EP3882385B1 - Automatisierte herstellung von dreidimensionalen zellmatrizen mit nanofasern mit kontrollierter ausrichtung und gleichmässiger zellverteilung - Google Patents

Automatisierte herstellung von dreidimensionalen zellmatrizen mit nanofasern mit kontrollierter ausrichtung und gleichmässiger zellverteilung Download PDF

Info

Publication number
EP3882385B1
EP3882385B1 EP21160776.7A EP21160776A EP3882385B1 EP 3882385 B1 EP3882385 B1 EP 3882385B1 EP 21160776 A EP21160776 A EP 21160776A EP 3882385 B1 EP3882385 B1 EP 3882385B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nanofibres
deposition table
dimensional
nanofibre
deposition
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP21160776.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3882385C0 (de
EP3882385A1 (de
Inventor
António Manuel GODINHO COMPLETO
Paula Alexandrina DE AGUIAR PEREIRA MARQUES
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universidade de Aveiro
Original Assignee
Universidade de Aveiro
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universidade de Aveiro filed Critical Universidade de Aveiro
Publication of EP3882385A1 publication Critical patent/EP3882385A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3882385C0 publication Critical patent/EP3882385C0/de
Publication of EP3882385B1 publication Critical patent/EP3882385B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/70—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
    • D04H1/72—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged
    • D04H1/728—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged by electro-spinning
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D01D5/0061—Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus
    • D01D5/0076—Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus characterised by the collecting device, e.g. drum, wheel, endless belt, plate or grid
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H3/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length
    • D04H3/016—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length characterised by the fineness
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H3/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length
    • D04H3/02—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of yarns or filaments
    • D04H3/04—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of yarns or filaments in rectilinear paths, e.g. crossing at right angles
    • D04H3/045—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of yarns or filaments in rectilinear paths, e.g. crossing at right angles for net manufacturing

