Name: prescribed 3-d direct writing of suspended micron/sub-micron scale fiber structures via a robotic dispensing system
Uploaded: 2015-06-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 36 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System at JoVE.com

This work is supported by the NSF-EPSCoR (grant #0814194) and the Department of Bioengineering.

<html> 1. Equipamentos Set-up <ol><li> Montagem do sistema de distribuição e ligar controlador de válvula e o corpo da seringa para a fonte pneumática, por meio de um regulador de pressão, para regular a pressão a 15 psi para distribuir a solução de polímero a partir da ponta da agulha com um caudal de 2,45 mL / min. </li><li> Inserir o robô de 3 eixos e sistema de distribuição para um cercado térmica para garantir um ambiente de trabalho estável (Figura 2). </li><li> Instale-robô Joint Pontos de Controle (JR-C) Pontos de software fornecidos pelo fabricante do sistema e conectar robô de 3 eixos para um computador via porta de comunicação serial. </li><li> Montar a válvula de distribuição de robô de 3 eixos e instalar ponta da agulha na válvula. </li><li> Nivelar a placa estágio robótico de acordo com as orientações do fabricante para garantir a planicidade com relação à altura da ponta da válvula 15. </li><li> Montar um aquecedor controlado-feedback no recinto para adicionar controle ambiental. </li></ol>conteúdo &quot;fo: manter-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> Figura 2. (A) 3-Axis dispensar robô com acessórios necessários alojados dentro de um gabinete; e, (B) imagem Ascendente próximo da válvula de distribuição com microscópio USB ligado para visualização. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 2. Materiais Experimentais e fatores controladores <ol><li> Fatores e sua combinação de controle. <ol><li> Vary taxa de alimentação de 1% da velocidade (5 mm / seg) até 100% (500 mm / seg), pelo software JR C-Pontos. Para esta aplicação, utilizar uma velocidade de 2% (10 mm / s) para fabricar o estruturas de fibras apresentado neste trabalho. </li><li> Variar concentrações da solução de polímero de viscosidade específica para atingir, a tensão superficial e parâmetros de volatilidade necessáriapara a aplicação pretendida. Para esta aplicação, utilizar um 24% de polimetilmetacrilato (PMMA) em solução de clorobenzeno para fabricar as estruturas de fibras apresentados neste trabalho. </li><li> Vary controle de tempo de distribuição válvula de 0,02 segundos para 1 segundo, a fim de ejetar soluções via pneumática. Para esta aplicação, use 0,02 seg para fabricar as estruturas de fibra apresentados neste trabalho. </li><li> Selecione um tamanho calibre de pontas de agulhas de alta precisão para dispensar soluções poliméricas. Para esta aplicação, use a 30 G (diâmetro interno (ID) = 152,4 mm) de ponta para fabricar as estruturas de fibra apresentados neste trabalho. </li><li> Definir o intervalo de temperatura de operação entre 70 ° F a 100 ° F na caixa de isolamento térmico para manter uma taxa de evaporação constante da amostra de polímero. Para esta aplicação, utilizar uma temperatura de 70 ° F para fabricar as estruturas de fibras apresentados neste trabalho. </li></ol></li><li> Preparação de soluções de polímero. <ol><li> Misturarresinas de polímeros de metacrilato de polimetilo (PMMA; 0,72 g) com o solvente clorobenzeno (2,28 g) sob uma câmara de fluxo químico. </li><li> Calcule o peso do polímero (PMMA) e do seu solvente (clorobenzeno) para alcançar a concentração desejada do polímero em solução. Para esta aplicação, utilizar um 24% de polimetilmetacrilato (PMMA) em solução de clorobenzeno para fabricar as estruturas de fibras apresentados neste trabalho. </li><li> Colocar a quantidade desejada de pó de polímero / resina para dentro do frasco de vidro. Para esta aplicação, usar 0,72 g de resina de PMMA para atingir uma concentração de 24% de PMMA. </li><li> Transferir no solvente sobre polímero dentro do frasco com uma pipeta até que o peso total de 3 g é atingido. </li><li> Misturar o frasco durante 1 min usando um agitador de vórtice e processá-los por ultra-sons durante 5 horas para dissolver completamente o pó de polímero / resina. </li><li> Verifique a transparência das soluções, se houver qualquer turvação ou opacidade a amostra continuam a sonicação até estar límpida. </li></ol></li><li> Medição da viscosidade de soluções de polímero. <ol><li> Viscosidades de soluções medida através de cone-and-plate viscometer (por exemplo, VDVE-II + e RVDV-II +) 16. </li><li> Carregar 0,5 ml de amostra padrão conhecida viscosidade (uma mistura à base de glicerina e água) fornecida pelo fabricante viscosímetro para calibrar o viscosímetro, a fim de minimizar os erros nas medições de viscosidade. O fabricante fornecida uma variedade de amostras padrão para a calibração do viscosimetro. Utilizar a amostra padrão à base de glicerina com uma viscosidade de 100.000 cP. </li><li> Conectar camisa de água para manter o viscosímetro de fluido de ensaio a uma temperatura de funcionamento constante. </li><li> Inicie a medição fluido de teste movendo o interruptor On / Off para a posição On para iniciar a rotação do eixo. Uma vez que o valor do binário no painel de exibição tenha se estabilizado, gravar o torque e calcular as viscosidades finais usando a relação entre binário, constante multiplicador fuso e velocidade de fuso 16 <img alt="Equação 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> onde é a viscosidade, a RPM é a velocidade do fuso, afixada cone, TK é o binário (0,09373 para VDVE-II +, 1 para RVDV II +), SMC é a constante multiplicador eixo que depende do fuso específico a ser utilizado durante a viscosidade medição. Para este estudo, o fuso CP-52 que foi usado tem uma constante multiplicador fuso de 9,83. </li></ol></li><li> Medição da tensão superficial de soluções poliméricas. <ol><li> Método de medição refere-se à técnica de Wilhelmy 14. </li><li> Coloque 1 ml soluções de teste em um frasco de vidro em um equilíbrio de alta resolução (resolução escala = 0,001 g). Mergulhe uma haste de vidro de diâmetro conhecido em soluções de teste. </li><li> Controlar a posição da haste através de um servo ou de passo controlado atuador linear para tocar a superfície e