ميكروفلويديك التوليف القائم على الأطر العضوية التساهمية (كوفس): أداة للإنتاج المستمر للألياف كوف والطباعة المباشرة على سطح
يوليو 10, 2017
نقدم طريقة مستندة ميكروفلويديك الرواية لتوليف الأطر العضوية التساهمية (كوفس). نوضح كيف يمكن استخدام هذا النهج لإنتاج ألياف كوف المستمر، وأيضا هياكل 2D أو 3D كوف على الأسطح.
الهدف العام من هذا النهج هو توضيح كيف يمكن استخدام منصة قائمة على الموائع الدقيقة لإنتاج ألياف مستمرة من الأطر العضوية التساهمية التي يمكن طباعتها على الأسطح لإنشاء هياكل ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد. على الرغم من التقدم الملحوظ في توليف الأطر التساهمية والعضوية ، إلا أن تطوير طريقة لتسهيل قدرة هذه المواد على المعالجة لا يزال يمثل تحديا ، مما يجعل هذا النهج واعدا للغاية. تساهم هذه الطريقة بشكل فعال في مجال المواد البلورية من خلال إدخال نهج تركيبي نبيل لإنتاج ألياف مستمرة من الأطر التساهمية والعضوية ، وبالتالي تعزيز قدرتها على المعالجة.
لبدء تصنيع الجهاز ، في غطاء الدخان ، ضع قالب رئيسي من السيليكون مصنوع من رقاقة سيليكون بحجم أربعة بوصات في مجفف فراغ. أرسل 100 ميكرولتر من كلوريد ثلاثي ميثيل سيليل في قارورة زجاجية وضع القارورة في مجفف الفراغ. أغلق المجفف وضعه تحت الفراغ.
اسمح لبخار كلوريد ثلاثي ميثيل سيليل بالترسيب على سطح القالب الرئيسي لمدة ساعة واحدة. ثم قم بالتنفيس ببطء عن المجفف. قم بإزالة القالب الرئيسي السيلاني وأغلق المجفف.
قم بتخزين القالب السيلاني في وعاء مغلق أو في غطاء تدفق رقائقي. بعد ذلك ، في كوب يمكن التخلص منه ، استخدم ملعقة بلاستيكية لخلط المطاط الصناعي PDMS وعامل المعالجة معا بنسبة وزن 10: 0.9. قم بإزالة الغازات من الخليط في مجفف مفرغ لمدة 30 دقيقة.
بعد ذلك ، ضع أربعة إطارات PTFE بعناية على القالب الرئيسي ، بحيث يحيط كل إطار بنمط واحد على القالب. يسكب مزيج PTMS في الإطارات وفوق القالب حتى يمتلئ. قم بمعالجة PDMS في فرن على حرارة 70 درجة مئوية لمدة ساعتين ، ثم أخرج القالب من الفرن واترك رقائق PDMS تبرد إلى درجة حرارة الغرفة في غطاء التدفق الرقائقي.
بمجرد أن تبرد ، افصل الإطارات بعناية عن القالب يدويا. حرك رقائق PDMS برفق من الإطار. استخدم ثقب خزعة 1.5 ملم لثقب فتحات المدخل والمخرج في النهاية إلى قنوات السوائل الدقيقة في الرقائق.
قم بقص PDMS الزائد من الرقائق وتنظيف الرقاقة وتغطية الأسطح الانزلاقية بشريط لاصق. ضع الرقائق النظيفة في مولد البلازما بحيث تكون القنوات المفتوحة متجهة لأعلى ، جنبا إلى جنب مع أربع زلات غطاء زجاجي. قم بإخلاء غرفة العينة وتشغيل المولد لمدة دقيقة واحدة.
بعد ذلك ، قم بتنفيس الغرفة وإزالة الرقائق المعالجة بالبلازما وغطاء الزلات. اربط كل شريحة بزلة غطاء معالجة بحيث تكون القنوات المفتوحة متجهة لأسفل عن طريق الضغط برفق على شريحة الغطاء. ضع رقائق السوائل الدقيقة الناتجة في فرن على حرارة 70 درجة مئوية لمدة أربع ساعات على الأقل لتقوية الترابط بين PDMS والزجاج.
