Fondamenti electrospinning: Soluzione Ottimizzazione e parametri Apparatus

Electrospinning tecniche possono creare una varietà di impalcature nanofibrous per l'ingegneria tissutale o altre applicazioni. Descriviamo qui una procedura per ottimizzare i parametri della soluzione elettrofilatura e gli apparecchi di ottenere fibre con la morfologia e l'allineamento desiderato. Problemi comuni e le tecniche di risoluzione dei problemi sono anche presentato.

Elettrofilate ponteggi nanofibre hanno dimostrato di accelerare la maturazione, migliorare la crescita, e diretto la migrazione delle cellule in vitro. Electrospinning è un processo in cui è raccolto un jet carico polimero in un collettore a terra, una rapida rotazione risultati collettore in nanofibre allineate, mentre i collezionisti risultato stazionario in stuoie di fibre orientate in modo casuale. Il getto polimero si forma quando una carica elettrostatica applicata supera la tensione superficiale della soluzione. Vi è una concentrazione minima di un polimero dato, definito la concentrazione entanglement critica, sotto il quale un getto stabile non può essere ristabilita o se non nanofibre si forma - anche se le nanoparticelle possono essere raggiunti (electrospray). Un getto stabile ha due domini, un segmento di streaming e un segmento di frustate. Mentre il getto fustigazione è solitamente invisibile ad occhio nudo, il segmento streaming è spesso visibile in condizioni di luce adeguata. Osservando la lunghezza, lo spessore, la consistenza e il movimento del flusso è utile per prevedere l'allineamento e la morfologia delle nanofibre in formazione. Un flusso breve, non uniforme, incoerente, e / o oscillante è indicativo di una serie di problemi, tra cui l'allineamento delle fibre poveri, perline, schizzi, modelli e svolazzo o ondulato. Il flusso può essere ottimizzato regolando la composizione della soluzione e la configurazione degli apparati electrospinning, ottimizzando l'allineamento e la morfologia delle fibre prodotte. In questo protocollo, vi presentiamo una procedura per la creazione di un apparato di base electrospinning, empiricamente approssimare la concentrazione critica groviglio di una soluzione polimerica e ottimizzando il processo di electrospinning. In aggiunta, discutiamo alcuni problemi comuni e le tecniche di risoluzione dei problemi.

1. Scegli un polimero

1. Scegli un polimero (per esempio, poli-L-lattico (PLLA), policaprolattone (PCL), polistirolo (PS) o di nylon) in base alle vostre specifiche (ad esempio, biodegradabile, termoplastico o cross-collegabili) e un solvente di quel polimero. Scegliere adeguati dispositivi di protezione individuale in base alla selezione.
2. Seleziona un substrato in base all'applicazione (ad esempio, wafer di vetro, plastica, metallo o silicone).

2. Scegli un collettore

1. Scegli la geometria del collettore in base alle specifiche. Fibre casuali possono essere raccolte su piastre fisse. Fibre allineate possono essere raccolti in rapida rotazione ruote, tamburi o aste o su piastre parallele.
2. Il collettore deve essere conduttivo e deve rimanere isolato dal suo asse in modo che possa essere messo a terra anche senza messa a terra oggetti adiacenti, il piano del tavolo, ecc

3. Approssimare la concentrazione Entanglement critico empirico ¹

1. Preparare diverse concentrazioni di polimero candidati (ad esempio, 4, 10, 15, 20, 30% in peso) e scegliere una concentrazione che scorre (la soluzione dovrebbe essere un liquido viscoso, ma non un gel) per iniziare.
2. Sistemare il dispositivo di electrospinning ^2,3,4,5 (vedi Figura 1)
   1. Caricare la pompa a siringa e impostare la velocità della pompa in modo che ogni goccia di soluzione cancellato dalla punta viene immediatamente sostituito.
   2. Terra il collettore e la clip il filo ad alta tensione alla piastra conduttore (un piccolo quadrato di materiali conduttivi, come un foglio di alluminio attraverso i quali il sporge siringa punta).
   3. Avviare la ruota gira.
   4. Assicurarsi che l'alimentazione è impostato a zero prima di accenderla.
3. Osservare il flusso
   1. Rampa di tensione lentamente e guardare il tallone della soluzione sulla punta dell'ago.
   2. Regolare la tensione per ottenere un flusso lungo e costante. Se un flusso costante non è possibile ottenere, regolare la concentrazione della soluzione polimerica. Vedi Tabella 1 per un esempio.