parcialmente mergulhe em soluções de teste com contato zero. </li><li> Monitorar e registrar a mudança na medição de massa no balanço quandoa remoção da haste de solução superfície. </li><li> Calcule a tensão superficial pela mudança vigor, perímetro da haste e ângulo de contato do líquido na haste. <img alt="Equação 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> onde está o perímetro molhado da haste (L = 10,05 milímetros de diâmetro = 3,2 mm), é θ ângulo de contacto do fluido na haste, F é mudança da força devido à tensão superficial do fluido de teste na ponta da haste. </li></ol></li><li> Medição de coeficiente de transferência de massa de soluções. <ol><li> 14 Medir coeficientes de transferência de massa de soluções de polímeros por análise termogravimétrica. </li><li> Carregar 30 ul da solução de polímero de PMMA de 24% (em peso) numa placa de platina antes de tara, o equilíbrio. </li><li> Purgue a câmara, o programa do dispositivo para executar a temperatura operacional desejada (70 ° F) durante 2 horas para monitorar massa de soluções alvo. </li><li> Calcular os coeficientes de transferência de massa por mudanças na massa da solução,área de solução de interface e a densidade / ar. <img alt="Equação 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> em que m (t) é a massa de soluções de PMMA, A é ​​a área da interface solução / ar (igual a 78,5 milímetros para 2 placa padrão), mPOLYMER é a massa do polímero na solução e é a densidade da solução. </li></ol></li></ol> 3. Escreva direto Experiment Procedimento <ol><li> Dispensando protocolo de carregamento de amostra do sistema. <ol><li> Carga 3 ml de solução de polímero para dentro do tambor da seringa, colocar pistão em tambor de seringa para eliminar a distribuição de pressão pneumática inconsistente. </li><li> Torça o adaptador de linha de entrada no reservatório da seringa, conecte-o ao tubo de ar linha de origem. </li><li> Escolha o tamanho calibre desejado da ponta da agulha de precisão para realizar experimento. </li><li> No painel do controlador da dispensa, mude para purgar estado e clique em &quot;ciclo&quot; botão para preencher a válvula de distribuição com polímero, de modolução até descarregado a partir da ponta da agulha. </li><li> Wipe solução de polímero residual da ponta na preparação de um processo de escrita de fibra programado. </li></ol></li><li> Fibras de polímero diretos gravação com robô de 3 eixos e sistema de distribuição. <ol><li> Determinar o deslocamento para reposicionar a ponta da agulha de distribuição a partir da posição inicial padrão para o ponto de iniciação do micro / sub-estrutura de fibra micron prescrito fase robô para ser desenhada. Montar um microscópio USB (ampliação = 200x) para o suporte da válvula do sistema de distribuição, o que se traduz ao longo do eixo-Z. Focar manualmente a ponta do aplicador, ajustando o botão de focagem do microscópio sobre USB que ajuda a posicionar com precisão a ponta da válvula para a posição desejada, o substrato pré-fabricado ou dispositivo. </li><li> Criar / projetar o padrão de estrutura de fibra desejado (Figuras 3A, 4A, 5A e) usando um pacote de software CAD. Introduzir as coordenadas espaciais (x, y, z) na roboJR-t C 15 controlar o software para todos os pontos de iniciação e de terminação, de modo sequencial, com respeito ao padrão desejado criado dentro do programa de CAD (Figura 3B, 4B, 5B e). </li><li> Transfira o programa de design de estrutura de fibra concluído a partir do computador para o robô, clicando em &quot;Enviar C &amp; T de dados&quot; no menu do robô dentro do software JR-C 15. </li><li> Carga de 3 ml de PMMA amostra solução de concentração conhecida (24%) em tambor de seringa, válvula de purga e agulha, configurar todos os parâmetros de distribuição para o controlador de válvula e controlar robô software. </li><li> Coloque substrato pré-fabricado para a fase cilindro robô, fechar as portas do recinto térmicos para impedir o fluxo do ar ambiente, o que pode induzir instável evaporação da solução de polímero. </li><li> Comece a escrever as fibras sobre o substrato, clicando no menu robô de software JR-C e selecionando &quot;teste de corrida&quot; 15. </li><li> DC revestimento por crepitação uma camada de ouro metálico condutor durante 2 min, até que uma camada espessa de 2 nm de ouro é depositada sobre as fibras estiradas para permitir a visualização das fibras no microscópio electrónico de varrimento. </li><li> Medir o diâmetro e a estrutura de fibras por meio de microscópio electrónico de varrimento 17. Microscópio parâmetros: Nível de alta tensão: 2,00 kV; Objectivo: InLens, distância de trabalho (9,0 mm). </li></ol></li><li> Execute o procedimento de limpeza do sistema de distribuição sob uma capela de fluxo química. <ol><li> Inserir o sistema de dispensa numa câmara de fluxo químico para executar o procedimento de limpeza. </li><li> Desmontar válvula de agulha de acordo com o protocolo do fabricante. </li><li> Coloque todos os componentes para uma proveta de metal, derrame acetona na proveta até que todas as peças estão imersas. </li><li> Coloque copo num banho de ultra-sons durante 30 minutos para remover todos os restos de polímero. </li><li> Lave todas as peças em água DI fluir, em seguida, usar pistola de ar para explodi-los secos. </li></ol></<html> li&gt; </ol><img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" /> Figura 3. (A) Exemplo de projetado &quot;quad&quot; estrutura de web em um 10 milímetros x 10 mm quadro, (B) instruções seqüenciais ponto-a-ponto espaciais a serem introduzidos em software ponto JR-C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> Figura 4. (A) Exemplo de desenhado estrutura de teia &quot;simétrico&quot; em ± 10 mm x 10 mm moldura, (B), ponto-a-ponto espaciais instruções sequenciais a ser introduzida no software de ponto de JR-C.blank &quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" /> Figura 5. (A) Exemplo de projetado &quot;chevron duplo&quot; estrutura de web em um 10 milímetros x 10 mm quadro, (B) ponto-a-ponto instruções espaciais seqüenciais a ser introduzida em software ponto JR-C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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The authors have nothing to disclose.

