用于组织工程应用的可调控形貌三维聚(ε-己内酯)支架的熔融电纺写入制备

本视频教程探讨了以直接书写模式进行聚合物熔体静电纺丝的技术，并提供了制备具有高度有序结构支架的必要指导。静电纺丝是一种聚合物加工技术，其中粘性聚合物通过喷嘴挤出，同时在电场作用下引发射流的形成。静电作用力将纤维加速导向带相反电荷或接地的收集器。

为了达到所需的黏度，传统上将聚合物溶解在溶剂中。这些溶剂在喷射过程中蒸发，结合电场作用，引发纤维发生显著屈曲。这导致所形成的聚合物支架在形貌特性上难以控制、表征和重复。

本实验展示了聚合物熔体的静电纺丝过程。该方法无需溶解，而是通过对原始聚合物加热以达到所需的黏度水平。由于无需溶剂，聚合物的高分子链缠结程度更高，从而获得更稳定的纤维飞行路径。

可以精确地根据收集器的移动沉积微米级纤维。采用聚合物熔体进行电纺丝的直接书写模式，能够制造出高度有序的支架结构，其尺度可小至微米级甚至纳米级。

该技术弥合了传统纤维成型工艺与3D打印原理之间长期存在的差距，为设计下一代支架开辟了新途径。微尺度静电纺丝书写技术可实现对医用级塑料（如聚己内酯或PCL）的直接加工。由于其纤维直径小、结构高度有序且具有多孔性，熔融静电纺丝PCL支架成为体外和体内应用的理想结构。

实现高效且具有重要价值的热解，一个主要前提是具备高度功能化的软硬件系统。为此，我们设计了一套完全集成的系统，并配备了自动化的外围控制功能。这有助于可靠且高度可重复地制备支架，充分满足用户的需求。

熔融电纺直写技术涉及制造具有不同结构的支架。以下教程介绍了材料准备、支架制备、纤维直径调节以及射流优化。将两克 PCL 填入三毫升塑料注射器中，并轻轻推入活塞。

将注射器置于预热至65摄氏度的烘箱中八小时。小心推动活塞，直至所有滞留的气泡完全排出。连接23号针头，并将其安装到气压系统上。

按压直至针尖从黄铜容器中露出。将收集器安装到载物台上。安装后用70%乙醇清洁。

通过编程G代码来调节支架的尺寸、纤维间距和层数，从而确定收集器移动的速度和方向。对于管状支架，选择旋转速度、平移速度及其重复次数以确定支架的厚度。有关为平面或管状支架单独编程G代码的详细指南，请参见论文原文。

打开软件 Mach3 并上传生成的 G 代码。有五个可调节的系统参数会显著决定所生成支架的质量。这些参数分别是气压、电压、收集速度、温度和工作距离，应按以下顺序进行调整。

在针头与收集器之间放置一个高度为12毫米的3D打印塑料块，以调节工作距离。打开上下两部分的加热器，分别设置顶部温度为65摄氏度，底部温度为82摄氏度。启动气压，等待熔融聚合物从针头挤出。

开始操作前，确保所有接地电缆均已牢固连接。关闭连接联锁装置的 enclosure 前门。逐渐升高电压，直至挤出的熔体形成泰勒锥，并向收集器喷射出熔融射流。

让聚合物熔体在静止的收集板上电纺五分钟，以稳定射流。使用聚合物熔体进行静电纺丝可制备不同直径的纤维。通过精确调节系统参数中的压力、电压和速度，同时保持距离和温度恒定，即可实现这一目标。

通过施加相对较低的压力、较小至中等强度的电场以及较高的收集速度，可打印直径在3至10微米之间的细纤维。根据本实验室的经验，使用以下参数可打印出直径为4微米的纤维：0.9巴、8千伏和1,700毫米/分钟。直径在10至20微米之间的中等尺寸纤维，可通过施加相对较低的压力、中等到高电压以及中等范围的收集速度来实现打印。

根据我们实验室的经验，使用以下参数可以打印出直径为13微米的纤维：1.5巴、11千伏和每分钟1200毫米。打印直径在20至30微米或更大的纤维，则需要较高的聚合物挤出速率，同时施加相对较高的电压，并采用尽可能低的收集速度。根据我们实验室的经验，使用以下参数可以打印出直径为25微米的纤维：2.6巴、12千伏和每分钟700毫米。

然而，在这三种情况下，均需进行精细调节和优化，以获得直径均一的稳定结果。在熔体静电纺丝过程中，只有当决定聚合物熔体流动的力与使射流趋向收集器的力之间达到完美平衡时，才能最终形成一致的支架形貌。当纤维的飞行轨迹在较长时间内呈现悬链线形状时，即表明已达到良好的平衡状态。

然而，目前已知存在三种不同的异常行为。第一种是，输送至泰勒锥的物质质量与纤维所受相应拖拽力之间分布不均，导致带电射流不稳定。在此情况下，泰勒锥持续地被过量供给聚合物，并在较短的时间间隔内频繁释放其质量。

频繁变化的角度清晰可见，并导致直径差异极大。为使过程重新稳定，应降低流速以减少聚合物的输送量，同时提高速度和电压，以增强对纤维的牵拉力。其次，纤维向下运动并垂直沉积在收集器上。

此时，加速度力超过了泰勒锥中的聚合物供给量。略微增加压力并降低电压可解决此问题，或者调整收集速度。第三种情况是，纤维滞后，呈现为高角度下的直线状。

由此会产生相对较厚的纤维并被拖拽，导致沉积纤维的精度降低。降低收集速度可解决此问题。

然而，需要略微增加电场强度。在熔体静电纺丝中，有两种收集方法：平板收集器和心轴收集器。使用平板收集器是最常见的方法。

文献中广泛报道了不同尺寸的90度和60度结构。将熔融纤维直接沉积在收集器上的能力也有助于制造非线性结构，例如重复的环形结构。使用既旋转又沿平行于针头方向移动的圆柱形收集器，可实现管状结构的构建。

通过精细调节旋转速度和轴向移动速度的参数，可以调控纤维的取向。当旋转速度高于轴向移动速度时，形成径向取向的孔道；反之则形成轴向取向的孔道。管状结构的直径取决于所用芯轴的直径。

在已发表的研究中，有关不同支架结构及其潜在应用的详细列表可参见原稿。由于电场高度敏感，且其强度与两个电极之间的距离密切相关，因此定期调平收集平台和打印头底面至关重要。若收集器与喷头之间的距离设置过近，电场将显著增强，直至组件之间产生火花。

立即调低电控箱的电压，或打开门。每次启动流程前，务必仔细检查所有电缆连接，确认其无松动。任何针头损伤都可能导致泰勒锥变形，从而引起打印过程中的不规则现象。

因此，针尖意外弯曲的针头必须予以丢弃。我们希望本视频有助于建立稳定的带电射流，并使您确信，正如我们所坚信的那样，熔体静电纺丝书写技术将在组织工程与再生医学领域发挥重要作用。