Definitions

  • This invention relates to a system and a process for the automated manufacture of three-dimensional cell matrices by electrospinning from nanofibres of controlled alignment and uniform cell distribution throughout their thickness.
  • the present invention has many applications in various areas, in the manufacture of products or structures, on a nanometric scale, which depend on high surface area, such as in biotechnology, in the pharmaceutical and in tissue engineering areas, in particular in regenerative medicine.
  • nanomaterials associated with the different possibilities of morphologies and functionalities reveal a series of possibilities for new fields of application and drive the progress in the processing of these nanostructures.
  • the electrospinning or electrostatic spinning method is very advantageous, since the fibres obtained with this technique have a high surface area, combined with a low production cost and the possibility of being formed from a wide variety of polymers or composites.
  • This technique is based on the application of high voltage (5-50 KV) and low current (0.5-1 ⁇ A) electric fields for the production of very small diameter fibres. In this process, the electrostatic forces control the formation and deposition of these fibres.
  • the key configuration of a generic electrospinning process consists of a syringe, where the molten polymer or polymeric solution is introduced, which is connected to a capillary tube, a diffuser pump, which controls the flow of the polymeric solution to be supplied, so that a drop of solution is always maintained at the tip of the capillary tube, a metal collector, maintained at zero potential (grounded), where the fibres produced will be collected, a high voltage source, responsible for producing a difference in potential between the tip of the capillary tube and the collector.
  • a high voltage source responsible for producing a difference in potential between the tip of the capillary tube and the collector.
  • the balance of electrostatic charges to which the droplet is subjected namely the surface tension force of the solution and the force exerted by the applied electric field, begins to suffer an imbalance and, from a certain critical value of electric field, a jet of polymeric material from the capillary tube is projected and accelerated towards the collector.
  • the jet with the polymeric solution suffers evaporation of a large part of its solvent, thus ensuring that the fibres formed have enough rigidity to support their own weight.
  • the solvent that remains in the solution such as moisture, allows the adhesion of one fibre to another, as they are deposited in layers, forming a non-woven web.
  • the electrospun fibres form a two-dimensional, randomly oriented blanket or fabric due to the instability of the jet path.
  • Oriented fibre networks have the possibility of developing anisotropic properties in materials. These relationships are quite obvious in the field of tissue engineering.
  • Typical examples include the production of polymeric meshes, containing aligned fibres, used as substrates for culture and regeneration of neural cells, due to the inherently anisotropic nature of nerves and their regenerative mechanisms.
  • the scaffold material has a three-dimensional structure of controlled porosity, in order to allow the development of the three-dimensional cell matrix throughout the depth of the matrix.
  • document US20110018174A1 discloses the production of aligned electrospun fibres, with location and orientation control of the fibres, using for this purpose a device that provides a voltage depending on the selected time, whereby that voltage is applied to a collector with multiple electrodes.
  • said document does not disclose a process capable of forming a three-dimensional matrix of aligned fibres in any desired thickness.
  • the limitations related to the current processes of electrospinning the aligned fibres are mainly related to the fact that, as the aligned and electrically charged fibres are deposited one over the other, the increasing electric charge tends to repel the new fibres from being deposited, preventing their correct alignment and limiting their thickness to a few tenths of a millimetre of the matrix of the formed fibres.
  • cell matrices of nanofibres with a high thickness, i.e. in the order of several millimetres, with control of the alignment of the fibres throughout the thickness, with a uniform distribution of cells throughout the volume of the three-dimensional nanofibre matrix, with control of the distance between aligned nanofibres (inplane porosity) in the deposition plane forming two-dimensional nanofibre meshes and control of the degree of compaction (porosity throughout the thickness) between layers of the deposited two-dimensional nanofibre meshes.
  • the porosity of these nanofibre matrices is of utmost relevance in enhancing cell migration and multiplication, as well as the delivery of nutrients to the cells, throughout the volume of the three-dimensional nanofibre matrix.
  • the present invention proposes to solve the problems of the prior art, described above, through the implementation of a system and a process for the automated manufacture of three-dimensional cell matrices, which can present various patterns of fibre alignment, throughout the thickness of the matrix and with a uniform distribution of cells throughout the thickness of the matrix, this thickness being dependent on the number of layers of fibres deposited, the thickness of the fibres and the degree of compaction between layers.
  • the present invention relates to a system and process for the automated manufacture of three-dimensional cell matrices, by electrospinning, from nanofibres with controlled alignment and uniform cell distribution throughout their thickness.
  • the system of the present invention comprises a module (A) for forming nanofibres by electrospinning, a module (B) for collecting the formed nanofibres, a module (C) for deposition of the collected nanofibres, a module (D) for electropulverisation of cells, a vacuum pump and a computational unit according to claim 1.
  • the module (B), nanofibre collector comprises two collecting cylinders, with coaxial axes and perpendicular to the axis of the electrospinning capillary tube, where each cylinder is provided with continuous rotation movement by an electric motor controlled by a computerised unit, in which the electrospun nanofibres are collected on the surfaces and between the surfaces of the collecting cylinders, also comprising this module (B), brushes for removing the nanofibres, which remain on the cylindrical surfaces, and where the module (C), of fibre deposition, comprises a deposition table, able to be moved linearly, in the direction parallel to its surface and in the direction of the axis of the electrospinning capillary tube, and rotationally, around its longitudinal axis, assures that the electrospinning process occurs in a continuous and automatic way, with formation of three-dimensional matrices with uniform distribution of the cells throughout the thickness of the three-dimensional cell matrix and with alignment and distance between nanofibres controlled according to the
  • the present invention relates to a continuous and automated process for forming three-dimensional cell matrices with nanofibres of controlled alignment and uniform cell distribution throughout their thickness, according to claim 3.
  • the process of the present invention allows to obtain, in a totally automatic way and without manual intervention, three-dimensional cell matrices of aligned polymeric fibres, with a uniform cell distribution throughout the thickness of the matrix, which can present several alignment patterns, of the nanofibres that compose them, throughout their thickness, being the thickness of the matrix dependent on the number of fibre layers deposited, the thickness of the fibres and the degree of compaction between layers.
  • This process has the additional advantage of being versatile, simple, and operating in automatic and continuous mode, so it is not necessary to produce a series of layers of nanofibre meshes with a certain alignment, to manually add other layers with different alignments and to avoid the laborious manual process of cell seeding of the three-dimensional matrices of nanofibres previously manufactured, overcoming the limited capacity of this manual process to ensure the uniformity/control of the cells distribution in the three-dimensional matrices of nanofibres throughout the thickness.
  • This invention relates to a system and a process for the automated manufacture of three-dimensional cell matrices, obtaining nanofibres with controlled alignment and uniform cell distribution throughout their thickness, with the possibility of producing various fibre alignment patterns throughout the matrix thickness with controlled thickness and uniform cell distribution throughout the matrix thickness, this thickness being dependent on the number of layers of deposited nanofibre meshes, the thickness of the nanofibres and the degree of compaction between layers.
  • the system of the present invention comprises a module (A) for forming nanofibres by electrospinning, a module (B) for collecting the produced nanofibres, a module (C) for deposition of the collected nanofibres, and a module (D) for electropulverisation of cells.
  • Module (A) comprises a syringe to contain a polymer solution, connected to an injector pump, connected to an electrospinning capillary tube, which is connected to a voltage source, configured to provide positive polarity.
  • Module (A) is aligned perpendicularly with the axes of the two collector cylinders of module (B), the nanofibre collector.
  • Module (B) comprises two collector cylinders, each equipped with a continuous rotation movement, through the action of an electric motor, which is controlled by a computerised unit.
  • the distance between the top faces of the two cylinders is equal to the diameter of the nanofibre deposition table of module (C), and the cylindrical surfaces of the collector cylinders are made of conductive material, and may have negative or neutral polarity.
  • the nanofibre of polymeric material formed by electrospinning from the capillary tube of the module (A), with positive polarity, moves by the action of an electric field towards a collector module (C), and these are collected on the cylindrical surfaces and between the cylindrical surfaces of the collector cylinders, which are in continuous rotation.
  • the collector module (C) has brushes to remove the nanofibres that remain on the cylindrical surfaces at the end of each fibre production cycle, thus ensuring the continuous electrospinning of the nanofibres on and between the rotating cylindrical surfaces of the collector cylinders.
  • the nanofibres electrospun between the cylindrical surfaces of the collector cylinders, in continuous rotation, are deposited on the surface of the deposition table of the deposition module.
  • the table has a substantially circular shape and is positioned between the generatrices of the two collector cylinders, with its surface perpendicular to the electrospinning capillary tube axis.
  • the deposition table has holes extending from its surface to a chamber inside the table, which is connected by a channel to a vacuum pump.
  • the suction force generated by the vacuum, in the holes of the deposition table surface attaches the deposited nanofibres to the table.
  • the linear movement of the deposition table, parallel to its surface, and the rotation movement, around its longitudinal axis, are performed by electric motors controlled by a computerised unit.
  • the nanofibres, continuously deposited and attached to the surface of the deposition table, are aligned in different directions by the rotation movement of the deposition table, and the distance between the deposited nanofibres is controlled by the linear movement of the deposition table.