Antes de tentar cada ensaio, é importante que a viscosidade, coeficiente de transferência de massa e a tensão superficial das soluções de teste de polímero ser medida com precisão, a fim de determinar se o robô e sistema de distribuição é capaz de processar o polímero desejado. Tal como descrito anteriormente pelo nosso grupo, as soluções de polímero deve reter adequada: 1) a tensão superficial para permitir que a formação de filamentos de líquido em estruturas / sub-micron micron; 2) viscosidade para resistir quebrar capilar-se; e, 3) taxa de evaporação para melhorar a solidificação de fibra 18. A sinergia entre estes parâmetros é a chave para produzir com sucesso fibras ao longo de um determinado intervalo de diâmetros. Ao mesmo tempo, a instabilidade em qualquer destes parâmetros previne a formação de fibras / micron escala sub-micra. Para manter a sinergia entre estes parâmetros durante o fabrico de fibras, é importante para assegurar que a agulha e válvula de agulha está completamente limpa após uma gravação directa s-ESSÃO para evitar: 1) a contaminação da solução; 2) uma redução na taxa de fluxo da solução de polímero através da agulha; e, 3) o crescimento excessivo na pérola de polímero na ponta da agulha. Além disso, o controlador de temperatura no aquecedor deve ser ajustado para a temperatura desejada para manter uma taxa constante de evaporação da solução de polímero. As fibras ramo bifurcadas foram 59%, 41% e 24% maior em diâmetro do que a das estruturas de suporte das Figuras 6-8, respectivamente, utilizando a solução de 24% de PMMA. Isto é principalmente devido à distância a que as fibras são extraídas. Especificamente, as estruturas de suporte são desenhados ao longo de toda a largura do substrato (10.0 mm de X e de Y; 14,4 milímetros diagonal). Como resultado, estas são as fibras mais longas de as estruturas suspensas global. As estruturas de ramificação bifurcadas são significativamente mais curta, que varia a partir de 7 mm de comprimento do valor máximo até 2,5 milímetros. Este menor comprimento desenho fibra não fazt induzir eficazmente a estirpe de fibra necessária durante o processo de adelgaçamento das fibras, a fim de produzir as fibras de pequeno diâmetro. Por outro lado, fios de diâmetro maior são necessárias para servir como as fibras de suporte, a fim de manter eficazmente a puxar e a deformação induzida durante o processo de estiramento ramo bifurcada. À medida que os ramos de bifurcação são desenhadas através das fibras de suporte, uma remodelação do tamanho de fibra de suporte pode ocorrer devido às forças de desenho, bem como uma dissolução localizada do polímero de PMMA na interface entre o suporte e as fibras ramificadas do solvente presente no solução de polímero. Assim, em alguns casos, as fibras de suporte pode ter de ser fabricada a partir de uma solução de polímero que consiste em uma concentração mais elevada de polímero para a produção de maior diâmetro e as fibras mais fortes mecanicamente. Existem basicamente três métodos eficazes para modificar o protocolo já existente de produção de uma gama mais ampla de apoio e fibra ramificadadiâmetros: 1) inicialmente dispensam o polímero a partir de uma ponta de agulha maior (por exemplo, 25 g; ID = 254 mm) para gerar as fibras de suporte e, em seguida, trocar por uma ponta de agulha menor (por exemplo, 32 G; ID = 101,6 mm) para fabricar as pequenas fibras ramificada; 2) como indicado acima, utilizar concentrações múltiplas de polímero; e / ou, 3) ajustar a taxa de alimentação, ou seja, a velocidade na qual a fase atravessa, onde o aumento da taxa de alimentação produz fibras de menor diâmetro e diminuindo a taxa de alimentação cria fibras de diâmetro maior. Até à data, têm sido capazes de fabricar com sucesso fibras tão pequeno como 90 nm; no entanto, o rendimento em fibra esta dimensão é baixo devido ao rompimento capilar. Uma limitação deste processo automatizado de escrita directa é que apenas uma concentração da solução de polímero pode ser distribuído de cada vez. Isto restringe o nível de complexidade das estruturas suspensas para ser desenvolvido sem ter que: 1) adicionar uma segunda válvula de distribuição para o robô;ou, 2) remover a válvula existente e executar o protocolo de limpeza (Seção 3.4) antes de dispensar a segunda solução de polímero, o que leva tempo adicional. Uma segunda limitação é a taxa de alimentação (ou velocidade de impressão), em que a taxa de alimentação máxima que o sistema é capaz de alcançar é de 500 mm / seg. No entanto, há um equilíbrio entre a taxa de alimentação e formação de fibras. Especificamente, se as forças de inércia (forças, devido à velocidade de alimentação) são maiores do que as forças de tensão da superfície e a velocidade de evaporação da solução de polímero, a formação da fibra não ocorre. Por outro lado, se a taxa de alimentação é muito baixa, as fibras irão fracturar devido à evaporação excessiva antes e durante o processo de alongamento. Em terceiro lugar, as dimensões da fibra e da estrutura estão limitadas à gama de operação do estágio do robot, ou seja, 200 mm, 200 mm e 25 mm (com uma precisão de posicionamento 10 um) nas direcções x, y e z, respectivamente. No entanto, este processo permitem a formação de elevada razão de aspecto (l fibrasength: diâmetro) fibras. Estrategicamente variando o tamanho da ponta de distribuição e a concentração da solução de polímero que permitiria uma mais ampla gama de diâmetros da fibra, criando a capacidade de gerar estruturas suspensas livremente de maior complexidade. Seguindo os protocolos de dito acima, as fibras de polímero micra e diâmetro submícron podem ser gerados com um nível elevado de controlo espacial, explorando a superfície orientada para tensão de fluido mecânica das soluções de polímero, que não podem ser controlados com quaisquer outros processos por via húmida, secos ou electrospinning . Do trabalho antes 8,19, sabemos que esta técnica pode ser utilizada para fabricar intrincado micro / submicrométricas dispositivos fluídicos 19 e andaimes bioengenharia 8. Esta técnica barato e fácil tem as suas próprias vantagens em relação aos métodos tradicionais de fabricação plaina de muitas maneiras.