4. Risoluzione dei problemi - la corrente:

1. Problemi di visualizzazione del flusso
   1. Utilizzare uno sfondo scuro opaco e posto una sorgente di luce unidirezionale (come una torcia elettrica) tra lo spettatore e il torrente (vedi Figura 2).
2. Dripping dalla siringa
   1. Se la soluzione polimero è sgocciolamento verso il basso senza attrazione verso la ruota, assicurarsi che la piastra conduttore è in contatto con la punta dell'ago e che il collettore è il contatto con la terra.
   2. Se la goccia di soluzione di polimero in punta siringa è appoggiata in direzione della ruota, ma non è che formano un ruscello, aumentare la tensione. La qualità dello stream può essere regolata variando la distanza e la tensione fino a quando un flusso costante è visibile. Vedi Figura 3 per le distanze suggerite con tensioni corrispondenti per una soluzione PLLA 4% e un 8x8 piatto conduttore cm.
3. Globs grande alla punta della siringa
   1. Quando la soluzione polimero comincia a raccogliere e ad indurire la punta di un ago swipe, il glob via con un tovagliolo di carta attaccato ad un bastone non conduttivo.
4. Oscillante o 'agita' flussi
   Quando il flusso si agita su e giù velocemente, abbassare la tensione o aumentare la distanza tra la punta della siringa e la ruota. Se il flusso continua ad utilizzare wag una maggiore concentrazione di polimero o aggiungere un po 'di solvente con una evaporazione più lenta.
5. Corsi brevi o discontinue
   Visibile flussi costante il contatto osservabile con il set ruota a una velocità di rotazione alta resa la più alta qualità di uniformità e l'allineamento. Quando il flusso è breve e discontinua, aumentando la soluzione polimerica, aggiungendo più lenta evaporazione di solventi, e regolando la tensione a migliorare la durata e la stabilità del flusso.

5. Risoluzione dei problemi - Fiber Morfologia ^6,7,8 (vedi figura 4)

1. Bordatura
   Quando le gocce vengono scoperti nelle fibre, aumentare la soluzione polimerica e assicurarsi che la piastra conduttore è il contatto continuo con l'ago e che la spazzola metallica messa a terra è in contatto continuo con la ruota.
2. Nastri e fibre di sanguinamento
   Quando le fibre si stanno formando come nastri o sono il sanguinamento insieme, utilizzare una maggiore concentrazione di polimero o un solvente con un alto tasso di evaporazione (più volatili).
3. Fibre svolazzo o ondulato
   Quando le fibre si stanno formando onde o riccioli, aumentare la velocità delle ruote o spostare la punta dell'ago ulteriormente dal collettore. Inoltre, verificare che la piastra di conduttore e collezionista non sono vibranti.
4. Porosità ⁹
   Se i pori sono desiderati, utilizzare un solvente evapora rapidamente. Se i pori non sono desiderati, provare ad aggiungere una piccola quantità di co-solvente che è meno volatile rispetto al solvente principali.
5. Allineamento ¹⁰
   Quando il collettore è movzione ad un basso numero di giri oa riposo, la qualità è scarsa l'allineamento. Aumentare l'allineamento aumentando la velocità della ruota.

6. Rappresentante dei risultati:

Si prega di fare riferimento alla Figura 4 per le raffigurazioni di risultati fibra tipici.

Figura 1. Electrospinning Una configurazione tipica. Una soluzione di polimero (blu) è erogato da una pompa a siringa (arancione). Un alta tensione in corrente continua (verde) ragioni un collezionista ruota in rapida rotazione (grigio) su cui sono raccolti nanofibre allineati. Il getto polimerico tra la siringa e il collettore è costituito da un segmento costante streaming e un segmento in rapida oscillazione fustigazione.

. Figura 2 Il getto è visibile in streaming in uscita la punta della siringa, il getto fustigazione è troppo piccolo per essere visto.

Approssimare la concentrazione critica groviglio di PLLA

Tabella 1. Un esempio raffigurante il ravvicinamento della concentrazione critica di entanglement PLLA. Varie concentrazioni di polimero sono provati e il conseguente flusso getti osservati fino ad un flusso costante si ottiene.

Figura 3. La distanza tra la punta della siringa e il collettore deve essere bilanciata con la tensione applicata per ottenere un getto costante di streaming. L'eccesso di tensione applicata causa un oscillante o 'agita' getto di forma che si traduce in meno fibre ben allineati. Quando la tensione è troppo bassa, non getto si forma e la soluzione sarà solo gocciolare dalla punta della siringa. La regione ombreggiata rappresenta viola di sopra del range di tensione in cui un getto continuo di streaming può essere ottenuto per PLLA in funzione della siringa-to-collezionista distanza.

Figura 4. Fibre elettrofilate possono presentare una varietà di morfologie, tra cui bordare (A), nastri (B), ghirigori (C), globs poroso (D), un buon allineamento (E) e l'allineamento poveri (F).

Nota: La maggior parte degli esempi presentati qui affrontare electrospinning poli-L-lattico (PLLA) nanofibre. Questo è semplicemente perché PLLA è il polimero più comunemente filata nel nostro laboratorio. Tuttavia, abbiamo anche utilizzato con successo questi metodi per electrospin altri polimeri (ad esempio, PLGA, PCL, PS) e credono che le tecniche qui presentate sono facilmente applicabile alla maggior parte delle medie e soluzioni ad alto peso molecolare del polimero.

Questo lavoro è stato sostenuto da NIH K08 EB003996 e la Paralyzed Veterans of America Research Foundation Grant 2573.