  • the continuous deposition of nanofibres, by the cylindrical surfaces of the collector cylinders, allows the formation of a two-dimensional nanofibre mesh of controlled organization and distribution on the surface of the deposition table.
  • the control of the distance between the fibres deposited on the deposition table allows controlling the porosity of the mesh in its plane.
  • the controlled movement of the deposition table in the direction and opposite orientation to the electrospinning capillary tube (direction of the matrix thickness) after the formation of the two-dimensional nanofibre mesh on the surface of the deposition table allows the deposition of a new two-dimensional nanofibre mesh over the previous mesh with a new organisation of the nanofibres, the number of nanofibre mesh layers accumulated on the table is defined by the desired thickness of the three-dimensional cell matrix, the thickness of the deposited nanofibres and the magnitude of the vacuum pressure generated on the surface of the deposition table that controls the level of compaction of the nanofibre mesh layers and therefore the porosity of the three-dimensional matrix throughout the thickness.
  • the electropulverisation module of the cells can basically consist of a syringe to contain a solution with cells in suspension, connected to an injector pump, connected to an electropulverisation capillary tube, which is connected to a voltage source.
  • the voltage source is configured to provide positive polarity, being aligned with the ring-shaped collector, with internal diameter equal to the diameter of the deposition table, with negative or neutral polarity.
  • the electropulverisation of the cells starts from the capillary tube with positive polarity, in which the solution with cells moves by the action of an electric field towards the collector ring.
  • the solution with cells is seeded onto the nanofibre meshes deposited on the deposition table, which is in concentric position with the collector ring. In this position, the deposition table starts a rotation movement for a certain period of time, so that the surface of the nanofibre mesh is uniformly distributed with cells.
  • the number of nanofibre mesh layers deposited on the deposition table and the number of times the electropulverisation of the cells occurs is defined by the desired thickness of the three-dimensional cell matrix, as well as by the thickness of the deposited nanofibres, the magnitude of the vacuum pressure generated on the surface of the deposition table that controls the level of compaction of the nanofibre mesh layers and thus the porosity of the three-dimensional matrix throughout the thickness and the desired cell density of the matrix.
  • the successive layers of two-dimensional nanofibre meshes, deposited on the surface of the deposition table, are kept in position on the deposition table by the action of the vacuum generated in the holes of the upper surface of the deposition table which communicate with a chamber in its interior connected to the vacuum pump.
  • Pressure control in the vacuum pump is also intended to control the degree of compaction between the two-dimensional nanofibre mesh layers formed and thus the porosity in the direction perpendicular to the plane of the deposited nanofibre mesh layer.
  • the control of the distance between the electrospinning capillary tube with positive polarity and the collector cylinders, the control of the speed of rotation of the collector cylinders, the control of the linear and rotation movements of the deposition table, the control of the pressure of the vacuum pump, the control of the distance between the electrospinning capillary tube of the cells with positive polarity and the collector ring, the control of the voltage of the capillary tubes, of the cylindrical surfaces of the collector cylinders and the collector ring are performed by a computerised control unit that, depending on the alignment and distance between nanofibres desired for each deposited two-dimensional layer and on the thickness of the matrix desired and the cell density desired, programs the sequence of all the movements, vacuum pressure and polarity of the electrodes required, based on a computer program developed for this purpose.
  • the system of the present invention has the capacity to continuously and automatically produce three-dimensional cell matrices with nanofibres of controlled alignment and uniform cell distribution throughout their thickness.
  • matrices with various alignment patterns and with different distances between nanofibres (porosity), throughout the matrix thickness, and with a uniform distribution of tissue component cells, throughout the matrix thickness, in a controlled manner.
  • the surface of the collection table provided with holes, which are subjected to vacuum pressure, allows the attachment of the fibres to this table, also allowing the control and definition of the degree of compaction (porosity) to be presented between the different layers of deposited two-dimensional nanofibre meshes, as well as the support and deposit of the nanofibres on the deposition table.
  • the separation of the deposited fibres which occurs by the effect of nanofibres stretching on the surface of the collector cylinders, during the continuous movement of these cylinders, and the linear movement of the deposition table in the direction and opposite orientation to the electrospinning capillary tube, contributes advantageously to the deposition of successive layers of two-dimensional fibre meshes, and the linear movement of the deposition table, to the concentric position, with the collector ring of the electropulverisation module of the cells.
  • the solution with cells which is electropulverised over the nanofibre meshes deposited on the deposition table, the rotation movement of the deposition table, in this position, for a certain period of time, ensures the uniform distribution of the cells on the surface of the nanofibre mesh, while the linear movement, returning the deposition table to the fibre collector module, allows a new deposition of another layer or layers of two-dimensional nanofibre meshes.
  • the alternating and controlled movement of the deposition table between the nanofibre deposition position and the cell electropulverisation position allows to automatically manufacture a three-dimensional cell matrix with nanofibres of controlled alignment and uniform cell distribution throughout the thickness, where the number of nanofibre mesh layers deposited on the deposition table and the number of times that the electropulverisation of the cells occurs are defined by the desired thickness of the three-dimensional cell matrix, by the thickness of the deposited nanofibres, by the magnitude of the vacuum pressure generated on the surface of the deposition table that controls the level of compaction of the nanofibre mesh layers and therefore the porosity of the matrix throughout the thickness and by the cell density desired for the matrix.
  • the present invention relates to a system and a process for the automated manufacture of three-dimensional cell matrices.
  • the system of the present invention also comprises a computerised control unit and the electronics necessary for its proper functioning, actuators, namely the actuators of the linear and rotation movement of the deposition table, as well as all the electric wiring for the distribution of energy to the various components of the system, as well as all the devices and accessories necessary to guarantee the sterilisation, humidity and temperature conditions required to ensure the survival of the cells deposited on the nanofibre meshes during the manufacturing time of the three-dimensional cell matrix.
  • system (1) of the present invention comprises:
  • the nanofibre formation module (A) comprises:
  • the nanofibre collector module (B) comprises:
  • the nanofibre deposition module comprises:
  • the cell electropulverisation module (D) comprises:
  • the cylindrical surfaces of the collector cylinders (34, 36)) are made of conductive material, and these can have negative or neutral polarity (33).
  • the electrospun nanofibres (5) are collected on the cylindrical surfaces (34, 36) and between the cylindrical surfaces (34, 36).
  • Module (B) has brushes (32, 35) to remove the nanofibres that remain on the cylindrical surfaces (34,36) maintaining the electrical continuity of these surfaces (34,36) thus ensuring the continued electrospinning of the nanofibres on and between the cylindrical surfaces in rotation (31).
  • the nanofibres deposition module (C) comprises a deposition table (10), of circular shape, positioned between the generatrices of the collector cylinders (6, 30), with a flat surface perpendicular to the axis of the electrospinning capillary tube (4), where the nanofibres, electrified between the collector cylinders (6, 30), are deposited by rotation action (31) of them.
  • the deposition table (10) has a surface with holes (9), extending to a chamber (42), which is located inside the table (10), this chamber (42) being connected by a channel (11) to a vacuum pump (21).
  • the deposited nanofibres (8) are attached to the deposition table (10) by action of the suction force (43), generated by the vacuum in the holes of the surface of the deposition table (10).
  • the deposition table (10) moves linearly parallel to its surface (22) and has a rotation movement (24) around its longitudinal axis, the linear and rotation movements of the table are performed by electric motors (39, 40) controlled by a computerised unit (20), the control of these movements allow defining the two-dimensional organisation of the nanofibre mesh deposited on the deposition table (81, 82, 83, 84).
  • the continuously deposited nanofibres (8) attached to the surface (9) of the deposition table (10) are aligned in different directions by the rotation movement of the deposition table (24).
  • the distance between the deposited nanofibres is controlled by the linear movement of the deposition table (22).
  • the continuous deposition of nanofibres, by the cylindrical collector surfaces (34, 36), allows the formation of a two-dimensional nanofibre mesh (81, 82, 83, 84), of controlled organisation and distribution, over the surface of the deposition table (10).
  • the control of the distance (45, 47, 49, 52) between the nanofibres deposited on the deposition table (10) allows controlling the porosity of the two-dimensional mesh on the plane thereof.
  • the linear movement of the deposition table in the direction and opposite orientation (60) to the electrospinning capillary tube (4) determines the end of an electrospinning cycle.
  • the number of layers (64, 65, 66) of nanofibre meshes deposited onto the table is defined by the desired thickness (67) for each three-dimensional cell matrix (68), the thickness of the deposited nanofibres and the magnitude of the vacuum pressure generated on the surface of the deposition table (10) which controls the level of compaction of the nanofibre mesh layers and hence the porosity of the three-dimensional matrix (68) throughout the thickness (67).
  • the cell electropulverisation module (D) comprises a container (14), for containing and delivering a solution with cells in suspension, typically a syringe, and an injection pump, connected to an electropulverisation capillary tube (13), connected to a voltage source (17), configured to provide positive polarity (16), an adjustable length support (15), a ring-shaped collector (12) with an internal diameter identical to the diameter of the deposition table (10), this ring having negative or neutral polarity (18).
