Электропрядения Основы: Оптимизация решений и аппараты Параметры

Электропрядения методы могут создавать различные nanofibrous лесов для тканевой инженерии или другие приложения. Мы описываем здесь процедура оптимизации параметров электропрядения решения и аппарат для получения волокон с желаемой морфологией и выравнивание. Общие проблемы и устранению неполадок также представлены.

Electrospun нановолокон леса, как было показано для ускорения созревания, улучшения роста, и прямой миграции клеток в пробирке. Электропрядения это процесс, в котором заряженного полимера струи собираются на заземленный коллектор; быстро вращающегося коллектора результатов в соответствие нановолокон во время стоянки результате коллекторов в хаотически ориентированных коврики волокна. Струю полимера образуется, когда применяется электростатический заряд преодолевает поверхностное натяжение раствора. Существует минимальная концентрация для данного полимера, называемая критическая концентрация запутанности, ниже которого стабильным струи не может быть достигнута и без нановолокон будет форме - хотя наночастицы могут быть достигнуты (электрораспылением). Стабильная струя имеет два домена, потоковое сегмента и сегмента битья. Хотя порка струи, как правило, невидимы для невооруженного глаза, потоковое сегмента часто видны при определенных условиях освещения. Наблюдение длина, толщина, последовательность и движение потока полезно для прогнозирования выравнивание и морфологии нановолокон формируется. Короче говоря, неоднородное, непоследовательными и / или колеблющегося потока указывает на ряд проблем, в том числе бедных выравнивание волокна, бисероплетение, разбрызгивание и причудливый узор или волнистые узоры. Поток может быть оптимизирована путем регулирования состава раствора и конфигурация электропрядения аппарата, оптимизируя, таким образом выравнивание и морфология волокна производится. В этом протоколе, мы представляем порядок создания основного аппарата электропрядения, эмпирически аппроксимирующей критической концентрации запутанности полимерного раствора и оптимизации электропрядения процесса. Кроме того, мы обсудим некоторые общие проблемы и устранению неполадок.

1. Выберите полимерных

1. Выберите полимер (например, поли-L-молочной кислоты (PLLA), поликапролактон (PCL), полистирол (PS) или нейлон), основанный на ваши требования (например, биоразлагаемые, термопластичные или сшиваемые) и растворитель, что полимер. Выберите подходящую средств индивидуальной защиты на основе вашего выбора.
2. Выбор подложки на основе вашего приложения (например, стекло, пластик, металл или кремниевой пластине).

2. Выберите коллектор

1. Выберите коллектор геометрии на основе ваших спецификаций. Случайные волокна могут быть собраны на стационарных плит. Унифицированные волокна могут быть собраны на быстро вращающиеся колеса, барабаны или стержней, или на параллельных пластин.
2. Коллектор должен быть проводящим и должна оставаться изолированной от аксель таким образом, что она может быть заземлен без заземления и смежных объектов, столешницы и т.д.

3. Приблизительная критической концентрации Запутанность Эмпирически ¹

1. Подготовка нескольких кандидатов полимера концентрации (например, 4, 10, 15, 20, 30% по массе) и выбрать, что концентрация потоков (раствор должен быть вязкой жидкости, но не гель) для начала.
2. Настройка аппарата электропрядения ^2,3,4,5 (см. рисунок 1)
   1. Нагрузка шприцевой насос и установить скорость насоса, что любое решение шарик стерты с наконечником будет немедленно заменен.
   2. Земля коллектора и клип провод высокого напряжения к проводнику пластины (небольшой площади проводящих материалов, таких как алюминиевая фольга, через который выступает наконечника шприца).
   3. Начать вращение колеса.
   4. Убедитесь, что блок питания установлен в ноль перед включением.
3. Обратите внимание на поток
   1. Рампа напряжения медленно и смотреть шарик решение на кончике иглы.
   2. Настройка напряжения с целью получения длинных и устойчивый поток. Если устойчивый поток не может быть получено, настроить концентрации раствора полимера. См. Таблицу 1 для примера.

