Elektrospinnen Grundlagen: Optimierung Solution und Geräteparameter

Summary

Elektrospinnen Techniken können eine Vielzahl von nanofibrous Gerüste für Tissue Engineering oder andere Anwendungen. Wir beschreiben hier ein Verfahren, um die Parameter des Elektrospinnen Lösung und Apparate zu optimieren, um Fasern mit den gewünschten Morphologie und Ausrichtung zu erhalten. Häufige Probleme und Techniken zur Fehlerbehebung werden ebenfalls vorgestellt.

Abstract

Elektrogesponnene Nanofaser Gerüste haben gezeigt, dass die Reifung zu beschleunigen, verbessern das Wachstum, und leiten die Migration von Zellen in vitro. Elektrospinnen ist ein Prozess, in dem ein geladenes Polymer-Jet auf einer geerdeten aufgefangen wird; einem schnell rotierenden Kollektor führt ausgerichtet Nanofasern, während stationäre Sammler Ergebnis in zufällig orientierten Fasermatten. Das Polymer-Jet wird gebildet, wenn eine angelegte elektrostatische Ladung die Oberflächenspannung der Lösung überwindet. Es gibt eine minimale Konzentration für ein bestimmtes Polymer, der sogenannten kritischen Verschränkung Konzentration, unterhalb derer eine stabile Jet nicht erreicht werden kann und keine Nanofasern bilden – auch wenn Nanopartikel können erreicht werden (Elektrospray) werden. Eine stabile Jet verfügt über zwei Domains, eine Streaming-Segment und einem Peitschen-Segment. Während die Peitschen-Jet ist in der Regel mit bloßem Auge ist die Streaming-Segment häufig unter geeigneten Lichtverhältnissen sichtbar. Die Beobachtung der Länge, Dicke, Konsistenz und die Bewegung der Strom ist nützlich, um die Ausrichtung und die Morphologie der Nanofasern gebildet vorherzusagen. Eine kurze, ungleichmäßige, inkonsistent und / oder oszillierenden Strom ist bezeichnend für eine Vielzahl von Problemen, darunter schlechte Faserausrichtung, Sicken, Spritzer und Schnörkel oder Wellenmuster. Der Strom kann durch Einstellen der Zusammensetzung der Lösung und die Konfiguration des Elektrospinnen Gerät optimiert werden, damit die Optimierung der Ausrichtung und der Morphologie der Fasern produziert. In diesem Protokoll, präsentieren wir ein Verfahren für den Aufbau eines grundlegenden Elektrospinnen Apparat, empirisch Angleichung der kritischen Verschränkung Konzentration einer Polymer-Lösung und Optimierung der Elektrospinnverfahren. Darüber hinaus diskutieren wir einige häufig auftretende Probleme und Fehlerbehebung.