Ao longo das últimas décadas, uma variedade de técnicas de fabricação, tais como fiação molhada, seca e fiação electrospinning, têm sido empregados para criar novas estruturas de fibra de polímero com diversas e robustas biológicas, químicas, elétricas e mecânicas propriedades 12/01. Embora estas técnicas de fiação são capazes de gerar suspenso fibras tridimensionais, que são limitados na sua capacidade para controlar com precisão a orientação das fibras em três dimensões vez que a deposição de fibras por meio destes processos são de natureza aleatória. Além disso, essas técnicas são limitadas na sua gama de dimensões para a fabricação de fibras; especificamente, as fibras produzidas por meio de fiação por via húmida e seca variar em diâmetro a partir de dezenas a centenas de microns, enquanto electrospinning produz fibras com diâmetros que variam de dezenas de nanómetros a uma única 13 micron. Para fornecer um controle mais preciso da orientação das fibras no espaço 3-D, o nosso grupo desenvolveu uma auto-assemble ou processo de fabricação &quot;e gravação direta&quot; fibra que ejeta diretamente um material polimérico de um capilar oca e, em seguida, chama a filamentos individuais que fino e solidificam-se em diâmetros de fibras previsíveis através da exploração de superfície orientada por tensão mecânica dos fluidos 14. Nosso sistema de gravação direta inicial para aumentar o nível de controle da posição de fibra e diâmetro consistiu de uma mola sistema de seringa de distribuição custom fabricada ligado à cabeça de uma custom made ​​Ultra-Alta Precisão microfresagem Machine (Figura 1). O UHPMM tinha uma fase com uma resolução de 1,25 nm posicional nas direcções X e Y e 20 nm na direcção Z que foi controlada por meio de programação para criar micron e fios à escala sub-micra e estruturas. Uma limitação deste sistema de gravação directa em particular foi a falta de controlo de fluxo da solução de polímero através da ponta da agulha. Embora o sistema de distribuição de mola gerada com êxito flo constanteW, através da ponta, um grânulo esférico expansão contínua de solução de polímero foi criado na saída da ponta da seringa, a qual variou em tamanho e volume, dependendo das condições ambientais. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> Figura 1. Imagem de Máquina Ultra High Precision microfresagem:. O primeiro sistema de gravação direta empregada na fabricação de estruturas em escala mícron / sub-micron <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> A inconsistência deste grânulo fonte impactado a capacidade do sistema para fabricar repetidamente os fios de um diâmetro prescrito. Embora, as estruturas foram gerados com sucesso utilizando o processo de escrita directa, a melhoria do processo, aumentando o controlo do fluxo da solução de polímero permitiria mais precise, prescrito diâmetros de fibras através da regulação do tamanho do grânulo na ponta da seringa. Assim, este trabalho descreve a implementação de um sistema de distribuição automatizada de 3 eixos com válvula distribuidora acionamento pneumático para controlar com precisão o tamanho caudal de solução de polímero e ponta talão para criar prescrito, micron / sub-micron estruturas suspensas.

<table><tbody><tr><td>ROBOT DR2203N 3 AXES 200MM X 200MM</td><td>Nordson EFD</td><td>7023145</td><td>3-Axis Robot</td></tr><tr><td>CONTROLLER 7100, DISPENSE VALVE</td><td>Nordson EFD</td><td>7015340</td><td>Valve Controller</td></tr><tr><td>MICRODOT VALVE</td><td>Nordson EFD</td><td>7021233</td><td>Microdot Valve</td></tr><tr><td>ROBOT ACC FIXTURE PLATE 200MM</td><td>Nordson EFD</td><td>7028276</td><td>Fixture Platen</td></tr><tr><td>ROBOT ACC DRN / DSRN POINTS SOFTWAR</td><td>Nordson EFD</td><td>7023144</td><td>JR-C Software</td></tr><tr><td>ROBOT MOUNT VALVE UNIVERSAL</td><td>Nordson EFD</td><td>7028273</td><td>Microdot Valve Mount</td></tr><tr><td>15 PSI BARREL PRESS. REGULATOR</td><td>Nordson EFD</td><td>7020585</td><td>Barrel Regulator</td></tr><tr><td>KIT O BRL/PIST 5CC CL/WH 40</td><td>Nordson EFD</td><td>7012096</td><td>5CC Barrels with Pistons</td></tr><tr><td>ADAPTER ASM O 5CC BL</td><td>Nordson EFD</td><td>7012054</td><td>Pneumatic Barrel Adapter</td></tr><tr><td>TIP 30GA .006X.25 LAVNDR 50PC</td><td>Nordson EFD</td><td>7018424</td><td>30 gauge Needle Tip (0.250&quot; length)</td></tr><tr><td>Electric Baseboard Heater (500&amp;nbsp;W, 30&quot; length)</td><td>Cadet</td><td>2F500</td><td>Heater</td></tr><tr><td>Temperature Controller with Timer</td><td>Control Company</td><td>130726596</td><td>Temperature Controller</td></tr><tr><td>eScope USB Microscope</td><td>OiTez</td><td>DP-M02</td><td>200X USB Microscope</td></tr><tr><td>Poly(methyl methacrylate)</td><td>Aldrich</td><td>182265-500G</td><td>PMMA Powder</td></tr><tr><td>Chlorobenzene</td><td>Sigma Aldrich</td><td>284513</td><td>Solvent to dissolve PMMA</td></tr></tbody></table>

prescribed 3-d direct writing of suspended micron/sub-micron scale fiber structures via a robotic dispensing system

