Трехслойные структуры, состоящие из ориентированных волокон, можно найти по всему телу человека. Применяя этот метод, не только создаются листочки сердечного клапана, имитирующие естественные условия, но и множество других тканей. Это первый раз, когда 3D-печатные коллекторы из проводящего материала были использованы в электроспиннинге, что делает этот процесс очень гибким и экономически эффективным.
Для начала начните 3D-печать, загрузив STL-файл образца A и образец B в программное обеспечение для нарезки. Поверните модели так, чтобы треугольные поверхности были размещены на пластине сборки. Пометьте все детали, щелкните правой кнопкой мыши и выберите умножить выбранные модели.
Введите одно из них в запрашиваемом количестве копий и нажмите кнопку ОК. Установите толщину среза на 0,1 миллиметра, толщину стенки на один миллиметр, плотность заполнения на 40% и снимите флажок генерировать опорный блок. Нажмите кнопку фрагмента и выберите Сохранить в съемный, чтобы сохранить файл печати на USB-накопителе. Сохраните настройки и замените файлы STL на коллекторный фланец и шаблон листовки в программном обеспечении для нарезки.
Используйте инструмент копирования для создания одной копии фланца и восьми копий шаблона перед началом печати. После завершения печати извлеките модели из сборочной пластины. Удалите отдельные волокна нити на дне листка-негатива осторожно с помощью проволочного резака, если они присутствуют в моделях листовок.
Чтобы приготовить вращающийся раствор, поместите весы под вытяжной капот. Поместите на него стеклянную бутылку с винтовой крышкой 200 миллилитров и нанесите на нее краску. Налейте в стеклянный флакон 50 миллилитров диметилформамида и 50 миллилитров тетрагидрофурана.
Обратите внимание на вес растворителей. Поместите магнитный стержень внутрь бутылки. Поместите флакон на магнитный перемешивание и включите его.
Медленно передавайте соответствующее количество полиуретана в стеклянную бутылку, содержащую смесь растворителей, при перемешивании при комнатной температуре для получения однородного раствора. После этого закройте крышку. Соберите 3D-печатные детали вместе с металлическими стержнями, чтобы создать коллектор и убедиться, что все шаблоны ориентированы правильно.
Поместите собранный коллектор в электрошпиннинговую установку и плотно прикрепите фланцы к оси двигателя. С помощью крокодилового зажима подключите кабель, подключенный к катоду, к игле 14 калибра и проверьте соединение между зажимом и иглой. Подключите коллектор к аноду с помощью крокодилового зажима и второго высоковольтного кабеля.
Используйте скользящее кольцо или зачищенный кабель для создания контакта на фланце коллектора. Приготовьте шприц Luer Lock, заполнив его 20 миллилитрами прядильного раствора. Подключите шприц к стойкой к растворителям трубке и вручную протолкните раствор в систему трубки, пока на кончике иглы не появится капля.
Поместите шприц в шприцевой насос. После включения насоса установите диаметр в 19,129 миллиметра, объем в пять миллилитров и скорость в три миллилитра в час. Чтобы проверить запуск двигателя, подключитесь к элементу управления двигателем, нажав кнопку подключения.
После подключения выберите режим работы скорости профиля и нажмите на вкладку операции, расположенную в левом верхнем углу экрана. Выберите вкладку скорости профиля под кнопкой быстрой остановки, обрамленной красной линией. Затем устанавливают целевую скорость 200 об/мин, ускорение профиля 100, замедление профиля 200 и быструю остановку 5 000.
Запустите тестовый запуск и проверьте коллектор на наличие дисбаланса. Остановите двигатель, нажав кнопку включения переключателя и измените целевую скорость до 2000 об/мин. Чтобы изготовить слой в программном обеспечении управления двигателем, нажмите кнопку включения управления, чтобы включить двигатель.
Включите высоковольтный источник питания и отрегулируйте напряжение как для анода, так и для катода с минусовым полюсом в 18 киловольт и плюс-полюсом в 1,5 киловольта. Запустите шприцевой насос со скоростью потока три миллилитра в час. Наблюдайте за кончиком иглы для образования конуса Тейлора и в зависимости от формы конуса на кончике иглы регулируйте напряжение на катоде с шагом 100 вольт до тех пор, пока не будет установлен стабильный конус Тейлора.
Остановите процесс прядения, выключив блок питания, шприцевой насос и двигатель. Затем измените целевую скорость до 10 оборотов в минуту в программном обеспечении управления двигателем и повторите производственный процесс слоя, как описано ранее, в течение еще 20 минут. После того, как второй слой был добавлен, аккуратно откройте винты, соединяющие фланцы коллектора с осью двигателя, и извлеките коллектор листовки из электрошпиннингового устройства.
С помощью скальпеля вырежьте электропрядные волокна по внешнему контуру каждого шаблона листовки. Снимите фланец с одной стороны коллектора. Затем вытащите 3D-печатные вставки и отделите шаблоны листовок от непроводящих треугольных держателей.
Поверните все шаблоны листовок на 90 градусов и соберите коллектор заново. Вставьте коллектор в электроспиннинговую установку и плотно закрепите его. Опять же, измените целевую скорость обратно на 2000 об/мин в программном обеспечении управления двигателем и запустите производственный процесс слоя, как описано ранее, в течение 20 минут, чтобы добавить третий слой волокон.
После извлечения коллектора из электроспиннингового устройства высушите образцы в нагревательном шкафу при 40 градусах Цельсия. После того, как образцы полностью высушены, используйте скальпель, чтобы аккуратно разрезать по краям шаблона листочка, чтобы удалить излишки волокон. После этого тщательно очистите каркас шаблона и поместите его на лоток для дальнейшего использования.
Трехслойный каркас-листок имитирует коллагеновую конфигурацию родного сердечного клапана человека, и каждый слой состоит из волокон диаметром около 4,1 микрометра. Сканирующая электронная микроскопия показала выровненные волокна с гладкой поверхностью и строгой ориентацией в окружном направлении, в то время как невыровненные волокна показали неупорядоченную ориентацию и многие заметные пересечения между волокнами. Флуоресцентная визуализация показала, что нижний слой состоит из выровненных волокон в горизонтальной ориентации с очень небольшим пересечением между волокнами.
Средний слой показывает невыровненные волокна без ориентации первичного волокна, в то время как верхний слой показывает выровненные волокна в перпендикулярной ориентации. Измерение толщины показывает линейное увеличение толщины примерно на 2,65 микрометра в минуту. Через 60 минут наблюдалось увеличение толщины примерно на 2,52 микрометра в минуту.
Испытания на растяжение для выровненных волоконных каркасов имеют прочность приблизительно 12 и 3 ньютона на миллиметровый квадрат вдоль окружности и перпендикулярной ориентации. Однако невыровненные волоконные каркасы не показывают различий в прочности на растяжение для разных ориентаций. Выровненные волоконные каркасы показали растяжимость примерно на 187 и 107% в окружном и перпендикулярном направлении, в то время как невыровненные волокна показали равномерную расширяемость в обоих направлениях.
Кривые деформации напряжения показали, что невыровненные волоконные маты демонстрируют линейное упругое поведение, в то время как выровненные волокна показали нелинейность в осевом направлении. Созданные листовки могут быть использованы для биологической и биомеханической оценки. Когда три из них собраны для создания функционального аортального клапана, может быть выполнен широкий спектр экспериментов in vitro.
Протокол позволит коллегам-исследователям не только изготавливать многослойные волоконные каркасы, но и ориентировать волокна. Поэтому они смогут имитировать множество различных типов тканей.