Protocol

1. Wählen Sie ein Polymer Wählen Sie ein Polymer (z. B. Poly-L-Milchsäure (PLLA), Polycaprolacton (PCL), Polystyrol (PS) oder Nylon) nach Ihren Vorgaben (zB biologisch abbaubare, thermoplastische oder vernetzbare) und einem Lösungsmittel, das Polymer. Wählen Sie eine geeignete persönliche Schutzausrüstung auf der Basis Ihrer Auswahl. Wählen Sie ein Substrat, auf Ihre Anwendung basiert (z. B. Glas, Kunststoff, Metall oder Silizium-Wafer). 2. Wählen Sie eine Collector Wählen Sie den Kollektor Geometrie nach Ihren Vorgaben. Zufällige Fasern können auf stationären Platten gesammelt werden. Ausgerichteten Fasern kann auf schnell rotierenden Rädern, Trommeln oder Stangen oder auf parallelen Platten gesammelt werden. Der Kollektor muss leitfähig sein und muss aus seiner axel in einer Weise isoliert bleiben, dass es ohne auch Erdung angrenzenden Objekten, die Tischplatte, etc. können geerdet werden 3. Angleichung der Critical Entanglement Konzentration Empirisch 1 Bereiten Sie mehrere Kandidaten Polymer-Konzentrationen (z. B. 4, 10, 15, 20, 30 Gew.%) und wählen Sie eine Konzentration, die (die Lösung sollte eine zähe Flüssigkeit, aber kein Gel) fließt, mit zu beginnen. Richten Sie die Elektrospinnen Apparat 2,3,4,5 (siehe Abbildung 1) Laden Sie die Spritzenpumpe und stellen Sie die Drehzahl der Pumpe, so dass jede Perle der Lösung von der Spitze abgewischt wird sofort ersetzt. Boden des Sammlers und Clip das Zündkabel an die Leiterplatte (ein kleines Quadrat aus leitfähigem Material wie Aluminiumfolie, durch die die Spitze der Spritze ragt). Starten Sie das Rad zu drehen. Achten Sie darauf, die Stromversorgung auf Null ist, bevor Sie ihn einstellen. Beobachten Sie den Strom Rampenspannung langsam und beobachten Sie die Perle der Lösung an der Nadelspitze. Stellen Sie die Spannung auf eine lange und stetigen Strom zu erhalten. Wenn ein stetiger Strom nicht erreicht werden können, passen Sie die Konzentration der Polymerlösung. Siehe Tabelle 1 zeigt ein Beispiel. 4. Fehlerbehebung – der Stream: Probleme beim Anzeigen der Strom Verwenden Sie eine dunkle matte Hintergrund und legen Sie eine unidirektionale Lichtquelle (wie z. B. einer Taschenlampe) zwischen dem Betrachter und dem Strom (siehe Abbildung 2). Dripping aus der Spritze Wenn die Polymerlösung gerade nach unten tropft ohne Reiz, um das Rad sicher, dass die Leiterplatte ist die Kontaktaufnahme mit der Nadelspitze und dass der Kollektor Kontakt mit Boden. Wenn die Tropfen Polymerlösung an der Spitze der Spritze in die Richtung des Rades gelehnt ist, aber nicht bilden einen Strom, die Spannung erhöhen. Die Qualität des Streams kann durch Variation des Abstandes und die Spannung bis zu einem stetigen Strom sichtbar eingestellt werden. Siehe Abbildung 3 für empfohlene Strecken mit entsprechenden Spannungen für eine 4% PLLA-Lösung und einem 8×8 cm Leiterplatte. Große globs an die Spitze der Spritze Wenn die Polymerlösung zu sammeln und zu härten an der Spitze der Nadel, Streichen der glob weg mit einem Papiertuch an einem nicht-leitenden Stab beginnt. Oszillierende oder "wedelt" Streams Wenn der Stream wackelt schnell auf und ab, drehen Sie die Spannung erhöhen oder den Abstand zwischen der Spitze der Spritze und dem Lenkrad. Wenn der Stream weiterhin wag Verwendung einer höheren Konzentration an Polymer oder fügen Sie ein wenig Lösungsmittel mit einem langsameren Verdunstung. Kurze oder diskontinuierliche Abwasserströme Visible stetige Ströme machen beobachtbaren Kontakt mit dem Radsatz auf einem hohen Rotationsgeschwindigkeit ergeben die höchste Qualität der Einheitlichkeit und Ausrichtung. Wenn der Strom kurz und diskontinuierlich ist, die Erhöhung der Polymer-Lösung, indem mehr langsam verdampfende Lösungsmittel, und die Anpassung der Spannung wird die Länge und Festigkeit des Baches zu verbessern. 5. Fehlerbehebung – Fasermorphologie 6,7,8 (siehe Abbildung 4) Friesen Wenn Kugeln in die Fasern entdeckt, erhöhen Sie die Polymerlösung und sicherstellen, dass die Leiterplatte macht ständigem Kontakt mit der Nadel und dem geerdeten Drahtbürste macht ständigem Kontakt mit dem Lenkrad. Bänder und Blutungen Fasern Als Fasern werden als Bänder bilden oder zusammen Blutungen, verwenden Sie eine höhere Konzentration an Polymer oder ein Lösungsmittel mit einer höheren Rate der Verdunstung (volatiler). Schnörkel oder wellig Fasern Wenn Fasern bilden Wellen oder Schnörkel, erhöhen Sie die Raddrehzahl oder bewegen Sie die Nadelspitze weiter vom Kollektor. Überprüfen Sie auch, dass die Leiterplatte und Sammler sind nicht vibrieren. Porosität 9 Wenn Poren gewünscht sind, verwenden Sie eine schnell verdampfende Lösungsmittel. Wenn Poren nicht erwünscht sind, versuchen Sie, eine kleine Menge an Co-Lösungsmittel, das weniger volatil als die wichtigsten Lösungsmittel. Alignment 10 Wenn der Kollektor movIng. bei niedriger Drehzahl oder in Ruhe, ist die Ausrichtung von schlechter Qualität. Erhöhen Sie die Ausrichtung durch die Erhöhung der Drehzahl des Rades. 6. Repräsentative Ergebnisse: Bitte beachten Sie 4 für Darstellungen von typischen Faser Ergebnisse Abbildung. Abbildung 1. Ein typisches Elektrospinnen Setup. Ein Polymer-Lösung (blau) wird von einer Spritzenpumpe (orange) verzichtet. Eine Hochspannungs-Gleichstrom-Netzteil (grün) wegen einer sich schnell drehenden Rades Kollektor (grau), auf das ausgerichtet Nanofasern gesammelt werden. Das Polymer-Jet zwischen der Spritze und Kollektor besteht aus einem stabilen Streaming-Segment und einem schnell schwingenden Peitschen-Segment. . Abbildung 2: Der Streaming-Jet sichtbar Verlassen der Spitze der Spritze, die Peitschen-Jet ist zu klein, zu sehen. Durch die Annäherung der kritischen Verschränkung Konzentration von PLLA PLLA (% Gew. / v) Beobachtung Concentration Adjustment 0,5 Dripping, kein Strom Erhöhen 2,0 Spitting kleine Klümpchen, kein Strom Increse leicht 4,0 Stetigen Strom Gut 6,0 Spitting große Kleckse oder Perlen Leicht sinken 12,0 Verklumpung an der Spitze, kein Strom Rückgang Tabelle 1. Ein Beispiel der Darstellung der Angleichung der kritischen Verschränkung Konzentration von PLLA. Verschiedene Polymer-Konzentrationen sind erprobt und die daraus resultierenden Streaming-Jets bis zu einem stetigen Strom beobachtet wird erhalten. Abbildung 3. Der Abstand zwischen Spitze der Spritze und der Kollektor ist mit der angelegten Spannung ausgeglichen werden, um eine stetige Streaming-Jet erhalten. Überschüssiges angelegte Spannung bewirkt eine oszillierende oder "wedelt" jet, dass die Ergebnisse in weniger gut ausgerichteten Fasern zu bilden. Wenn die Spannung zu niedrig ist, wird kein Strahl bilden und die Lösung wird nur von der Spitze der Spritze tropft. Die lila schattierte Bereich oberhalb repräsentiert die Spannung Bereich, in dem eine stetige Streaming-Jet für PLLA als Funktion der Spritze-Kollektor-Strecke erhalten werden kann. Abbildung 4. Elektrogesponnene Fasern weisen eine Vielzahl von Morphologien, darunter Perlen (A), Bänder (B), Schnörkel (C), poröse globs (D), gute Ausrichtung (E) und eine schlechte Ausrichtung (F).

Discussion

Hinweis: Die Mehrzahl der hier vorgestellten Beispiele befassen sich mit Elektrospinnen Poly-L-Milchsäure (PLLA)-Nanofasern. Das liegt einfach daran PLLA ist die am häufigsten gesponnen Polymer in unserem Labor. Allerdings haben wir auch erfolgreich diese Methoden verwendet, um andere Polymere (zB PLGA, PCL, PS) electrospin und glauben, dass die hier vorgestellten Verfahren leicht anwendbar sind, die Mehrheit der mittel-bis hochmolekularen Polymerlösungen.

Materials

Material Name	Tipo	Company	Catalogue Number	Comment
High voltage DC power supply		Gamma High Voltage	ES40P-5W
Syringe pump		KD Scientific	KDS100
Aluminum foil		Reynolds
Blunt metal tips, 23ga		Fisher	13-850-102
Polypropylene syringe		BD	309585
Rotating or stationary collector		Custom built
Various alligator clips and wires
Dimethylformamide		Fisher	AC11622-0010
Chloroform		Fisher	AC42355-0040
PLLA		Boehringer Ingelheim	Resomer L210
PLGA 85:15		Sigma	43471
Carbon tape		Ted Pella	13073-1