A 3-axis dispensing system is utilized to control the initiating and terminating fiber positions and trajectory via the dispensing software. The polymer fiber length and orientation is defined by the spatial positioning of the dispensing system 3-axis stages. The fiber diameter is defined by the prescribed dispense time of the dispensing system valve, the feed rate (the speed at which the stage traverses from an initiating to a terminating position), the gauge diameter of the dispensing tip, the viscosity and surface tension of the polymer solution, and the programmed drawing length. The stage feed rate affects the polymer solution&#8217;s evaporation rate and capillary breakup of the filaments. The dispensing system consists of a pneumatic valve controller, a droplet-dispensing valve and a dispensing tip. Characterization of the direct write process to determine the optimum combination of factors leads to repeatedly acquiring the desired range of fiber diameters. The advantage of this robotic dispensing system is the ease of obtaining a precise range of micron/sub-micron fibers onto a desired, programmed location via automated process control. Here, the discussed self-assembled micron/sub-micron scale 3D structures have been employed to fabricate suspended structures to create micron/sub-micron fluidic devices and bioengineered scaffolds.

Imagens das estruturas reais produzidas através do robô 3-eixo e método de gravação directa para cada um dos respectivos desenhos e algoritmos JR C-ponto definido nas Figuras 3-5 e B acima estão apresentados nas Figuras 6A, 7A e 8A. Como pode ser visto nas imagens resultantes, fibras tridimensionais, livremente suspensas foram com sucesso &quot;escrita&quot; sobre os substratos através da manipulação precisamente a ponta do aplicador de localizações espaciais prescritos, incluindo a iniciação / terminação pontos, bem como pontos de intersecção. As inserções dessas figuras ampliar os pontos de intersecção de fibras em suspensão, o que demonstra a capacidade do sistema para controlar com precisão orientação das fibras (Figuras 6B, 7B e 8B) no espaço 3-D. <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> Figura 6. (A) Op<html> imagem tical de fabricado &quot;quad&quot; estrutura web suspenso com 2 fibras de apoio (diagonais) e 12 bifurcados fibras PMMA ramificados; (B) Imagem SEM de uma única fibra bifurcada (ampliação 289x (15x óptico ampliação escala bar = 1 mm),; escala bar = 100 mm). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> Figura 7. (A) de imagem óptica de estrutura fabricado web suspensa &quot;simétrico&quot; com 1 fibra de apoio (horizontal) e 11 fibras PMMA ramificada bifurcados (15X óptico ampliação; escala bar = 1 mm), (B) imagem SEM de um único bifurcada fibra (107X ampliação; barra de escala = 100 mm).&quot;Target =&quot; _ blank 52834fig7large.jpg &quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> Figura 8. (A) de imagem óptica do fabricado &quot;duplo chevron&quot; suspenso estrutura web com 1 fibra de apoio (horizontal) e 22 fibras PMMA ramificada bifurcados (15X óptico ampliação; escala bar = 1 mm), (B) imagem SEM de um único fibra bifurcada. (80X de ampliação; barra de escala = 100 mm) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> Figura 9 mostra close-up vista da ordem sequencial ponto-a-ponto de fabricação de fibra em que o robô de 3 eixos e sistema de distribuição pode gerar as estruturas web-like suspensos livremente. O p<html> pontos de contacto olymer exibidos com números correspondem ao dar início programado ou destino no software JR-C referenciado na Figura 3B acima. As setas representam robô trajectória. A Figura 10 exibe micron e submicron fibras de polímero, o que demonstra a capacidade do sistema de gravação directa para o fabrico de fios de diferentes tamanhos. <img alt="Figura 9" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> Figura 9. imagem SEM ilustrando a ordem de fabricação ponto-a-ponto sequencial para desenhar as fibras mícron e submícron de polímero (de ampliação 29X; barra de escala = 200 m). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 2834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; Figura 10. SEM imagem de micron (6,5 mm) e fibras extraídas usando uma solução de polímero PMMA concentração de 20% sub-micron (555 nm). (2,270X ampliação; barra de escala = 2 mm) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior este valor.</a> Polímero diâmetro e comprimento da fibra foram medidas utilizando a microscopia electrónica de varrimento. A Tabela 1 mostra o diâmetro médio de fio para cada estrutura única apresentada nas Figuras 6-8 acima correspondente às fibras de ramificação bifurcadas e as fibras de suporte. A Tabela 2 mostra os parâmetros de polímero que foram medidos a partir das soluções de 24% de PMMA que foram utilizados para fabricar as estruturas mencionadas acima. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> Estrutura diâmetro na Figura 6</td><td> Estrutura diâmetro na Figura 7 </td><td> Estrutura diâmetro na Figura 8 </td></tr><tr><td> Fibras de apoio </td><td> 8,65 ± 1,43 mm </td><td> 9,39 ± 1,23 ^ M </td><td> 9,31 ± 1,65 ^ M </td></tr><tr><td> Fibras filial </td><td> 20,96 ± 3,35 mm </td><td> 15,92 ± 1,44 mm </td><td> 12,24 ± 5,42 mm </td></tr></tbody></table> Tabela 1. Os diâmetros médios das fibras de suporte e suspensão ramo mostrados nas Figuras 6-8 para uma solução 24% de PMMA. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> 24% de PMMA </td></tr><tr><td> Viscosidade (Pa * s) </td><td> 35.19 </td></tr><tr><td> Tensão Superficial (mN / m) </td><td> 262,01 </td></tr><tr><td&gt; coeficiente de transferência de massa (m / seg) </td><td> 8,59 x 10 -8 </td></tr></tbody></table> Tabela 2. Os parâmetros de polímero das soluções de 24% de PMMA que foram utilizados para fabricar as estruturas de fibras apresentados neste trabalho.

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Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System

Aqui, apresentamos um protocolo para fabricar livremente suspensos, fibras micron / sub-micron escala de polímeros e estruturas &quot;web-like&quot; gerados via procedimento automatizado escrita direta por meio de um sistema de distribuição de 3 eixos.