  • the deposition table (10) After deposition of one or more mesh layers (81,82,83,84) of nanofibres over the deposition table (10), it moves linearly (55) towards the cell electropulverisation module (D), until it is centred with the ring-shaped collector (12), which presents negative or neutral polarity (18). In this position, the deposition table (10) starts a rotation movement (57) on its axis and the vacuum system is turned off, initiating the seeding of the cells (56) from the electropulverisation capillary tube (13), with positive polarity (16), on the nanofibre meshes (81,82,83,84), during a certain period of time, thus leaving the surface of the nanofibre mesh with cells (58) uniformly distributed.
  • the deposition table (10) moves (59) again to the fibre collector module, in order to proceed to a new deposition cycle of another layer or layers of two-dimensional nanofibre meshes with controlled orientation and distance between nanofibres.
  • the deposition table (10) is alternately moved (55, 59) between the position of the nanofibre collector module, where the nanofibres are deposited, and the electropulverisation module, where the cells (56) are seeded in a controlled manner by the computerised unit (20), thus obtaining a three-dimensional cell matrix (68) with nanofibres of controlled alignment and uniform cell distribution throughout the thickness (67).
  • the number of nanofibre mesh layers deposited (64,65,66) over the deposition table (10) and the number of times the electropulverisation of the cells (56) occurs over these is defined by the thickness (67) desired for the three-dimensional cell matrix (68), by the thickness of the deposited nanofibres, the magnitude of the vacuum pressure generated at the surface of the deposition table that controls the level of compaction of the nanofibre mesh layers and thus the porosity of the three-dimensional matrix throughout the thickness and the cell density desired for the three-dimensional cell matrix (68).
  • the successive two-dimensional layers of nanofibre meshes, deposited (81,82,83,84) onto the deposition table (10), are held in position by the action of a suction force (43) generated by the vacuum pressure in the holes of the surface (9) of the deposition table (10), which communicate with a chamber (42), in its interior, connected by a channel (11) to the vacuum pump (21).
  • control of the pressure in the vacuum pump (21) is also intended to control the suction forces (43) on the fibres and the degree of compaction between the formed two-dimensional nanofibre mesh layers (81,82,83,84) and, consequently, the porosity in the direction perpendicular to the plane of the deposited fibre layer.
  • the control of the distance between the electropulverisation capillary tube (4) with positive polarity and the generatrix of the collector cylinders (6, 30), the control of the rotation speed (31) of the collector cylinders (6, 30), the control of the linear (22) and rotation movements (24) of the deposition table, control of the pressure of the vacuum pump (21), control of the distance between the electropulverisation capillary tube (13) of the cells with positive polarity and the collector ring (12), control of the voltage on the capillary tubes (38) and the cylindrical surfaces (34, 36) of the collector cylinders (6, 30) and the collector ring (12) is performed by a computerised control unit (20), which, depending on the desired alignment and distance of the nanofibres for each deposited two-dimensional nanofibre mesh layer (81, 82, 83, 84), the desired thickness (67) of the matrix (68) and the desired cell density, programmes the sequence of all the necessary movements, vacuum pressure and polarity of the electrodes on the basis of a computer programme specifically developed for this
  • the process of the present invention is carried out in several steps using the manufacturing system (1), as described in the previous section.
  • the production of three-dimensional cell matrices with nanofibres of controlled alignment and uniform cell distribution throughout the thickness occurs from the alternating linear movement (55, 59) of the deposition table (10) between the position of the nanofibre collector module, where the aligned nanofibres (8) are deposited, and the electropulverisation module, where the cells (56) are seeded onto the two-dimensional nanofibre mesh layers (81, 82, 83, 84).
  • the continuously deposited nanofibres (8) attached to the surface of the deposition table (10) are aligned in different directions by the rotation movement of the deposition table (24), the distance between the deposited nanofibres is controlled by the linear movement (22) of the deposition table (10), the continuous deposition of nanofibres by the cylindrical surfaces (34, 36) of the collector cylinders (6, 30) allows the formation of two-dimensional nanofibre meshes (81,82,83,84) of controlled organization and distribution on the surface (9) of the deposition table (10), the control of the distance (45, 47, 49, 52) between the fibres deposited on the deposition table (10) allows controlling the porosity of the two-dimensional mesh in the plane thereof.
  • the controlled linear movement of the deposition table in the direction and opposite orientation (60) to the electrospinning capillary tube (4) allows the deposition of a new two-dimensional nanofibre mesh over the previous mesh with a new organisation of the nanofibres, being the number of layers (64,65, 66) of nanofibre meshes deposited on the table (10) defined by the desired thickness (67) of the three-dimensional cell matrix (68), the thickness of the deposited nanofibres and the magnitude of the vacuum pressure generated on the surface of the deposition table (9) which controls the level of compaction of the nanofibre mesh layers and thus the porosity of the three-dimensional matrix throughout the thickness (67).
  • the process for manufacturing three-dimensional cell matrices with nanofibres of controlled alignment and uniform cell distribution throughout the thickness of the present invention comprises the following steps:
  • the controlled movement (27) of the deposition table (10) in the direction and opposite orientation (60) to the electrospinning capillary tube (4) after a set of layers of deposited fibre meshes followed by electropulverisation of the cells (56) allows the accumulation of successive layers of two-dimensional nanofibre meshes (81,82,83, 84) with cells (58) and the formation of a three-dimensional cell matrix (68) with nanofibres of controlled alignment and uniform cell distribution with thickness (67) dependent on the number of layers (64,65,66) of deposited fibres, the thickness of the nanofibres and the degree of compaction between layers which is controlled by vacuum pressure and the vacuum pressure attaches the fibres to the table.
  • the obtained matrix thickness varies according to the number of deposited layers of nanofibre meshes, the thickness of these nanofibres and the degree of compaction between layers, the latter controlled by the vacuum pressure exerted on the layers of fibres deposited on the surface of the deposition table.
  • the alignment and distance, between the nanofibres in each layer is controlled by the different rotation and linear movements of the deposition table in each fibre deposition step.
  • the cell density of the three-dimensional nanofibre matrix is defined by the number of deposited nanofibre layers, the thickness of the deposited nanofibres, the magnitude of the vacuum pressure generated at the surface of the deposition table that controls the level of compaction of the nanofibre mesh layers, the number of times the electropulverisation of the cells (56) over the two-dimensional nanofibre mesh occurs and the duration of the cell electropulverisation period on the meshes.
  • Example Production of a three-dimensional cell matrix with nanofibres of controlled alignment and uniform cell distribution throughout the thickness.
  • This example concerns the production of a cell matrix composed of 48 layers of aligned polymeric nanofibre meshes and cells from a chondrocyte cell line for cartilage engineering, with a total thickness of 3 mm.
  • PCL polycaprolactone
  • DCM dichloromethane
  • DMF dimethylformamide
  • the molten polymer was then electrospun using a capillary tube (4) with a flow of 2.5 mL/h, a voltage of 25 kV and a working distance of 15 cm from the cylindrical surfaces (34,36) of the collector cylinders (6,30).
  • the collector cylinders (6,30) have a diameter of 80 mm and are moved with a continuous rotational speed of 10 rpm and the cylindrical surfaces (34,36) were subjected to a negative voltage of -3 kV.
  • the deposition table has a diameter of 6 mm, and the holes on its surface (9) are subjected to a vacuum pressure of 3300 Pa.
  • a vacuum pressure 3300 Pa.
  • different combinations of speeds and duty strokes were programmed in linear movement (22) and rotation movement (24) of the deposition table (10).
  • the 48 layers of the deposited two-dimensional nanofibre meshes resulted from performing 6 consecutive cycles (6 times) of 8 layers of two-dimensional meshes with different alignments (81), (82), (83), (84), (85), (86), (87) and (88) in the following order, with the speed and stroke characteristics of the deposition table (10) for each mesh as follows:
  • chondrocyte cell line C28 / I2 was used and maintained at 37°C in a humidified atmosphere of 5% CO2 in air, in DMEM / F-12 (Sigma - Aldrich) supplemented with 10% (v / v) of FBS (Sigma -Aldrich), 1% (v / v) P / S (Sigma - Aldrich) and 0.25 ⁇ g / mL of amphotericin B.
  • Cells were harvested pre-confluence using a trypsin / EDTA (0.25%; Sigma-Aldrich) solution. 1.00 ⁇ 10 ⁇ 6 chondrocytes were suspended in 154 ⁇ L of culture medium and poured into a 5 mL plastic syringe.
  • the chondrocyte suspension was subjected to electropulverisation with a flow rate of 2 mL / h at +12.5 kV through 27G capillary tube/blind needle (13) (0.4 mm diameter and 1.5 mm length) with a distance between the needle and the ring-shaped collector (12) of 70 mm, the deposition table (10) was positioned concentrically with the collector ring (12). The collector ring was subjected to a voltage of -1 kV. In this position the deposition table (10) started the rotation movement (57) at a speed of 5 rpm for 3s.
  • each four layers of two-dimensional nanofibres mesh deposited on the deposition table (10) it moved 0.0625 mm in the direction and opposite orientation (60) to the electrospinning capillary tube (4), which corresponds to the average thickness of the four layers of deposited two-dimensional nanofibres mesh.
  • the deposition table moved in the opposite orientation of the capillary tube about 3 mm, corresponding to the thickness of the matrix (67) obtained at the end of the 48 deposited layers.
  • the deposition table moves (55) to the position of the cell electropulverisation module, the vacuum on the deposition table is turned off and the cells (58) are seeded on the meshes, then the deposition table (10) moves (59) to the nanofibre collector module for new deposition of four layers of nanofibre meshes (85, 86, 87, 88), the vacuum system is turned on again.
  • This automated and alternated process between the deposition of the nanofibre meshes and the seeding of cells (58) on them was repeated until the final thickness (67) of the aligned nanofibre cell matrix was reached (65).
  • the three-dimensional matrix of aligned fibres obtained in this example exhibits, like native cartilage, a preferential alignment of the fibres in its surface area parallel to the surface, in the intermediate area it does not show any preferential alignment, and in the deeper area the fibres are aligned in a vertical manner relative to the surface.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Nonwoven Fabrics (AREA)
  • Spinning Methods And Devices For Manufacturing Artificial Fibers (AREA)

