エレクトロスピニングの基礎：最適化ソリューションと装置のパラメータ

この実験では、in vitro および in vivo における細胞支持用の細胞外構造として、ナノファイバー足場の電界紡糸法（エレクトロスピニング）について実演します。まず、目的とするナノファイバーのタイプに適したポリマー溶媒とコレクターの形状を選択してください。このプロセスで最も重要なステップは、ファイバーの形成が可能となる臨界絡み合い濃度を決定することです。

次に、繊維の直径、密度、および配向性を制御するようにシステムを調整します。目的とする電子顕微鏡像は、紡糸可能な繊維の種類を示しています。これらの電界紡糸ナノファイバー足場は、in vitro において細胞の成熟を促進し、増殖を改善し、遊走を誘導することが示されています。

一般的に、この手法に不慣れな方は、エレクトロスピンニングが非常に繊細なプロセスであるため、習得に苦労することがあります。装置の最適化ステップは、エレクトロスピンニングの経験がないと理解しにくいため、本手法の視覚的な実演が不可欠です。エレクトロスピンニングに使用するポリマーと溶媒を選択する際は、最終的な用途を念頭に置き、生分解性、熱可塑性、架橋能などの特性を考慮してください。

次に、選択内容に基づいて、必要となる適切な個人用保護具を決定します。続いて、ガラス、プラスチック、金属、またはシリコンウェハーなど、ナノファイバーを収集するための基板を選択します。その後、コレクターの形状を選択してください。

ランダムに配向したファイバーは固定プレート上に回収されます。配向したファイバーは高速回転するホイール、ドラム、ロッド、または平行プレート上で回収できますが、コレクターが導電性であり、かつ隣接する物体を接地させることなく単独で接地できるように絶縁されていることを確認してください。回転式コレクターを使用する場合、ホイールは軸から絶縁されている必要があります。

臨界絡み合い濃度を経験的に近似するために、いくつかの候補となるポリマー濃度を調製し、その中から流動性のある濃度を選択します。溶液は粘性のある液体である必要があり、ゲル状であってはなりません。次に、電界紡糸装置をセットアップします。

シリンジをコレクターから20 centimeter離して配置し、選択した溶液をシリンジポンプに充填して、チップから拭い去られた溶液の液滴がすぐに補充されるようにポンプ速度を設定します。コレクターを接地し、高電圧ワイヤーを導電板にクリップで固定します。ホイールの回転を開始する前に、電源がゼロに設定されていることを確認してください。電圧をゆっくりと上げながら、針先にある溶液の液滴を確認し、ストリームを観察します。

電圧を調整し、長く安定したストリームが得られるようにします。安定したストリームが得られない場合は、まずポリマー溶液の濃度を調整してください。ストリームが見えにくい場合は、暗色のマットな背景を使用し、観察者とストリームの間に単一方向の光源を配置してください。

ポリマー溶液がホイールに引き寄せられず、シリンジのチップからそのまま垂直に滴り落ちることがあります。この場合は、導電板がニードルチップに接触していること、およびコレクターが接地されていることを確認してください。シリンジチップのポリマー溶液の滴がホイール方向に傾いているものの、ストリーム（線状の流れ）が形成されない場合は、電圧を上げてください。

安定したストリームが見えるまで、距離と電圧を調整します。シリンジの先端に大きなポリマーの塊が形成された場合は、非導電性スティックに取り付けたペーパータオルでその塊を拭き取ってください。ストリームの振動や揺れを修正するには、電圧を下げるか、シリンジ先端とホイールの間の距離を広げてください。

ストリームの揺れが続く場合は、より高濃度のポリマーを使用するか、蒸発速度の遅い溶媒を少 amount 溶液に加えてください。可視状態で、高速回転に設定されたホイールに確実に接触する安定したストリームが、最も高い均一性とアライメント品質をもたらします。ストリームが短く不連続な場合は、ポリマー溶液の濃度を上げて、ストリームの長さと安定性を向上させてください。

揮発速度の遅い溶媒を追加するか、電圧を調整してください。固定プレートでランダムファイバーを回収している際、空中でファイバーがシート状やヤーン状になり始めることがあります。これは、電圧が高すぎること示す兆候です。

ファイバーにビーズ（凝集点）が見られた場合は、ポリマー溶液の濃度を高め、導電プレートがニードルに、接地されたワイヤーブラシがホイールにそれぞれ連続的に接触していることを確認してください。さらに、ストリーム（噴射流）を安定させるようにしてください。ストリームが断続的である（spitting）ことは、多くの場合、ビーズ状のファイバーが形成されていることを示しています。

ファイバーがリボンのように形成されたり、互いに癒着したりする場合、または波打ったりカールしたりする場合は、ポリマー濃度を高めるか、蒸発速度のより速い溶媒を使用して修正してください。また、ホイール速度を上げるか、ニードルチップをコレクターからさらに離してください。あわせて、導電板とコレクターが振動していないかを確認してください。

時に孔が形成されることがありますが、その場合は単に揮発性の高い溶媒を使用してください。一方で、孔の形成を避けたい場合は、主溶媒よりも揮発性の低い共溶媒を少量添加することを検討してください。コレクターが低速（低RPM）で回転している場合や停止している場合は、配向性は低下します。

ホイールの回転速度を上げることで、配向性を高めます。電界紡糸によるナノファイバーは、さまざまな細胞種の培養および研究に有効です。例えば、ラット初代ニューロンを用いて、β-tubulinおよび核対比染色のDAPIによる染色を行うことができます。

重要な点として、紡績溶液にスルホローダミンなどの染料を添加することで、作製後のファイバーを可視化することが可能です。この手法により、バイオマテリアルや細胞生物学分野の研究者は、細胞とさまざまなナノトポグラフィーの特徴や幾何学的形状との相互作用を探索できるようになりました。高電圧での作業は非常に危険であるため、この手順を実施する際は、常に操作者を装置から隔離するなどの予防措置を講じることを忘れないでください。