Prescrito 3-D Direto Escrita de Suspenso Micron / Sub-micron estruturas de fibras Escala através de um sistema distribuidor Robotic

A 3-axis dispensing system is utilized to control the initiating and terminating fiber positions and trajectory via the dispensing software. The polymer ...

prescribed-3-d-direct-writing-suspended-micronsub-micron-scale-fiber

Research

JoVE Journal

Engineering

8.0K visualizações.  University of Louisville.  Aqui, apresentamos um protocolo para fabricar livremente suspensos, fibras micron / sub-micron escala de polímeros e estruturas "web-like" gerados via procedimento automatizado escrita direta por meio de um sistema de distribuição de 3 eixos. 

Vídeo: Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System

Fabrication, Densification, and Replica Molding of 3D Carbon Nanotube Microstructures

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip devices, and their applications. In particular, capabilities for cost-effective fabrication of polymer microstructures were transformed by the advent of soft lithography and other micromolding techniques 1, 2, and this led a revolution in applications of microfabrication to biomedical engineering and biology. Nevertheless, it remains challenging to fabricate microstructures with well-defined nanoscale surface textures, and to fabricate arbitrary 3D shapes at the micro-scale. Robustness of master molds and maintenance of shape integrity is especially important to achieve high fidelity replication of complex structures and preserving their nanoscale surface texture. The combination of hierarchical textures, and heterogeneous shapes, is a profound challenge to existing microfabrication methods that largely rely upon top-down etching using fixed mask templates. On the other hand, the bottom-up synthesis of nanostructures such as nanotubes and nanowires can offer new capabilities to microfabrication, in particular by taking advantage of the collective self-organization of nanostructures, and local control of their growth behavior with respect to microfabricated patterns. 
Our goal is to introduce vertically aligned carbon nanotubes (CNTs), which we refer to as CNT "forests", as a new microfabrication material. We present details of a suite of related methods recently developed by our group: fabrication of CNT forest microstructures by thermal CVD from lithographically patterned catalyst thin films; self-directed elastocapillary densification of CNT microstructures; and replica molding of polymer microstructures using CNT composite master molds. In particular, our work shows that self-directed capillary densification ("capillary forming"), which is performed by condensation of a solvent onto the substrate with CNT microstructures, significantly increases the packing density of CNTs. This process enables directed transformation of vertical CNT microstructures into straight, inclined, and twisted shapes, which have robust mechanical properties exceeding those of typical microfabrication polymers. This in turn enables formation of nanocomposite CNT master molds by capillary-driven infiltration of polymers. The replica structures exhibit the anisotropic nanoscale texture of the aligned CNTs, and can have walls with sub-micron thickness and aspect ratios exceeding 50:1. Integration of CNT microstructures in fabrication offers further opportunity to exploit the electrical and thermal properties of CNTs, and diverse capabilities for chemical and biochemical functionalization 3.

We present methods for fabrication of patterned microstructures of vertically aligned carbon nanotubes (CNTs), and their use as master molds for production of polymer microstructures with organized nanoscale surface texture. The CNT forests are densified by condensation of solvent onto the substrate, which significantly increases their packing density and enables self-directed formation of 3D shapes.

Fabricação, Densificação e Replica Moldagem de Microestruturas de Nanotubos de Carbono 3D

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip ...

Engenharia

A Method to Fabricate Disconnected Silver Nanostructures in 3D

The standard nanofabrication toolkit includes techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating metal patterns on a submicron scale requires a combination of nanofabrication tools and several material processing steps. For example, steps to create planar metal structures using ultraviolet photolithography and electron-beam lithography can include sample exposure, sample development, metal deposition, and metal liftoff. To create 3D metal structures, the sequence is repeated multiple times. The complexity and difficulty of stacking and aligning multiple layers limits practical implementations of 3D metal structuring using standard nanofabrication tools. Femtosecond-laser direct-writing has emerged as a pre-eminent technique for 3D nanofabrication.1,2 Femtosecond lasers are frequently used to create 3D patterns in polymers and glasses.3-7 However, 3D metal direct-writing remains a challenge. Here, we describe a method to fabricate silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm. The method enables the fabrication of patterns not feasible using other techniques, such as 3D arrays of disconnected silver voxels.8 Disconnected 3D metal patterns are useful for metamaterials where unit cells are not in contact with each other,9 such as coupled metal dot10,11or coupled metal rod12,13 resonators. Potential applications include negative index metamaterials, invisibility cloaks, and perfect lenses.
In femtosecond-laser direct-writing, the laser wavelength is chosen such that photons are not linearly absorbed in the target medium. When the laser pulse duration is compressed to the femtosecond time scale and the radiation is tightly focused inside the target, the extremely high intensity induces nonlinear absorption. Multiple photons are absorbed simultaneously to cause electronic transitions that lead to material modification within the focused region. Using this approach, one can form structures in the bulk of a material rather than on its surface.
Most work on 3D direct metal writing has focused on creating self-supported metal structures.14-16 The method described here yields sub-micrometer silver structures that do not need to be self-supported because they are embedded inside a matrix. A doped polymer matrix is prepared using a mixture of silver nitrate (AgNO3), polyvinylpyrrolidone (PVP) and water (H2O). Samples are then patterned by irradiation with an 11-MHz femtosecond laser producing 50-fs pulses. During irradiation, photoreduction of silver ions is induced through nonlinear absorption, creating an aggregate of silver nanoparticles in the focal region. Using this approach we create silver patterns embedded in a doped PVP matrix. Adding 3D translation of the sample extends the patterning to three dimensions.

Femtosecond-laser direct-writing is frequently used to create three-dimensional (3D) patterns in polymers and glasses. However, patterning metals in 3D remains a challenge. We describe a method for fabricating silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm.

Um método para fabricar nanoestruturas de prata desconectados em 3D

The standard nanofabrication toolkit includes  techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating  metal patterns on a ...