Claims (14)

  1. Ein automatisiertes Fertigungssystem für dreidimensionale Zellmatrizen mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und gleichmäßiger Zellverteilung über die Dicke, umfassend (a) ein Modul zur Bildung von Nanofasern durch Elektrospinnen, (b) ein Modul zum Sammeln von Nanofasern, (c) ein Modul zum Ablegen der gesammelten Nanofasern, das zweidimensionale Nanofasergewebe (81, 82, 83, 84) bildet, wobei die Ausrichtung und der Abstand zwischen den Nanofasern durch eine Kombination einer linearen (22) und einer rotierenden Bewegung (24) des Ablagetischs (10) gesteuert werden, wobei sich diese Gewebe in aufeinanderfolgenden Schichten ansammeln, die die Dicke (67) der Zellmatrix bilden, wobei die mit Löchern versehene Oberfläche (9) des Ablagetischs (10) durch einen Kanal mit einer Vakuumpumpe (21) verbunden ist, (d) ein Modul für das Elektrosprühen von Zellen, wobei die lineare Bewegung (55) des Ablagetischs (10) von der Position in dem Modul zum Sammeln von Nanofasern zu der Position des Elektrosprühens von Zellen (56) die zuvor auf dem Ablagetische (10) abgelegten Nanofasergewebe mit Zellen besiedelt, indem das Elektrosprühen von Zellen abwechselnd mit dem Ablegen von aufeinanderfolgenden zweidimensionalen Nanofasergeweben erfolgt, wodurch eine gleichmäßige Verteilung von Zellen über die Dicke der dreidimensionalen Zellmatrix erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass:
    a. Das Modul zur Bildung von Nanofasern ein Kapillarrohr zum Elektrospinnen (4) mit positiver Polarität und einer längenverstellbaren Halterung (3) umfasst;
    b. Das Modul zum Sammeln von Nanofasern zwei Kollektorzylinder (6, 30) mit koaxialen und senkrechten Achsen zur Achse des Kapillarrohrs zum Elektrospinnen (4) umfasst, wobei jeder Zylinder eine kontinuierliche Drehbewegung (31) aufweist, die durch einen Elektromotor (7, 29) bereitgestellt wird, der von einer computergesteuerten Einheit (20) gesteuert wird, wobei der Abstand zwischen den Oberseiten der beiden Kollektorzylinder (6, 30) gleich dem Durchmesser des Ablagetischs (10) für die Nanofasern ist, wobei die zylindrischen Oberflächen (34, 36) aus leitfähigem Material mit negativer oder neutraler Polarität (33) bestehen, wobei die elektrogesponnenen Nanofasern (5) auf den zylindrischen Oberflächen (34, 36) und zwischen den zylindrischen Oberflächen (34, 36) gesammelt werden, wobei dieses Modul mit Bürsten (32, 35) ausgestattet ist, um die auf den zylindrischen Oberflächen (34, 36) verbleibenden Nanofasern zu entfernen, wobei der Stromdurchgang der zylindrischen Oberflächen (34, 36) aufrechterhalten wird, wodurch das kontinuierliche Elektrospinnen der Nanofasern auf und zwischen den rotierenden (31) zylindrischen Oberflächen (34, 36) sichergestellt wird;
    c. Das Modul zum Ablegen von Nanofasern einen kreisförmigen Ablagetisch (10) umfasst, der zwischen den Mantellinien der Kollektorzylinder (6, 30) angeordnet ist und eine mit Löchern versehene Oberfläche (9) aufweist, die senkrecht zur Achse des Kapillarrohrs zum Elektrospinnen (4) angeordnet ist und auf der die zwischen den Kollektorzylindern (6, 30) elektrogesponnenen Nanofasern durch die Drehbewegung (31) der Kollektorzylinder abgelegt werden, wobei der Ablagetisch (10) Löcher aufweist, die sich von seiner Oberfläche (9) bis zu einer Kammer (42) erstrecken, die sich im Inneren des Ablagetischs (10) befindet, wobei diese Kammer durch einen Kanal (11) mit einer Vakuumpumpe (21) verbunden ist, wobei sich der Ablagetisch (10) linear (22) parallel zu seiner Oberfläche (9) und in Richtung (27) der Achse des Kapillarrohrs zum Elektrospinnen (4) bewegt, wobei der Ablagetisch (10) eine rotierende Bewegung (24) um seine Längsachse aufweist, wobei die linearen (22, 27) und rotierenden Bewegungen (24) des Ablagetischs (10) über Elektromotoren (39, 40, 41) erzeugt werden, die von einer computergesteuerten Einheit (20) gesteuert werden, wobei die Steuerung dieser Bewegungen die zweidimensionale Anordnung des Nanofasergewebes (81, 82, 83, 84) ermöglicht, was die Kontrolle seiner Ausrichtung auf der Oberfläche des Ablagetischs (10) sowie den Abstand (44, 45, 47, 49, 52) zwischen den abgelegten Nanofasern erlaubt;
    d. Das Modul für das Elektrosprühen von Zellen einen Behälter (14) für die Aufnahme und Zufuhr einer Lösung mit Zellen in Suspension, normalerweise eine Spritze, und eine Einspritzpumpe, die mit einem Kapillarrohr für das Elektrosprühen (13) verbunden ist, das an eine Spannungsquelle (17) angeschlossen ist, die so konfiguriert ist, dass sie eine positive Polarität (16) liefert, eine längenverstellbare Halterung (15), einen ringförmigen Kollektor (12) mit einem Innendurchmesser, der mit dem Durchmesser des Ablagetischs (10) identisch ist, wobei dieser Ring eine negative oder neutrale Polarität (18) aufweist, umfasst, wobei sich der Ablagetisch (10) abwechselnd (55, 59) zwischen der Position des Moduls zum Sammeln von Nanofasern, in dem die Nanofasern abgelegt werden, und dem Modul für das Elektrosprühen, in dem die Schichten aus zweidimensionalen Nanofasergeweben (81, 82, 83, 84) mit den Zellen (56) besiedelt werden, hin- und herbewegt;
    wobei:
    - die zylindrischen Oberflächen (34, 36) mit negativer oder neutraler Polarität (33) die Nanofasern (5) aus dem Kapillarrohr zum Elektrospinnen (4) mit positiver Polarität (38) kontinuierlich durch die Wirkung der Drehbewegung (31) der Kollektorzylinder (6, 30) sammeln;
    - die elektrogesponnenen Nanofasern (5) zwischen den zylindrischen Oberflächen (34, 36) durch die von der computergesteuerten Einheit (20) gesteuerte Drehbewegung (31) der Kollektorzylinder (6, 30) auf der Oberfläche (9) des Ablagetischs (10) abgelegt (8) werden, wobei die Nanofasern durch die Wirkung der durch das Vakuum in den Löchern der Oberfläche (9) des Ablagetischs (10) erzeugten Saugkraft (43) am Ablagetisch (10) fixiert werden, wobei diese an dem Ablagetisch (10) fixierten Nanofasern (8) sich aufgrund der kontinuierlichen Drehbewegung (31) der Kollektorzylinder (6, 30) von ihrem auf den zylindrischen Oberflächen (34, 36) fixiertem Teil durch einen Dehnungseffekt auf ihren Querschnitt trennen;
    - die kontinuierlich abgelegten Nanofasern, die an der Oberfläche (9) des Ablagetischs (10) fixiert sind, durch die rotierende Bewegung (24) des Ablagetischs (10) in verschiedene Richtungen (81, 82, 83, 84) ausgerichtet werden, wobei der Abstand (44, 45, 47, 49, 52) zwischen den abgelegten Nanofasern durch die lineare Bewegung (22) des Ablagetischs (10) gesteuert wird, wobei alle Bewegungen durch eine computergesteuerte Einheit (20) gesteuert werden, wobei das kontinuierliche Ablegen von Nanofasern (8) auf den zylindrischen Kollektorflächen (34, 36) die Bildung zweidimensionaler Nanofasergewebe (81, 82, 83, 84) mit kontrollierter Ordnung und Verteilung auf der Oberfläche (9) des Ablagetischs (10) ermöglicht, wobei die Kontrolle des Abstandes (44, 45, 47, 49, 52) zwischen den auf dem Ablagetisch (10) abgelegten Nanofasern die Kontrolle der Porosität des zweidimensionalen Gewebes in dessen Ebene ermöglicht;
    - die lineare Bewegung (27) des Ablagetischs (10) in Richtung und in entgegengesetzter Ausrichtung (60) zu dem Kapillarrohr zum Elektrospinnen (4) nach der Bildung einer oder mehrerer zweidimensionaler Nanofasergewebe (81, 82, 83, 84) auf der Oberfläche (9) des Ablagetischs (10) das Ablegen neuer zweidimensionaler Nanofasergewebe über den vorherigen Geweben ermöglicht, wobei die Anzahl der Schichten (64, 65, 66) der Nanofasergewebe, die auf dem Tisch abgelegt werden, durch die gewünschte Dicke (67) der dreidimensionalen Zellmatrix (68), die Dicke der abgelegten Nanofasern und die Höhe des auf der Oberfläche (9) des Ablagetischs (10) erzeugten Vakuumdrucks bestimmt wird, der den Grad der Verdichtung der Schichten der Nanofasergewebe und somit die Porosität der dreidimensionalen Matrix über die Dicke (67) steuert;
