Podstawy elektroprzędzenia: optymalizacja parametrów roztworu i aparatury

Niniejszy eksperyment demonstruje elektroprzędzenie rusztowań nanowłóknistych służących jako struktury pozakomórkowe do podtrzymywania komórek in vitro oraz in vivo. Należy rozpocząć od wyboru rozpuszczalnika polimerowego oraz geometrii kolektora odpowiednich dla pożądanego rodzaju nanowłókien. Najważniejszym etapem tego procesu jest wyznaczenie krytycznego stężenia splątania, powyżej którego możliwe jest formowanie włókien.

Kolejnym krokiem jest dostosowanie systemu w celu uzyskania odpowiedniej gęstości średnicy i orientacji włókien. Pożądane obrazy z mikroskopii elektronowej wskazują na różne rodzaje włókien, które można prząść. Wykazano, że takie rusztowania z nanowłókien otrzymywane metodą elektroprzędzenia przyspieszają dojrzewanie, poprawiają wzrost i kierują migracją komórek w warunkach in vitro.

Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą napotykają trudności, ponieważ elektroprzędzenie może być procesem kapryśnym. Demonstracje wizualne tej metody są kluczowe, gdyż etapy optymalizacji aparatury są trudne do zrozumienia bez wcześniejszego doświadczenia w elektroprzędzeniu. Wybierając polimer i rozpuszczalnik do elektroprzędzenia, należy wziąć pod uwagę takie cechy jak biodegradowalność, termoplastyczność i zdolność do sieciowania, mając na uwadze docelowe zastosowanie.

Następnie określ odpowiedni sprzęt ochrony indywidualnej, wymagany w zależności od dokonanych wyborów. Potem wybierz podłoże do zbierania nanowłókien, takie jak szkło, plastik, metal lub płytek krzemowych. Teraz wybierz geometrię kolektora.

Włókna o przypadkowym ułożeniu są zbierane na płytach stacjonarnych. Podczas gdy włókna uporządkowane mogą być zbierane na szybko obracających się kołach, bębnach, prętach lub płytach równoległych, należy upewnić się, że kolektor jest przewodzący i pozostaje odizolowany w taki sposób, aby można go było uziemić bez uziemiania sąsiadujących obiektów. W przypadku kolektorów obrotowych koło powinno być odizolowane od swojej osi.

Aby empirycznie przybliżyć krytyczne stężenie splątania, należy przygotować kilka próbnych stężeń polimeru, a następnie spośród nich wybrać stężenie, które wykazuje właściwości płynięcia. Roztwór powinien być lepką cieczą, a nie żelem. Następnie należy przygotować aparat do elektroprzędzenia.

Strzykawkę należy umieścić w odległości 20 centymetrów od kolektora, aby rozpocząć ładowanie pompy strzykawkowej wybranym roztworem, a następnie ustawić prędkość pompy tak, aby każda kropla roztworu usunięta z końcówki była natychmiast zastępowana. Uziemić kolektor i przypiąć przewód wysokiego napięcia do płyty przewodzącej. Przed rozpoczęciem obrotu koła upewnić się, że zasilacz jest ustawiony na zero; podczas powolnego zwiększania napięcia obserwować kroplę roztworu na końcówce igły oraz monitorować strumień.

Nadal reguluj napięcie, aby uzyskać długi i stabilny strumień. Jeśli nie udaje się uzyskać stabilnego strumienia, najpierw dostosuj stężenie roztworu polimeru. Jeśli strumień jest słabo widoczny, użyj ciemnego matowego tła i umieść jednokierunkowe źródło światła pomiędzy obserwatorem a strumieniem.

Czasami roztwór polimeru ścieka bezpośrednio z końcówki strzykawki, nie wykazując przyciągania do koła. W takim przypadku należy upewnić się, że płyta przewodząca styka się z końcówką igły, a kolektor jest uziemiony. Jeśli kropla roztworu polimeru na końcówce strzykawki nachyla się w kierunku koła, ale nie tworzy strumienia, należy zwiększyć napięcie.

Wprowadzać korekty, zmieniając odległość i napięcie, aż do uzyskania stabilnego strumienia. Gdy na końcówce strzykawki pojawią się duże grudki polimeru, należy je usunąć za pomocą ręcznika papierowego przymocowanego do nieprzewodzącego patyczka. Aby skorygować oscylujący lub chwiejący się strumień, należy obniżyć napięcie lub zwiększyć odległość między końcówką strzykawki a kołem.

Jeśli strumień nadal drga, należy zastosować wyższe stężenie polimeru lub dodać do roztworu niewielką ilość rozpuszczalnika o wolniejszym tempie parowania. Widoczne, stabilne strumienie, które nawiązują obserwowalny kontakt z kołem ustawionym na wysoką prędkość obrotową, zapewniają najwyższą jakość jednorodności i wyrównania. Aby zwiększyć długość i stabilność strumienia, który jest krótki i przerywany, należy zwiększyć stężenie roztworu polimeru.

Dodaj więcej wolno odparowującego rozpuszczalnika lub dostosuj napięcie. Czasami podczas zbierania przypadkowych włókien na nieruchomej płytce, włókna mogą zacząć tworzyć arkusze lub przędz w powietrzu. Jest to oznaka, że ustawione napięcie jest zbyt wysokie.

W przypadku zaobserwowania kulek w włóknach należy zwiększyć stężenie roztworu polimeru oraz upewnić się, że płyta przewodząca utrzymuje stały kontakt z igłą, a uziomiona szczotka druciana ma ciągły kontakt z kołem. Dodatkowo należy dążyć do uzyskania stabilnego strumienia. Przerywany strumień często wskazuje na powstawanie włókien z kuleczkami.

Jeśli włókna tworzą wstążki lub zlewają się ze sobą, należy zastosować wyższe stężenie polimeru lub rozpuszczalnik o szybszym tempie parowania. W przypadku tworzenia się fal lub zakręceń należy zwiększyć prędkość obrotową koła lub odsunąć końcówkę igły od kolektora. Należy również sprawdzić, czy płyta przewodząca i kolektor nie wibrują.

Czasami pożądana jest przerwa, w takim przypadku należy po prostu użyć szybko odparowującego rozpuszczalnika. Jeśli jednak pory nie są pożądane, należy spróbować dodać niewielką ilość rozpuszczalnika pomocniczego, który jest mniej lotny niż rozpuszczalnik główny. Gdy kolektor porusza się z niską prędkością obrotową (RPM) lub pozostaje w spoczynku, jakość wyrównania jest słaba.

Zwiększ stopień uporządkowania, zwiększając prędkość obrotową koła. Nanowłókna otrzymane metodą elektroprzędzenia są skuteczne w hodowli i badaniu różnych typów komórek. Na przykład pierwotne neurony szczura można barwić na beta-tubulinę oraz użyć barwnika jądrowego dpi.

Ważne jest, że włókna można również zwizualizować, gdy do roztworu prziądzenia dodano barwnik, taki jak rodamina siarkowa, po jego opracowaniu. Technika ta pozwoliła badaczom z dziedziny biomateriałów i biologii komórki na zbadanie oddziaływań między komórkami a różnymi cechami i geometriami nanotopograficznymi. Należy pamiętać, że praca z wysokimi napięciami może być niezwykle niebezpieczna i podczas wykonywania tej procedury należy zawsze podjąć środki ostrożności w celu odizolowania operatora od aparatury.