Process of Making Three-dimensional Microstructures using Vaporization of a Sacrificial Component

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material fabrication techniques are able to mimic the complexity of these structures while maintaining scalability. The Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) process is able to do so. This process uses sacrificial fibers as a template to form hollow, cylindrical microchannels embedded within a matrix. Tin (II) oxalate (SnOx) is embedded within poly(lactic) acid (PLA) fibers which facilitates the use of this process. The SnOx catalyzes the depolymerization of the PLA fibers at lower temperatures. The lactic acid monomers are gaseous at these temperatures and can be removed from the embedded matrix at temperatures that do not damage the matrix. Here we show a method for aligning these fibers using micromachined plates and a tensioning device to create complex patterns of three-dimensionally arrayed microchannels. The process allows the exploration of virtually any arrangement of fiber topologies and structures.

The Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) process is used to fabricate microvascular structures. This procedure uses sacrificial poly(lactic) acid fibers to form hollow microchannels with precise 3D geometric positioning provided by laser micromachined guide plates.

Processo de fabricação de microestruturas tridimensionais usando vaporização de um componente sacrificial

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material ...

Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

Printed electronics rely on low-cost, large-area fabrication routes to create flexible or multidimensional electronic, optoelectronic, and biomedical devices1-3. In this paper, we focus on one- (1D), two- (2D), and three-dimensional (3D) printing of conductive metallic inks in the form of flexible, stretchable, and spanning microelectrodes.
Direct-write assembly4,5 is a 1-to-3D printing technique that enables the fabrication of features ranging from simple lines to complex structures by the deposition of concentrated inks through fine nozzles (~0.1 - 250 &mu;m). This printing method consists of a computer-controlled 3-axis translation stage, an ink reservoir and nozzle, and 10x telescopic lens for visualization. Unlike inkjet printing, a droplet-based process, direct-write assembly involves the extrusion of ink filaments either in- or out-of-plane. The printed filaments typically conform to the nozzle size. Hence, microscale features (&lt; 1 &mu;m) can be patterned and assembled into larger arrays and multidimensional architectures.
In this paper, we first synthesize a highly concentrated silver nanoparticle ink for planar and 3D printing via direct-write assembly. Next, a standard protocol for printing microelectrodes in multidimensional motifs is demonstrated. Finally, applications of printed microelectrodes for electrically small antennas, solar cells, and light-emitting diodes are highlighted.

Planar and three-dimensional printing of conductive metallic inks is described. Our approach provides new avenues for fabricating printed electronic, optoelectronic, and biomedical devices in unusual layouts at the microscale.

Impressão de planar e tridimensional de tintas condutoras

Printed electronics rely on low-cost, large-area fabrication routes to create flexible or multidimensional electronic, optoelectronic, and biomedical ...

Bioengenharia

Manufacturing of Three-dimensionally Microstructured Nanocomposites through Microfluidic Infiltration

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite in&#64257;ltration of 3D interconnected microfluidic networks. The manufacturing of the reinforced beams begins with the fabrication of microfluidic networks, which involves layer-by-layer deposition of fugitive ink filaments using a dispensing robot, filling the empty space between filaments using a low viscosity resin, curing the resin and finally removing the ink.&#160;Self-supported 3D structures with other geometries and many layers (e.g.&#160;a few hundreds layers) could be built using this method. The resulting tubular micro&#64258;uidic networks are then infiltrated with thermosetting nanocomposite suspensions containing nanofillers (e.g.&#160;single-walled carbon nanotubes), and subsequently cured. The infiltration is done by applying a pressure gradient between two ends of the empty network (either by applying a vacuum or vacuum-assisted microinjection). Prior to the infiltration, the nanocomposite suspensions are prepared by dispersing nanofillers into polymer matrices using ultrasonication and three-roll mixing methods. The nanocomposites (i.e.&#160;materials infiltrated) are then solidified under UV exposure/heat cure, resulting in a 3D-reinforced composite structure. The technique presented here enables the design of functional nanocomposite macroscopic products for microengineering applications such as actuators and sensors.

Three-dimensional (3D) microstructured composite beams are fabricated through the directed and localized infiltration of nanocomposites into 3D porous microfluidic networks. The flexibility of this manufacturing method enables the utilization of different thermosetting materials and nanofillers in order to achieve a variety of functional 3D reinforced nanocomposite macroscopic products.

Fabricação de tridimensionalmente microestruturadas nanocompósitos através Microfluidic Infiltração

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite ...

Química

Laser-induced Forward Transfer of Ag Nanopaste

Over the past decade, there has been much development of non-lithographic methods1-3 for printing metallic inks or other functional materials. Many of these processes such as inkjet3 and laser-induced forward transfer (LIFT)4 have become increasingly popular as interest in printable electronics and maskless patterning has grown. These additive manufacturing processes are inexpensive, environmentally friendly, and well suited for rapid prototyping, when compared to more traditional semiconductor processing techniques. While most direct-write processes are confined to two-dimensional structures and cannot handle materials with high viscosity (particularly inkjet), LIFT can transcend both constraints if performed properly. Congruent transfer of three dimensional pixels (called voxels), also referred to as laser decal transfer (LDT)5-9, has recently been demonstrated with the LIFT technique using highly viscous Ag nanopastes to fabricate freestanding interconnects, complex voxel shapes, and high-aspect-ratio structures. In this paper, we demonstrate a simple yet versatile process for fabricating a variety of micro- and macroscale Ag structures. Structures include simple shapes for patterning electrical contacts, bridging and cantilever structures, high-aspect-ratio structures, and single-shot, large area transfers using a commercial digital micromirror device (DMD) chip.

We demonstrate the use of the Laser-induced forward transfer technique (LIFT) for the printing of high-viscosity Ag paste. This technique offers a simple, low temperature, robust process for non-lithographically printing microscale 2D and 3D structures.

Transferência Atacante induzida por laser de Ag Nanopasta

Over the past decade, there has been much development of non-lithographic methods1-3 for printing metallic inks or other functional materials. Many of ...