    - nach dem Ablegen einer oder mehrerer Schichten aus Nanofasergewebe auf dem Ablagetisch (10) bewegt sich dieser linear (55) zum Modul für das Elektrosprühen von Zellen, bis er konzentrisch mit der ringförmigen Kollektorvorrichtung (12) ist, die eine negative oder neutrale Polarität (18) aufweist, wobei der Ablagetisch (10) in dieser Position mit der Drehbewegung (57) um seine Achse beginnt und das Vakuumsystem abgeschaltet wird, wodurch das Elektrosprühen von Zellen (56) aus dem Kapillarrohr (13) mit positiver Polarität (16) über den Nanofasergeweben (81, 82, 83, 84) für eine in Abhängigkeit von der gewünschten Zelldichte festgelegten Zeitspanne beginnt, wobei die Nanofasergewebe auf diese Weise mit gleichmäßig verteilten Zellen (58) besiedelt werden; wobei sich der Ablagetisch (10) nach dem Besiedeln der Zellen zu dem Modul zum Sammeln von Fasern (59) bewegt, um mit einem neuen Ablegen einer oder mehrerer Schichten zweidimensionaler Nanofasergewebe mit kontrollierter Ausrichtung und kontrolliertem Abstand zwischen den Nanofasern fortzufahren, wobei das Ablegen von Nanofasergeweben (81, 82, 83, 84) und die Besiedelung mit Zellen (56) sukzessive und schrittweise durch die computergesteuerte Einheit (20) erfolgt, wodurch eine dreidimensionale Zellmatrix (68) mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und gleichmäßiger Zellverteilung über die Dicke (67) erzeugt wird;
    - die Anzahl der Schichten (64, 65, 66) der auf dem Ablagetisch (10) abgelegten Nanofasergewebe und die Anzahl des über ihnen erfolgten Elektrosprühens von Zellen (56) durch die gewünschte Dicke (67) der dreidimensionalen Zellmatrix (68) und durch die Dicke der abgelegten Nanofasern festgelegt wird, wobei die Höhe des an der Oberfläche des Ablagetischs (10) erzeugten Vakuumdrucks den Grad der Verdichtung der Schichten aus Nanofasergeweben und damit die Porosität der dreidimensionalen Matrix über die Dicke (67) und die gewünschte Zelldichte der dreidimensionalen Zellmatrix steuert.
  2. Fertigungssystem (1) nach dem vorangehenden Anspruch mit einer computergesteuerten Einheit (20) und einem Computerprogramm.
  3. Ein automatisiertes Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Zellmatrizen mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und gleichmäßiger Zellverteilung über die Dicke, das in dem System nach einem der Ansprüche 1 oder 2 erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:
    a. Aussetzen der beiden zylindrischen Oberflächen (34, 36) der Kollektorzylinder (6, 30) der Kapillarröhre zum Elektrospinnen (4) gegenüber, die eine Lösung eines bestimmten Polymers enthält, das sich für die Funktion der herzustellenden Matrix eignet, wobei dieses Aussetzen durch Anlegen einer negativen oder neutralen Spannung an die beiden zylindrischen Oberflächen (34, 36), bei denen es sich um die Kollektorzylinder (6, 30) handelt und die durch eine Drehbewegung (31) zum kontinuierlichen Elektrospinnen von Nanofasern (5) auf diesen und zwischen diesen Oberflächen (34, 36) in dem Bereich der Mantellinie, die dem Kapillarrohr zum Elektrospinnen (4) am nächsten gelegen ist, angeregt werden, handelt;
    b. kontinuierliches Ablegen der elektrogesponnenen Nanofasern zwischen den zylindrischen Oberflächen (34, 36) auf der mit Löchern versehenen Oberfläche (9) des Ablagetischs (10), der zwischen den Mantellinien der Kollektorzylinder (6, 30) positioniert ist, durch die Wirkung der kontinuierlichen Drehbewegung (31) der Kollektorzylinder (6, 30);
    c. Anlegen von Unterdruck an die auf dem Ablagetisch (10) abgelegten Nanofasern, der durch Löcher in dessen Oberfläche (9) erreicht wird, um die Nanofasern auf dem Ablagetisch (10) zu fixieren und zu verdichten;
    d. lineare (22) und rotierende Bewegungen (24) des Ablagetischs (10), um die von den zylindrischen Oberflächen (34, 36) abgelegten Nanofasern auszurichten und getrennt anzuordnen, wodurch ein zweidimensionales Nanofasergewebe (81, 82, 83, 84) mit kontrollierter Ordnung und Verteilung auf der Oberfläche des Ablagetischs (10) gebildet wird;
    e. Abreißen der auf dem Ablagetisch (10) abgelegten Nanofasern (8) durch den Dehnungseffekt auf ihren Querschnitt, der durch die Wirkung der Drehbewegung (31) der Kollektorzylinder (6, 30) erzeugt wird;
    f. lineare Bewegung (27) des Ablagetischs (10) in Richtung und entgegengesetzter Ausrichtung (60) zu dem Kapillarrohr zum Elektrospinnen (4);
    g. Wiederholen der in Schritt (d), (c) und (f) beschriebenen Zyklen, und zwar so oft wie nötig, um aufeinanderfolgende Schichten zweidimensionaler Nanofasergewebe über den im vorherigen Zyklus abgelegten Geweben abzulegen;
    h. Unterbrechen des Prozesses des Elektrospinnens;
    i. lineare Bewegung (55) des Ablagetischs (10) in die konzentrische Position mit dem Ringkollektor (12) des Moduls für das Elektrosprühen von Zellen;
    j. Unterbrechen des Anlegens des Vakuumdrucks an die Oberfläche des Ablagetischs (10);
    k. Aussetzen der zweidimensionalen Nanofasergewebe (81, 82, 83, 84) auf dem Ablagetisch (10) dem Kapillarrohr für das Elektrosprühen (13) gegenüber, das eine Lösung eines bestimmten Mediums mit Zellen in Suspension enthält, wobei das Aussetzen durch Anlegen einer negativen oder neutralen Spannung (18) an den Kollektorring (12) um den Ablagetisch (10) für eine bestimmte Zeitdauer erfolgt;
    l. Drehbewegung (57) des Ablagetischs (10) für eine bestimmte Zeitdauer für das gleichmäßige Besiedeln mit Zellen und für die Kontrolle der Zelldichte auf der Fläche der auf dem Ablagetisch (10) abgelegten Nanofasergewebe (81, 82, 83, 84);
    m. Stoppen des Elektrosprühens von Zellen (56);
    n. Anlegen eines Vakuumdruck an die Oberfläche des Ablagetischs (10);
    o. lineare Bewegung (59) des Ablagetischs (10) in die Position zwischen die Mantellinien der Kollektorzylinder (6, 30);
    p. Wiederholen der in den Schritten (a) bis (o) beschrieben Zyklen, und zwar so oft wie nötig, wobei die Parameter der rotierenden (24) und der linearen Bewegung (22) des Ablagetischs (10) in Schritt (d) in Bezug auf den vorherigen Zyklus verändert werden können, um zweidimensionale Nanofasergewebe mit einer Ausrichtung und einem Abstand zwischen den Nanofasern (81, 82, 83, 84) zu bilden, die sich von den im vorherigen Zyklus erhaltenen unterscheiden;
    wobei:
    die kontrollierte Bewegung (27) des Ablagetischs (10) in Richtung und entgegengesetzter Ausrichtung (60) zu dem Kapillarrohr zum Elektrospinnen (4) nach jeder Schicht aus abgelegten Fasern und gefolgt von dem Elektrospinnen der Zellen, die Anhäufung aufeinanderfolgender Schichten zweidimensionaler Nanofasergewebe (81, 82, 83, 84) mit Zellen (58) und die Bildung einer dreidimensionalen Zellmatrix (68) mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und kontrollierter Zellverteilung mit einer Dicke (67) erlaubt, die von der Anzahl der Schichten (64, 65, 66) der abgelegten Fasern, der Dicke der Nanofasern und dem Grad der Verdichtung zwischen den Schichten abhängt, die durch den Vakuumdruck gesteuert wird, wobei derselbe Vakuumdruck die Fasern am Tisch fixiert.
  4. Das automatisierte Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Zellmatrizen mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und gleichmäßiger Zellverteilung über die Dicke, das nach dem vorherigen Anspruch in dem System nach einem der Ansprüche 1 oder 2 erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorzylinder (6, 30) leitfähige zylindrische Oberflächen (34, 36) mit einer kontinuierlichen Drehbewegung (31) aufweisen, wobei diese Oberflächen kontinuierlich dem Kapillarrohr zum Elektrospinnen (4) ausgesetzt sind, wobei die Kontinuität der elektrischen Leitfähigkeit der zylindrischen Oberflächen (34, 36) durch die ununterbrochene Entfernung der auf diesen Oberflächen abgelegten Nanofasern durch Reinigungsbürsten (32, 35) sichergestellt wird, die in ständigem Kontakt mit diesen Oberflächen im Bereich der Mantellinie der Kollektorzylinder (6, 30) stehen.