4. Устранение неполадок - Stream:

1. Проблемы при просмотре потока
   1. Используйте темные матовые фон и место однонаправленный источник света (например, фонариком) между зрителем и потока (см. рисунок 2).
2. Капель из наконечника шприца
   1. Если раствор полимера капает прямо вниз без каких-либо привлечения к колесо, убедитесь, что дирижер пластина в контакт с иглой, и что коллектор в контакт с землей.
   2. Если капля раствора полимера на кончике шприца склоняется в сторону колеса, но не формирование потока, увеличение напряжения. Качество потока можно регулировать путем изменения расстояния и напряжения до постоянного потока видна. См. рисунок 3 для предлагаемых расстояний с соответствующими напряжения для 4% раствора PLLA и пластины 8x8 см дирижер.
3. Большие шарики на кончике шприца
   1. Когда раствор полимера начинает собирать и затвердевают на кончике иглы, салфетки шар покончить с бумажным полотенцем придает непроводящих палку.
4. Осциллирующие или «вилять» потоки
   Когда поток виляет вверх и вниз быстро, уменьшите напряжение или увеличить расстояние между кончиком шприца и колеса. Если поток продолжает вилять использовать более высокую концентрацию полимера или добавить немного растворителя с более медленным испарением.
5. Короткие или прерывистых потоков
   Видимый устойчивый потоки решений наблюдаемых контакт с колесной пары при высоких скоростях вращения выход высокого качества единообразия и согласования. Когда поток коротким и прерывистым, увеличение полимерного раствора, добавляя больше медленным испарением растворителя, а также корректировку напряжения улучшит длину и устойчивость потока.

5. Поиск и устранение неисправностей - Волоконно Морфология ^6,7,8 (см. рисунок 4)

1. Бисероплетение
   Когда гранулы обнаружены в волокнах, увеличение полимерного раствора и убедитесь, что пластины проводника делает непрерывный контакт с иглой и заземленной металлической щеткой делает постоянном контакте с колесом.
2. Ленты и кровотечение волокна
   Когда волокна формируют как ленты или кровотечение вместе, используйте более высокую концентрацию полимера или растворителя с более высокой скоростью испарения (более летучих).
3. Причудливый узор или волнистые волокна
   Когда волокна формируют волн или завитков, увеличение скорости колеса или перемещение иглы дальше от коллектора. Кроме того, убедитесь, что пластины проводником и коллектор не вибрирует.
4. Пористость ⁹
   Если поры устраивает, быстро испаряется растворитель. Если поры не требуется, то попробуйте добавить небольшое количество совместного растворителя, то есть менее волатильными, чем основной растворитель.
5. Выравнивание ¹⁰
   Когда коллектор мовING на низких оборотах или в покое, выравнивание качество оставляет желать лучшего. Увеличение выравнивание за счет увеличения скорости колеса.

6. Представитель Результаты:

Пожалуйста, обратитесь к рисунке 4 изображены типичные результаты волокна.

Рисунок 1. Типичная установка электропрядения. Полимерного раствора (синий) освобождено от шприцевой насос (оранжевый). Высокого напряжения постоянного тока (зеленый) основания быстро вращающееся колесо коллектор (серый) на которые присоединились нановолокон собираются. Струю полимера между шприцем и коллекционер состоит из устойчивой потокового сегмента и быстро осциллирующими битья сегменте.

. Рисунок 2 потокового струи видно выхода из наконечника шприца; битья струя слишком мала, чтобы не было видно.

Приближение критической концентрации запутанности PLLA

Таблица 1. Примеру изображением приближение критической концентрации запутанности PLLA. Различные концентрации полимера суду и в результате потокового струи, которые наблюдаются, пока устойчивый поток получается.

Рисунок 3. Расстояния между кончиком шприца и коллектор должны быть сбалансированы с приложенным напряжением, чтобы получить устойчивый потокового струи. Превышение напряжения причины колебательного или струя "вилять" в форме, что приводит к менее хорошо выровнены волокон. Когда напряжение слишком низко, не струи образуют и решение будет только капать из наконечника шприца. Фиолетовый заштрихованной области выше, представляет напряжения диапазон, в котором устойчивое потокового струи можно получить для PLLA в зависимости от шприца к коллекторов расстояние.

Рисунок 4. Electrospun волокна могут проявлять различные морфологии, в том числе бисером (А), ленты (B), завитков (С), пористых шариков (D), хорошее выравнивание (E) и бедных выравнивание (F).

Примечание: большинство примеров, представленные здесь дело с электропрядения поли-L-молочной кислоты (PLLA) нановолокон. Это просто потому, PLLA является наиболее часто нити полимера в нашей лаборатории. Тем не менее, мы также успешно использовал эти методы electrospin других полимеров (например, PLGA, PCL, PS) и считаем, что методы, представленные здесь легко применима к большинству средних и высокой молекулярной массой полимера решений.

Эта работа была поддержана NIH K08 EB003996 и Парализованные ветераны Америки исследовательский фонд Грант 2573.