יסודות Electrospinning: פתרון אופטימיזציה פרמטרים Apparatus

ניסוי זה מדגים אלקטרו-ספינינג (electro spinning) של פיגומים מננו-סיבים למבנים חוץ-תאיים לתמיכה בתאים in vitro ו-in vivo. התחילו בבחירת ממס פולימרי וגאומטריית אספן המתאימים לסוג הננו-סיבים הרצוי. השלב החשוב ביותר בתהליך זה הוא קביעת ריכוז השבקה הקריטי (critical entanglement concentration), שמעליו ניתן להיווצר סיבים.

השלב הבא הוא התאמת המערכת כדי להפיק את צפיפות הקוטר והיישור של הסיבים. מיקרוסקופיית אלקטרונים רצויה מעידה על סוגי הסיבים השונים שניתן לטרוח. פיגומים של ננו-סיבים שיוצרו בשיטה זו הוכחו כמעכבים את הבגרות, משפרים את הצמיחה ומכוונים את נדירת התאים בתנאי in vitro.

באופן כללי, אנשים שאינם מכירים את השיטה זו עלולים להתקשות, מכיוון שהתהליך של אלקטרוספינינג (electro spinning) עלול להיות רגיש ומורכב. הדגמות חזותיות של שיטה זו הן קריטיות, שכן את שלבי אופטימיזציית המערכת קשה להבין ללא ניסיון קודם באלקטרוספינינג. בעת בחירת פולימר וממס לאלקטרוספינינג, יש לשקול מאפיינים כגון התפרקות ביולוגית, תכונות תרמופלסטיות ויכולת הצלבה, בהתחשב ביישום הסופי המתוכנן.

לאחר מכן, קבע את ציוד המגן האישי המתאים הנדרש בהתבסס על הבחירות שלך. בשלב הבא, בחר תשתית לאיסוף הננו-סיבים, כגון זכוכית, פלסטיק, מתכת או פרוסת סיליקון. כעת בחר את גיאומטריית האספן.

סיבים המסודרים באופן אקראי נאספים על לוחות נייחים. בעוד שסיבים מיושרים יכולים להיאסף על גלגלים, תופים, מוטות או לוחות מקבילים המסתובבים במהירות, יש לוודא שהאסף מוליך ונותר מבודד באופן כזה שניתן יהיה להאריקו מבלי להאריק בו-זמנית עצמים סמוכים. במקרה של אספים מסתובבים, על הגלגל להיות מבודד מציר שלו.

על מנת להעריך באופן אמפירי את ריכוז השזירה הקריטי, הכין מספר ריכוזי פולימר מועמדים, ומתוכם בחר ריכוז בעל יכולת זרימה. התמיסה צריכה להיות נוזל צמיגי, אך לא ג'ל. כעת, הגדר את מכשיר האלקטרו-ספינינג (electrospinning).

יש למקם את המזרק במרחק של 20 centimeter מהאספן כדי להתחיל להטעין את משאבת המזרקים בתמיסה הנבחרת, ולהגדיר את מהירות המשאבה כך שכל טיפה של תמיסה שמונגבת מהקצה תוחלף באופן מיידי. יש להאريض את האספן ולהיסכך את כבל המתח הגבוה ללוח המוליך. ודאו שספק הכוח מכוון לאפס לפני תחילת סיבוב הגלגל; בזמן העלאת המתח באיטיות, עקבו אחר טיפת התמיסה בקצה המחט והתבוננו בזרם.

המשיכו לכוון את המתח החשמלי עד לקבלת זרם ארוך ויציב. אם לא ניתן להשיג זרם יציב, יש לכוון תחילה את ריכוז תמיסת הפולימר. אם קשה לראות את הזרם, השתמשו ברקע כהה ומט והניחו מקור אור חד-כיווני בין הצופה לבין הזרם.