  5. Das automatisierte Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Zellmatrizen mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und gleichmäßiger Zellverteilung über die Dicke, das nach einem der Ansprüche 3 oder 4 in dem System nach einem der Ansprüche 1 oder 2 erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablagetisch (10) die elektrogesponnenen Nanofasern kontinuierlich zwischen den zylindrischen Oberflächen (34, 36) der Kollektorzylinder (6, 30) ansammelt, wobei der genannte Ablagetisch (10) Löcher aufweist, die sich von seiner Oberfläche (9) zu einem Hohlraum in seinem Inneren (42) erstrecken, wobei dieser Hohlraum mit einer Vakuumpumpe (21) mit Drucksteuerung verbunden (11) ist, wobei der Ablagetisch (10) eine lineare Bewegung (27) aufweist, die in Richtung der Achse des Kapillarrohrs zum Elektrospinnen (4) gesteuert wird.
  6. Das automatisierte Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Zellmatrizen mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und gleichmäßiger Zellverteilung über die Dicke nach einem der Ansprüche 3 bis 5, das nach einem der Ansprüche 1 oder 2 in dem System erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung und der Abstand zwischen den abgelegten Nanofasern auf der Oberfläche (9) des Ablagetischs durch die Kombination von rotierenden (24) und linearen (22) Bewegungen des Ablagetischs (10) erfolgt, die ein zweidimensionales Nanofasergewebe (81, 82, 83, 84) mit kontrollierter Ordnung und Verteilung bilden, wobei die Porosität in der Fläche des zweidimensionalen Gewebes aus abgelegten Nanofasern durch den Abstand (44, 45, 47, 49, 52) zwischen den abgelegten Nanofasern kontrolliert wird.
  7. Das automatisierte Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Zellmatrizen mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und gleichmäßiger Zellverteilung über die Dicke nach einem der Ansprüche 3 bis 6, das nach einem der Ansprüche 1 oder 2 in dem System erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugkraft (43), die durch das Vakuum in den Löchern der Oberfläche (9) des Ablagetischs (10) erzeugt wird, die Nanofasern am Ablagetisch (10) fixiert und diese Nanofasern von dem Teil, der noch an den zylindrischen Oberflächen (34, 36) fixiert ist, aufgrund des durch die kontinuierliche Drehbewegung (31) der Kollektorzylinder (6, 30) auf ihren Querschnitt erzeugten Dehnungseffekt getrennt wird.
  8. Das automatisierte Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Zellmatrizen mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und gleichmäßiger Zellverteilung über die Dicke nach einem der Ansprüche 3 bis 7, das nach einem der Ansprüche 1 oder 2 in dem System erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Bewegung des Ablagetischs in Richtung und entgegengesetzter Orientierung (60) zu dem Kapillarrohr zum Elektrospinnen (4) es ermöglicht, das die aufeinanderfolgenden Schichten zweidimensionaler Nanofasergewebe (81, 82, 83, 84) über dem Ablagetisch (10) eine dreidimensionale Zellmatrixstruktur (68) aus Fasern bilden, deren Dicke (67) von der Anzahl der Schichten (64, 65, 66) der abgelegten zweidimensionalen Fasern, der Dicke der Fasern und dem Grad der durch die Wirkung des Systems und des Vakuumdrucks gewünschten Verdichtung zwischen den Schichten abhängig ist.
  9. Das automatisierte Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Zellmatrizen mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und gleichmäßiger Zellverteilung über die Dicke nach einem der Ansprüche 3 bis 8, das nach einem der Ansprüche 1 oder 2 in dem System erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregelung in der Vakuumpumpe (21) den Grad der Verdichtung zwischen den über dem Ablagetisch (10) gebildeten zweidimensionalen Schichten mit Nanofasern (81, 82, 83, 84) und die Porosität in der Richtung senkrecht zur Ebene der abgelegten Schicht aus Nanofasern steuert.
  10. Das automatisierte Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Zellmatrizen mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und gleichmäßiger Zellverteilung über die Dicke nach einem der Ansprüche 3 bis 9, das nach einem der Ansprüche 1 oder 2 in dem System erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Parameter aus Geschwindigkeit, Position, Spannung und Vakuum durch eine computergesteuerte Einheit (20) und ein Computerprogramm gesteuert werden.
  11. Das automatisierte Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Zellmatrizen mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und gleichmäßiger Zellverteilung über die Dicke nach einem der Ansprüche 3 bis 10, das nach einem der Ansprüche 1 oder 2 in dem System erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Bewegung (55) des Ablagetischs von der Position der Mantellinie der Kollektorzylinder (6, 30) bis zu der Position des auf dem Sammelring (12) zentrierten Kapillarrohrs für das Elektrosprühen das Besiedeln der zuvor auf der Oberfläche des Ablagetischs (10) abgelegten zweidimensionalen Nanofasergewebe (81, 82, 83, 84) mit Zellen ermöglicht.
  12. Das automatisierte Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Zellmatrizen mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und gleichmäßiger Zellverteilung über die Dicke nach einem der Ansprüche 3 bis 11, das nach einem der Ansprüche 1 oder 2 in dem System erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Bewegung (55) des Ablagetischs zur Position des Kapillarrohrs für das Elektrosprühen das Anlegen eines Vakuumdrucks auf die Oberfläche (9) des Ablagetischs unterbrochen wird, um ein Ansaugen des Mediums mit Zellen in Suspension zu verhindern, wobei der Unterdruck zu Beginn der linearen Bewegung (59) zur Position der Ablage der Nanofasern durch die Kollektorzylinder (6, 30) wieder auf die Oberfläche (9) des Ablagetischs angelegt wird.
  13. Das automatisierte Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Zellmatrizen mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und gleichmäßiger Zellverteilung über die Dicke nach einem der Ansprüche 3 bis 12, das nach einem der Ansprüche 1 oder 2 in dem System erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehbewegung (57) des Ablagetischs (10) während einer Zeitdauer, in der sich dieser in der zentrierten Position mit dem Kollektorring (12) und dem Kapillarrohr für das Elektrosprühen (13) befindet, eine gleichmäßige Besiedelung mit Zellen und eine Kontrolle der Zelldichte in der Schicht der auf dem Ablagetisch (10) abgelegten Nanofasergewebe (81, 82, 83, 84) ermöglicht.
  14. Das automatisierte Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Zellmatrizen mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und gleichmäßiger Zellverteilung über die Dicke nach einem der Ansprüche 3 bis 13, das nach einem der Ansprüche 1 oder 2 in dem System erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die alternierenden linearen Bewegungen (55, 59) des Ablagetischs (10) zwischen der Position der Mantellinie der Kollektorzylinder (6, 39) für das Ablegen der Nanofasergewebe (81, 82, 83, 84) und der Position des Kapillarrohrs für das Elektrosprühen von Zellen (13) das abwechselnde Ablegen der Nanofasergewebe und die Besiedelung mit Zellen (56) ermöglicht, wodurch eine dreidimensionale Zellmatrix (68) mit Nanofasern mit kontrollierter Ausrichtung und gleichmäßiger Zellverteilung über die Dicke (67) erzeugt wird.
EP21160776.7A 2020-03-04 2021-03-04 Automatisierte herstellung von dreidimensionalen zellmatrizen mit nanofasern mit kontrollierter ausrichtung und gleichmässiger zellverteilung Active EP3882385B1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PT11614520 2020-03-04