Microfluidic Fabrication of Polymeric and Biohybrid Fibers with Predesigned Size and Shape

A &#8220;sheath&#8221; fluid passing through a microfluidic channel at low Reynolds number can be directed around another &#8220;core&#8221; stream and used to dictate the shape as well as the diameter of a core stream.&#160;Grooves in the top and bottom of a microfluidic channel were designed to direct the sheath fluid and shape the core fluid.&#160;By matching the viscosity and hydrophilicity of the sheath and core fluids, the interfacial effects are minimized and complex fluid shapes can be formed.&#160;Controlling the relative flow rates of the sheath and core fluids determines the cross-sectional area of the core fluid.&#160;Fibers have been produced with sizes ranging from 300 nm to ~1 mm, and fiber cross-sections can be round, flat, square, or complex as in the case with double anchor fibers. Polymerization of the core fluid downstream from the shaping region solidifies the fibers.&#160;Photoinitiated click chemistries are well suited for rapid polymerization of the core fluid by irradiation with ultraviolet light.&#160;Fibers with a wide variety of shapes have been produced from a list of polymers including liquid crystals, poly(methylmethacrylate), thiol-ene and thiol-yne resins, polyethylene glycol, and hydrogel derivatives. Minimal shear during the shaping process and mild polymerization conditions also makes the fabrication process well suited for encapsulation of cells and other biological components.

Two adjacent fluids passing through a grooved microfluidic channel can be directed to form a sheath around a prepolymer core; thereby&#160;determining both shape and cross-section. Photoinitiated polymerization, such as thiol click chemistry, is well suited for rapidly solidifying the core fluid into a microfiber with predetermined size and shape.

Fabricação microfluida de fibras poliméricas e biohibridas com tamanho e forma predesigned

A &#8220;sheath&#8221; fluid passing through a microfluidic channel at low Reynolds number can be directed around another &#8220;core&#8221; stream and ...

Microfluidic Dry-spinning and Characterization of Regenerated Silk Fibroin Fibers

The protocol demonstrates a method for mimicking the spinning process of silkworm. In the native spinning process, the contracting spinning duct enables the silk proteins to be compact and ordered by shearing and elongation forces. Here, a biomimetic microfluidic channel was designed to mimic the specific geometry of the spinning duct of the silkworm. Regenerated silk fibroin (RSF) spinning doped with high concentration, was extruded through the microchannel to dry-spin fibers at ambient temperature and pressure. In the post-treated process, the as-spun fibers were drawn and stored in ethanol aqueous solution. Synchrotron radiation wide-angle X-ray diffraction (SR-WAXD) technology was used to investigate the microstructure of single RSF fibers, which were fixed to a sample holder with the RSF fiber axis normal to the microbeam of the X-ray. The crystallinity, crystallite size, and crystalline orientation of the fiber were calculated from the WAXD data. The diffraction arcs near the equator of the two-dimensional WAXD pattern indicate that the post-treated RSF fiber has a high orientation degree.

A protocol for the microfluidic spinning and microstructure characterization of regenerated silk fibroin monofilament is presented.

Microfluidic seco-fiação e caracterização de fibras regeneradas da fibroína de seda

The protocol demonstrates a method for mimicking the spinning process of silkworm. In the native spinning process, the contracting spinning duct enables ...

Automated Robotic Dispensing Technique for Surface Guidance and Bioprinting of Cells

This manuscript describes the introduction of cell guidance features followed by the direct delivery of cells to these features in a hydrogel bioink using an automated robotic dispensing system. The particular bioink was selected as it allows cells to sediment towards and sense the features. The dispensing system bioprints viable cells in hydrogel bioinks using a backpressure assisted print head. However, by replacing the print head with a sharpened stylus or scalpel, the dispensing system can also be employed to create topographical cues through surface etching. The stylus movement can be programmed in steps of 10 &#181;m in the X, Y and Z directions. The patterned grooves were able to orientate mesenchymal stem cells, influencing them to adopt an elongated morphology in alignment with the grooves&#39; direction. The patterning could be designed using plotting software in straight lines, concentric circles, and sinusoidal waves. In a subsequent procedure, fibroblasts and mesenchymal stem cells were suspended in a 2% gelatin bioink, for bioprinting in a backpressure driven extrusion printhead. The cell bearing bioink was then printed using the same programmed coordinates used for the etching. The bioprinted cells were able to sense and react to the etched features as demonstrated by their elongated orientation along the direction of the etched grooves.

This protocol describes a bioprinting methodology using an automated robotic depositing system that incorporates etched topographical guidance cues with the precision deposition of a cell bearing hydrogel bioink. The printed cells are directly delivered to the etched features and are able to sense and orientate with them.

Técnica Automated Robotic dispensação de Orientação da superfície e bioprinting de Células

This manuscript describes the introduction of cell guidance features followed by the direct delivery of cells to these features in a hydrogel bioink using ...

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(&#949;-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology with great potential for biomedical applications. The technique facilitates the direct deposition of biocompatible polymer fibers to fabricate well-ordered scaffolds in the sub-micron to micro scale range. The establishment of a stable, viscoelastic, polymer jet between a spinneret and a collector is achieved using an applied voltage and can be direct-written. A significant benefit of a typical porous scaffold is a high surface-to-volume ratio which provides increased effective adhesion sites for cell attachment and growth. Controlling the printing process by fine-tuning the system parameters enables high reproducibility in the quality of the printed scaffolds. It also provides a flexible manufacturing platform for users to tailor the morphological structures of the scaffolds to their specific requirements. For this purpose, we present a protocol to obtain different fiber diameters using melt electrospinning writing (MEW) with a guided amendment of the parameters, including flow rate, voltage and collection speed. Furthermore, we demonstrate how to optimize the jet, discuss often experienced technical challenges, explain troubleshooting techniques and showcase a wide range of printable scaffold architectures.

This protocol serves as a comprehensive guideline to fabricate scaffolds via electrospinning with polymer melts in a direct writing mode. We systematically outline the process and define the appropriate parameter settings for achieving targeted scaffold architectures.

Derreter a eletrofiação escrita de andaimes Poly(ε-caprolactone) tridimensional com morfologias controláveis para aplicações de engenharia de tecidos

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology ...