Summary
Electrospinning tekniker kan skapa en mängd nanofibrous ställningar för tissue engineering eller andra program. Vi beskriver här ett förfarande för att optimera parametrar electrospinning lösningen och apparater för att få fibrer med önskad morfologi och anpassning. Vanliga problem och felsökning tekniker presenteras också.
Abstract
Electrospun nanofiber ställningar har visat att påskynda mognaden, förbättra tillväxt och direkt migration av celler in vitro. Electrospinning är en process där en laddad polymer jet samlas på en jordad samlare, en snabbt roterande samlare resultat i linje Nanofiber stillastående samlare resultera i slumpmässigt orienterade fibrer mattor. Den polymera jet bildas när en tillämpad elektrostatisk laddning övervinner ytspänningen av lösningen. Det finns en lägsta koncentration för ett visst polymer, det så kallade kritiska fastna koncentration, under vilken en stabil jet inte kan uppnås och inga Nanofiber kommer att ligga - även om nanopartiklar kan uppnås (elektrospray). En stabil Jet har två domäner, en strömmande segment och en piska segment. Medan piska jet är oftast osynlig för blotta ögat, är den strömmande segmentet ofta synlig under lämpliga ljusförhållanden. Observera längd, tjocklek, konsistens och förflyttning av strömmen är användbar för att förutsäga anpassning och morfologi av Nanofiber bildas. En kort, ojämn, inkonsekvent, och / eller oscillerande ström är ett tecken på en rad problem, bland annat dålig fiber justering, beading, stänk och KRUSIDULL eller vågigt mönster. Strömmen kan optimeras genom att justera kompositionen av lösningen och konfiguration av electrospinning apparater och därmed optimerar inriktning och morfologi av fibrerna som produceras. I detta protokoll presenterar vi ett förfarande för att inrätta en grundläggande electrospinning apparat, empiriskt närma kritiska fastna koncentrationen av en polymer lösning och optimera electrospinning processen. Dessutom diskuterar vi några vanliga problem och felsökning tekniker.
Protocol
1. Välj ett Polymer
- Välj en polymer (t.ex. poly-L-mjölksyra (PLLA), polycaprolactone (PCL), polystyren (PS) eller nylon) baserat på dina specifikationer (t.ex. biologiskt nedbrytbara, termoplast eller cross-kopplingsbar) och ett lösningsmedel som polymer. Välj lämplig personlig skyddsutrustning baserat på ditt val.
- Välj ett substrat baserat på din ansökan (t ex glas, plast, metall eller kiselskiva).
2. Välj ett Collector
- Välj samlaren geometri baserat på dina specifikationer. Slumpmässiga fibrer kan samlas på stationära tallrikar. Anpassat fibrer kan samlas på snabbt roterande hjul, trummor eller stavar, eller på parallella plattorna.
- Kollektorn ska vara ledande och måste hållas isolerade från sin axel på ett sådant sätt att den kan jordas utan också jordning intilliggande objekt, bordsskivan, etc.
3. Ungefärlig den kritiska Entanglement Koncentration Empiriskt 1
- Förbered flera koncentrationer kandidat polymer (t.ex. 4, 10, 15, 20, 30 wt%) och välj en koncentration som flödar (lösningen ska vara en trögflytande vätska, men inte en gel) att börja med.
- Sätt upp electrospinning apparatur 2,3,4,5 (se figur 1)
- Ladda sprutpumpen och ställ in varvtal så att varje sträng av lösningen utraderas från spetsen omedelbart byts ut.
- Jorda samlare och klipp den höga spänningen kabeln till dirigenten plattan (ett litet torg i ledande material som aluminium folie genom vilken sprutan sticker ut).
- Starta hjulet snurrar.
- Se till att strömförsörjningen är satt till noll innan du startar den.
- Följ strömmen
- Ramp spänning upp långsamt och titta på pärlan av lösningen på nålspetsen.
- Justera spänningen att få en lång och jämn ström. Om en stadig ström inte kan erhållas, justera polymerlösning koncentration. Se tabell 1 för ett exempel.
4. Felsökning - Stream:
- Problem med att visa strömmen
- Använd en mörk matt bakgrund och placera en enkelriktad ljuskälla (t.ex. en ficklampa) mellan betraktaren och bäcken (se figur 2).
- Droppande från sprutspetsen
- Om polymeren lösningen droppar rakt ner utan attraktion till hjulet, se till att ledaren plattan är att ta kontakt med nålspetsen och att kollektorn är att ta kontakt med marken.
- Om droppe polymer lösning på sprutspetsen lutar i riktning av hjulet, men är inte bildar en bäck, öka spänningen. Kvaliteten på ån kan justeras genom att variera avståndet och spänningen tills en jämn ström syns. Se figur 3 för förslag på sträckor med motsvarande spänningar för en 4% PLLA lösning och en 8x8 cm dirigent plattan.
- Stora Globs på sprutspetsen
- När polymerlösning börjar att samla in och härda på spetsen av nålen, dra den glob bort med en pappershandduk knuten till en icke-ledande pinne.
- Oscillerande eller "viftar" strömmar
När strömmen viftar upp och ner snabbt, dra ner spänningen eller öka avståndet mellan sprutspetsen och hjulet. Om flödet fortsätter att vifta använda en högre koncentration av polymer eller lägga till lite lösningsmedel med en långsammare avdunstning. - Kort eller diskontinuerliga flöden
Synliga stadiga strömmar gör observerbara kontakt med hjulet inställd på en hög roterande hastighet ger högsta möjliga kvalitet på enhetlighet och anpassning. När strömmen är kort och osammanhängande, vilket ökar polymeren lösningen, lägga till mer långsamma avdunstande lösningsmedel, och justera spänningen kommer att öka längden och stadighet av ån.
5. Felsökning - Fiber morfologi 6,7,8 (se Figur 4)
- Profilering
När pärlor upptäcks i fibrerna, öka polymer lösningen och se till att ledaren plattan gör kontinuerlig kontakt med nål och att det jordade stålborste gör kontinuerlig kontakt med hjulet. - Band och blödning fibrer
När fibrerna bildar som band eller blöder tillsammans, använda en högre koncentration av polymer eller ett lösningsmedel med en högre grad av avdunstning (mer volatila). - KRUSIDULL eller vågigt fibrer
När fibrerna bildar vågor eller krumelurer, öka hjulhastighet eller flytta nålspetsen längre från kollektorn. Kontrollera också att ledaren plattan och samlare inte vibrerar. - Porositet 9
Om porerna är vill kan du använda ett snabbt avdunstande lösningsmedel. Om porerna inte önskas, prova att lägga en liten mängd av samarbete lösningsmedel som är mindre volatil än de stora lösningsmedel. - Justering 10
När solfångaren är movning på en låg RPM eller i vila, är inriktningen kvaliteten dålig. Öka anpassning genom att öka hastigheten på hjulet.
6. Representativa resultat:
Se Figur 4 för skildringar av typiska fiber resultat.
Figur 1. Ett typiskt electrospinning setup. En polymer lösning (blå) lämnas ut från en sprutpump (orange). En hög spänning för strömförsörjning (grön) grunder ett snabbt roterande hjul samlare (grå) på vilken linje Nanofiber samlas. Den polymera jet mellan sprutan och samlare består av en stabil strömmande segment och ett snabbt oscillerande piskande segmentet.
. Figur 2 streaming jet syns spännande på sprutans topp, den piskande jet är för små för att synas.
Om tillnärmning av de kritiska fastna koncentrationen av PLLA
| PLLA (vikt-% / v) | Observation | Koncentration Justering |
| 0,5 | Droppande, ingen ström | Öka |
| 2,0 | Spottande små Globs, ingen ström | Increse något |
| 4,0 | Stadig ström | Bra |
| 6,0 | Spotta stora Globs eller pärlor | Minska något |
| 12,0 | Klumpar i spetsen, ingen ström | Minska |
Tabell 1. Ett exempel skildrar en tillnärmning av de kritiska fastna koncentrationen av PLLA. Olika polymera koncentrationer provat och den resulterande strömmande jets iakttas tills en jämn ström erhålls.
Figur 3. Avståndet mellan sprutspetsen och uppköparen måste vägas mot den pålagda spänningen för att erhålla en jämn strömning stråle. Överskott spänningen orsakar en oscillerande eller "viftar" jet att bilda som resulterar i mindre väl anpassad fibrer. När spänningen är för låg, kommer ingen jet form och lösningen kommer bara droppa från sprutspetsen. Den lila skuggade området representerar över spänningsområdet över vilket en stadig strömmande jet kan erhållas för PLLA som funktion av spruta till samlare avstånd.
Figur 4. Electrospun fibrer kan uppvisa en mängd olika morfologier, inklusive lister (A), band (B), krumelurer (C), porös Globs (D), bra anpassning (E) och dålig anpassning (F).
Discussion
Notera: Majoriteten av de exempel som presenteras här behandlar electrospinning poly-L-mjölksyra (PLLA) Nanofiber. Detta är helt enkelt eftersom PLLA är den vanligaste snurrade polymer i vårt laboratorium. Men vi har även framgångsrikt använt dessa metoder för att electrospin andra polymerer (t.ex. PLGA, PCL, PS) och tror att de tekniker som presenteras här är lätt att tillämpa för de flesta medel-till hög molekylvikt polymera lösningar.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av NIH K08 EB003996 och den förlamade Veterans of America Research Foundation 2573.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| High voltage DC power supply | Gamma High Voltage | ES40P-5W | |
| Syringe pump | KD Scientific | KDS100 | |
| Aluminum foil | Reynolds Wrap | ||
| Blunt metal tips, 23ga | Fisher Scientific | 13-850-102 | |
| Polypropylene syringe | BD Biosciences | 309585 | |
| Rotating or stationary collector | Custom Made | ||
| Various alligator clips and wires | |||
| Dimethylformamide | Fisher Scientific | AC11622-0010 | |
| Chloroform | Fisher Scientific | AC42355-0040 | |
| PLLA | Boehringer Ingeheim | Resomer L210 | |
| PLGA 85:15 | Sigma-Aldrich | 43471 | |
| Carbon tape | Ted Pella, Inc. | 13073-1 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Tan, S. -H., Kotaki, M., Ramakrishna, S. Systematic parameter study for ultra-fine fiber fabrication via electrospinning process. Polymer. 46, 6128-6134 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