Publications (3)

Publication Number Publication Date
EP3882385A1 EP3882385A1 (de) 2021-09-22
EP3882385C0 EP3882385C0 (de) 2023-08-23
EP3882385B1 true EP3882385B1 (de) 2023-08-23

Family

ID=87315264

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21160776.7A Active EP3882385B1 (de) 2020-03-04 2021-03-04 Automatisierte herstellung von dreidimensionalen zellmatrizen mit nanofasern mit kontrollierter ausrichtung und gleichmässiger zellverteilung

Country Status (1)

Country Link
EP (1) EP3882385B1 (de)

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2349950A (en) 1937-08-18 1944-05-30 Formhals Anton Method and apparatus for spinning
US7134857B2 (en) * 2004-04-08 2006-11-14 Research Triangle Institute Electrospinning of fibers using a rotatable spray head
US7981353B2 (en) 2005-12-12 2011-07-19 University Of Washington Method for controlled electrospinning
CN101410508B (zh) * 2006-01-27 2013-07-03 加利福尼亚大学董事会 仿生支架
US7828539B1 (en) 2007-03-26 2010-11-09 Clemson University Fabrication of three dimensional aligned nanofiber array
US8211352B2 (en) 2009-07-22 2012-07-03 Corning Incorporated Electrospinning process for aligned fiber production
US9005604B2 (en) 2009-12-15 2015-04-14 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Aligned and electrospun piezoelectric polymer fiber assembly and scaffold
JP2017516601A (ja) * 2014-03-14 2017-06-22 スクリップス ヘルス 軟骨および半月板のマトリックスポリマーのエレクトロスピニング
US20160004706A1 (en) 2014-07-01 2016-01-07 Microsoft Corporation Security trimming of search suggestions
EP3600160A4 (de) * 2017-03-20 2021-01-20 University of Pittsburgh - Of the Commonwealth System of Higher Education Dornloses elektrospinnverfahren und system und verwendungen dafür

Also Published As

Publication number Publication date
EP3882385C0 (de) 2023-08-23
EP3882385A1 (de) 2021-09-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2045375B1 (de) Vorrichtung und Verfahren für Elektrospinning von 2D- oder 3D-Strukturen von Mikro- bzw. Nanofasermaterialien
Teo et al. A review on electrospinning design and nanofibre assemblies
Shepa et al. Electrospinning through the prism of time
JP4977336B2 (ja) 高分子フィブリルを製造する装置およびその方法
US8721313B2 (en) Apparatus for production of two-dimensional or three-dimensional fibrous materials of microfibres and nanofibres
CN101586288B (zh) 阵列多喷头静电纺丝设备
EP1992721A1 (de) Fasergebilde sowie Verfahren und Vorrichtungen zu ihrer Herstellung
CN103687984A (zh) 由纳米纤维或微米纤维组成的具有各向异性属性材料的生产方法及实施该方法的设备
US20090091065A1 (en) Electrospinning Apparatus For Producing Nanofibers and Process Thereof
US20140207248A1 (en) Hierarchical multiscale fibrous scaffold via 3-d electrostatic deposition prototyping and conventional electrospinning
CN1435515A (zh) 高分子纤维网制造装置和高分子纤维网的制造方法
TW200938667A (en) Collecting electrode of the device for production of nanofibres through electrostatic spinning of polymer matrices, and device comprising this collecting electrode
US11162193B2 (en) Apparatus and process for uniform deposition of polymeric nanofibers on substrate
Liu et al. Simulation of electrospun nanofibre deposition on stationary and moving substrates
Yousefzadeh et al. Modeling performance of electrospun nanofibers and nanofibrous assemblies
CN111394805A (zh) 一种海胆形静电纺丝喷头及其纺丝方法
JP2011052337A (ja) エレクトロスピニング装置
EP3882385B1 (de) Automatisierte herstellung von dreidimensionalen zellmatrizen mit nanofasern mit kontrollierter ausrichtung und gleichmässiger zellverteilung
CN108588860B (zh) 一种调控静电纺丝纳米纤维集合体堆砌结构的接收装置
Haseeb Controlled deposition and alignment of electrospun PMMA-g-PDMS nanofibers by novel electrospinning setups
US20190145022A1 (en) Devices and methods for producing aligned nanofibers
ES2961325T3 (es) Fabricación automatizada de matrices celulares tridimensionales con nanofibras de alineación controlada y distribución celular uniforme
EP3670714B1 (de) Elektrospinnsystem und verfahren zur massenfertigung von ausgerichteten 3d-fasermatrizen
CN113046844A (zh) 一种制备厚层取向纳米纤维的方法及装置
EP3507396B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer faseranordnung und struktur mit einer faseranordnung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN PUBLISHED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

17P Request for examination filed

Effective date: 20220321

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20221019

GRAJ Information related to disapproval of communication of intention to grant by the applicant or resumption of examination proceedings by the epo deleted

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSDIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

INTC Intention to grant announced (deleted)
RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: DE AGUIAR PEREIRA MARQUES, PAULA ALEXANDRINA

Inventor name: GODINHO COMPLETO, ANTONIO MANUEL

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20230404

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAJ Information related to disapproval of communication of intention to grant by the applicant or resumption of examination proceedings by the epo deleted

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSDIGR1

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE PATENT HAS BEEN GRANTED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20230404

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: EP

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R096

Ref document number: 602021004400

Country of ref document: DE

U01 Request for unitary effect filed

Effective date: 20230922

U07 Unitary effect registered

Designated state(s): AT BE BG DE DK EE FI FR IT LT LU LV MT NL PT SE SI

Effective date: 20230929

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IS

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20231223

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: RS

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230823

Ref country code: NO

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20231123

Ref country code: IS

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20231223

Ref country code: HR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230823

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: PL

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230823

U20 Renewal fee paid [unitary effect]

Year of fee payment: 4

Effective date: 20240219

REG Reference to a national code

Ref country code: ES

Ref legal event code: FG2A

Ref document number: 2961325

Country of ref document: ES

Kind code of ref document: T3

Effective date: 20240409

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: SM

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230823

Ref country code: RO

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230823

Ref country code: CZ

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230823

Ref country code: SK

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230823

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R097

Ref document number: 602021004400

Country of ref document: DE

PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: ES

Payment date: 20240408

Year of fee payment: 4

26N No opposition filed

Effective date: 20240524