10
    Toplayıcı movdüşük RPM veya istirahatte ing, hizalama kalitesi kötü. Tekerlek hızını artırarak hizalama artırın.

6. Temsilcisi Sonuçlar:

Tipik fiber sonuçları tasvirleri için Şekil 4 bakınız.

figure-protocol-1
Şekil 1. Tipik bir elektrospinning kurulum. Bir polimer solüsyonu (mavi) bir şırınga pompası (turuncu) sürülür. Yüksek gerilim DC güç kaynağı (yeşil) gerekçesiyle hizalı nanolifler üzerine toplanan bir hızla dönen bir tekerlek toplayıcı (gri). Şırınga ve kollektör arasındaki polimer jet, sürekli bir akış segment ve hızla salınan kırbaçlanan segmentinde oluşur.

figure-protocol-2
Şekil 2 akışı jet enjektör ucu çıkmadan görünür; kırbaçlanan jet görülmeyecek kadar küçüktür.

PLLA kritik karıştırmanın konsantrasyon yaklaşıldığıdır

PLLA (% ağırlık / v) Gözlem Konsantrasyon Ayarı
0,5 Damlama; herhangi bir akış Artış
2,0 Küçük globs tükürmek, herhangi bir akış Biraz arttırabilir
4,0 Akışı Iyi
6,0 Büyük globs veya boncuk tükürmek Biraz azaltın
12,0 Ucunda Topaklanma; herhangi bir akış Azalma

Tablo 1. Bir örnek PLLA kritik karıştırmanın konsantrasyon yaklaşım resmeden. Çeşitli polimer konsantrasyonları denenmiş ve akışı kadar gözlenen akarsu jetleri elde edilir.

figure-protocol-3
Şekil 3 şırınga ucu ve kollektör arasındaki mesafe sabit bir akış jet elde etmek için uygulanan gerilim ile dengeli olmalıdır. Aşırı uygulanan gerilim bu sonuçları daha az iyi hizalanmış lifleri oluşturmak için bir salınım veya 'dalgalanma' jet neden olur. Gerilimi çok düşük olduğunda, herhangi bir jet oluşturacak ve çözüm sadece şırınga ucu damla olacaktır. Mor gölgeli bölge yukarıda PLLA için sürekli bir akış jet şırınga-toplayıcı mesafenin bir fonksiyonu olarak elde edilebilir olduğu voltaj aralığı temsil eder.

figure-protocol-4
Şekil 4 Electrospun lifler (A) boncuk, şeritler (B), kıvrımları (C), gözenekli globs (D), iyi bir uyum (E) ve kötü hizalama (F) de dahil olmak üzere, morfolojileri çeşitli sergi.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Not: örnekler çoğunluğu poli-L-laktik asit (PLLA) nanolifler elektrospinning burada anlaşma sundu. Bu sadece PLLA laboratuvarımızda en sık spun polimer çünkü. Ancak, biz de başarıyla diğer polimerler (örneğin, PLGA, PCL, PS) electrospin ve burada sunulan teknikler çoğunluğu orta-yüksek molekül ağırlıklı polimer çözümler için kolayca uygulanabilir olduğuna inanıyoruz, bu yöntemleri kullanmıştır.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
Çıkar çatışması ilan etti.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüsü, K08 EB003996 ve Amerika Araştırma Vakfı Hibe 2573 Felçli Gaziler tarafından desteklenmiştir.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Yüksek voltajlı DC güç kaynağıGama Yüksek GerilimES40P-5W
Şırınga pompasıKD ScientificKDS100
Alüminyum folyoReynolds Wrap
Künt metal uçlar, 23gaFisher Scientific13-850-102
Polipropilen şırıngaBD Biosciences309585
Döner veya sabit toplayıcıÖzel Yapılmış
Çeşitli timsah klipsleri ve telleri
DimetilformamidFisher ScientificAC11622-0010
KloroformFisher ScientificAC42355-0040
PLLABoehringer IngeheimResomer L210
PLGA 85:15Sigma-Aldrich43471
Karbon bantTed Pella, Inc.13073-1

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Shenoy, S. L., Bates, W. D., Frisch, H. L., Wnek, G. E. Role of chain entanglements on fiber formation during electrospinning of polymer solutions: good solvent, non-specific polymer-polymer interaction limit. Polymer. 46, 3372-3384 (2005).
  2. Gertz, C. C., Leach, M. K., Birrel, L. K., Martin, D. C., Feldman, E. L., Corey, J. M. Accelerated neuritogenesis and maturation of primary spinal motor neurons in response to nanofibers. Dev. Neurobiol. 70, 589-603 (2010).
  3. Lin, D. Y., Johnson, M. A., Vohden, R. A., Chen, D., Martin, D. C. Tailored nanofiber morphologies using modulated electrospinning for biomedical applications. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 736, D3.8.1-D3.8.6 (2003).
  4. Corey, J. M., Gertz, C. C., Wang, B. S., Birrell, L. K., Johnson, S. L., Martin, D. C., Feldman, E. L. The design of electrospun PLLA nanofiber scaffolds compatible with serum-free growth of primary motor and sensory neurons. Acta. Biomater. 4, 863-875 (2008).
  5. Corey, J. M., Lin, D. Y., Mycek, K. B., Chen, Q., Samuel, S., Feldman, E. L., Martin, D. C. Aligned electrospun nanofibers specify the direction of dorsal root ganglia neurite growth. J. Biomed. Mater. Res. A. 83, 636-645 (2007).
  6. Tan, S. -H., Kotaki, M., Ramakrishna, S. Systematic parameter study for ultra-fine fiber fabrication via electrospinning process. Polymer. 46, 6128-6134 (2005).
  7. Yang, F., Murugan, R., Wang, S., Ramakrishna, S. Electrospinning of nano/micro scale poly(L-lactic acid) aligned fibers and their potential in neural tissue engineering. Biomaterials. 26, 2603-2610 (2005).
  8. Li, W., Laurencin, C. T., Caterson, E. J., Tuan, R. S., Ko, F. K. Electrospun nanofibrous structure: A novel scaffold for tissue engineering. J. Biomed. Mater. Res. A. 60, 613-621 (2002).
  9. Kim, C. H., Jung, Y. H., Kim, H. Y., Lee, D. R. Effect of collector temperature on the porous structure of electrospun fibers. Macromol. Res. 14, 59-65 (2006).
  10. Wang, H. B., Mullins, M. E., Cregg, J. M., Hurtado, A., Oudega, M., Trombley, M. T., Gilbert, R. J. Creation of highly aligned electrospun poly-L-lactic acid fibers for nerve regeneration applications. J. Neural Eng. 6, (2009).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

ElectrospinningNanofiber ScaffoldsCritical Entanglement ConcentrationPolymer SolutionCollector GeometrySolution CompositionApparatus ConfigurationFiber AlignmentFiber MorphologyTroubleshooting Techniques

Related Articles