לעיתים, תמיסת הפולימר מטפטפת ישירות מקצה המזרק ללא משיכה לעבר הגלגל. במקרה זה, ודא שלוח המוליך נמצא במגע עם קצה המחט ושהאספן מחובר להארקה. אם טיפת תמיסת הפולימר בקצה המזרק נוטה לכיוון הגלגל אך אינה יוצרת זרם, הגבר את המתח.

בצעו התאמות על ידי שינוי המרחק והמתח עד שיופיע זרם יציב. כאשר נוצרים גושי פולימר גדולים בקצה המזרק, הסירו את הגושים בעזרת נייר סופג המחובר למקל שאינו מוליך. כדי לתקן זרמים תנודתיים או רוטטים, הפחיתו את המתח או הגדילו את המרחק בין קצה המזרק לגלגל.

אם הזרם ממשיך להתנדנד, השתמש בריכוז גבוה יותר של פולימר או הוסף לתמיסה מעט ממס בעל קצב התאיידות איטי יותר. זרמים יציבים הנראים לעין ויוצרים מגע נראה עם הגלגל המסתובב במהירות גבוהה מדי, מניבים את האיכות הגבוהה ביותר של אחידות ויישור. כדי לשפר את האורך והיציבות של זרם קצר ובלתי רציף, הגדל את ריכוז תמיסת הפולימר.

הוסיפו עוד ממס בעל קצב התאיידות איטי, או כווןו את המתח החשמלי. לעיתים, בעת איסוף סיבים אקראיים על פלטה ניתונה, הסיבים יתחילו ליצור דפים או חוטים באוויר. זהו סימן לכך שהמתח החשמלי מכוון לגובה רב מדי.

כאשר מתגלים חרוזים בסיבים, יש להגדיל את ריכוז תמיסת הפולימר ולוודא שלוח המוליך נמצא במגע רציף עם המחט ושמברשת התיל המוארקת נמצאת במגע רציף עם הגלגל. בנוסף, יש לנסות להשיג זרימה יציבה. זרימות מקוטעות (spitting streams) מעידות לעיתים קרובות על היווצרות סיבים מחובבים.

אם הסיבים נוצרים כסרטים או נמרחים זה לתוך זה, השתמש בריכוז גבוה יותר של פולימר או בממס בעל קצב התאיידות גבוה יותר כדי לתקן סיבים שנוצרים כגלים או כמסלולים מסולסלים. הגדל את מהירות הגלגל או הרחק את קצה המחט מהאספן. כמו כן, ודא שלוח המוליך והאספן אינם רוטטים.

לעיתים רצוי להפסיק את התהליך, ובמקרה זה השתמשו פשוט בממס המתאדה במהירות. עם זאת, אם נקבוביות אינן רצויות, נסו להוסיף כמות קטנה של ממס עזר (cos solvent) שהוא פחות נדיף מהממס העיקרי. כאשר האספן נע במהירות סיבוב (RPM) נמוכה או במצב מנוחה, איכות היישור היא דלה.

הגבירו את רמת הסידור (alignment) על ידי הגברת מהירות הגלגל. ננו-סיבים המיוצרים בטכניקת electrospinning יעילים לתרבית ולמחקר של סוגי תאים שונים. לדוגמה, ניתן לצבוע נוירונים ראשוניים של חולדה עבור beta tubulin וצביעת נגד גרעינית dpi.

חשוב לציין כי ניתן להדגים את הסיבים גם כאשר צבע, כגון sulfur rumine, נכלל בתמיסת השזירה לאחר פיתוחה. טכניקה זו אפשרה לחוקרים בתחומי הביומטריאלים והביולוגיה של התא לבחון את האינטראקציות בין תאים לבין מגוון מאפיינים וגיאומטריות ננו-טופוגרפיים. זכרו כי עבודה עם מתחים גבוהים עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש לנקוט תמיד באמצעי זהירות כדי לבודד את המפעיל מהמכשיר בעת ביצוע הליך זה.