لبدء التحضير للتخليق ، ارسم ثلاثة ملليلتر من 40 مللي مولار BTCA في حمض الأسيتيك في حقنة خمسة ملليلتر. اسحب ثلاثة ملليلتر من 40 مللي TAPB في حمض الأسيتيك في حقنة أخرى سعة خمسة ملليلتر. استخدم أنابيب PTFE بقطر داخلي يبلغ 0.8 ملم وقم بتوصيل الأنابيب من جانب واحد بالمحاقن.
قم بتركيب كلتا المحاقن على مضخة حقنة. بعد ذلك ، املأ حقنتين بسعة خمسة ملليلتر بحمض الخليك ، واستخدم أنابيب PTFE بقطر داخلي يبلغ 0.8 ملم وقم بتوصيل الأنابيب من جانب واحد إلى المحاقن. قم بتأمين هذه المحاقن في مضخات الحقن.
ثم احصل على شريحة سوائل صغيرة ذات طبقة واحدة رباعية القنوات. قم بتوصيل الجانب الآخر من أنبوب PTFE بمداخل جهاز السوائل الدقيقة وقم بتوصيل المحاقن بمداخل القناة الخارجية. قم بتوصيل طول 15 سم من أنابيب PTFE بمخرج الشريحة.
ثبت نهاية الأنبوب في طبق بتري 60 ملم يحتوي على 10 مل من حمض الخليك. ضع زلة غطاء زجاجي بجوار طبق بتري. اضبط كل مضخة حقنة على معدل تدفق يبلغ 100 ميكرولتر في الدقيقة وابدأ تشغيل المضخات.
انتظر دقيقة واحدة حتى تستقر التدفقات أثناء مراقبة تكوين ألياف MF-COF في الشريحة. قم بتغيير معدلات تدفق حمض الخليك وتحقق من أنبوب المخرج. إذا كانت تدفقات غمد حمض الأسيتيك عالية جدا بالنسبة لتدفقات BTCA و TAPB ، فسيكون تعليق البنية المجهرية لألياف MF-COF مخففا جدا لتشكيل ألياف مستمرة.
إذا كانت تدفقات غمد حمض الخليك منخفضة جدا بالنسبة لتدفقات الكاشف ، فإن التركيز العالي لألياف MF-COF سوف يسد أنبوب المخرج. اضبط كل حقنة على معدل تدفق يبلغ 100 ميكرولتر في الدقيقة وانتظر دقيقة واحدة حتى تستقر التدفقات. بمجرد استقرار التدفقات ووصول ألياف MF-COF المستمرة إلى نهاية أنبوب المخرج ، أمسك نهاية الأنبوب ، على بعد بضعة ملليمترات فوق السطح.
حرك الأنبوب ببطء لرسم هيكل MF-HOF. تسمح الخصائص الميكانيكية المناسبة من التنظيم المجهري ل MF-COF باستخدام ألياف MF-COF لإنشاء متطابق للهياكل ثنائية الأبعاد و 3D على السارافاز. ارفع الأنبوب ببطء من سنتيمترين إلى ثلاثة سنتيمترات من السطح لإنتاج ألياف MF-COF مستقرة قائمة بذاتها.
قم بخفض الأنبوب ببطء لمواصلة رسم هيكل ثنائي الأبعاد أو ثلاثي الأبعاد مباشرة على زلة الغطاء. تم تصنيع ألياف MF-COF من TAPB و BTCA ، باستخدام جهاز مائل دقيق رباعي القنوات. أظهر الفحص المجهري الإلكتروني الماسح أن الألياف تتكون من ألياف دقيقة ونانوية مترابطة في هياكل مسامية ثلاثية الأبعاد تشبه الإسفنج تمنح الخصائص الميكانيكية اللازمة لطباعة الهياكل ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد.
تمت طباعة هياكل 2D MF-COF على الأسطح الزجاجية عن طريق رسم الأشكال حيث تم إنشاء الألياف باستمرار. تم تسليط الضوء على الدقة النسبية لعملية الطباعة بشكل أكبر في تجارب الكتابة على الزجاج. لم تندمج الألياف عند نقشها فوق بعضها البعض ، مما يسمح بطباعة الهياكل ثلاثية الأبعاد.
بالإضافة إلى الزجاج ، تمت طباعة هياكل MF-COF على المناديل الورقية والكرتون ورقائق الألومنيوم والبوليسترين. أثناء محاولة هذا الإجراء ، تذكر تنفيذ جميع خطوات تصنيع جهاز السوائل الدقيقة داخل غطاء التدفق الصفحي وجميع خطوات التوليف التي تتضمن التعامل مع حمض الأسيتيك تحت غطاء الدخان. بعد تطويرها ، تمهد هذه التقنية الطريق للباحثين في مجال المواد البلورية لاستكشاف التطبيقات التكنولوجية الجديدة التي تتطلب تصميما مقدما للهياكل ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد المصنوعة من ألياف بلورية وسيرافازية مختلفة.
بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تصنيع الألياف المستمرة للأطر التساهمية والعضوية باستخدام منصة سوائل دقيقة وكيفية طباعة الألياف المنتجة والسيرافاز لصنع هياكل ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة طريقة مبتكرة قائمة على الميكروفلويديك لتركيب أطر عمل عضوية تساهمية (COFs). يتيح هذا النهج إنتاج ألياف COF مستمرة وإنشاء هياكل COF ثنائية وثلاثية الأبعاد على الأسطح.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم المواد
- الميكروفلويديك
- الأطر العضوية التساهمية
الخلفية
- تعتبر الأطر العضوية التساهمية مواد واعدة نظرًا لخواصها القابلة للتعديل.
- تواجه طرق التركيب التقليدية تحديات في القابلية للمعالجة.
- توفر تقنيات الميكروفلويديك تحكمًا دقيقًا في ظروف التصنيع.
- تهدف هذه الدراسة إلى تعزيز قدرات إنتاج الأطر العضوية التساهمية.
غرض الدراسة
- لتمكين منصة ميكروفلويديك لتركيب COF.
- لإنتاج ألياف COF مستمرة.
- لإنشاء هياكل COF ثنائية وثلاثية الأبعاد على الأسطح.
الطرق المستخدمة
- تصنيع قالب رئيسي من السيليكون من رقاقة سيليكون.
- استخدام ثلاثي ميثيل سيليل كلوريد في مجفف فراغ.
- تقنيات الميكروفلويديك للتصنيع المتحكم فيه.
- توصيف هياكل COF المنتجة.
النتائج الرئيسية
- الإنتاج الناجح لألياف COF مستمرة.
- برهنة هياكل COF ثنائية وثلاثية الأبعاد على الأسطح.
- تحسين قابلية معالجة الأطر العضوية التساهمية.
- تقديم نهج تخليقي جديد لإنتاج COF.
الخلاصات
- تعتبر طريقة الميكروفلويديك تقدمًا واعدًا في تركيب COF.
- يسهل هذا النهج إنشاء هياكل COF المعقدة.
- تطبيقات محتملة في مجالات مختلفة نظرًا لتحسين قابلية المعالجة.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
This microfluidic-based synthesis method addresses the processability challenge of covalent organic frameworks (COFs) by enabling continuous fiber production and direct surface printing. The approach enhances material handling for downstream applications in sensing, catalysis, and energy storage by transforming unprocessable powders into printable, mechanically robust fibers. It supports early-stage exploration of COF-based functional coatings and architectures without requiring bulk material processing.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of structure-property relationships in porous crystalline materials through controlled synthesis of tunable COF architectures.
- Operational Value: Provides reproducible, room-temperature production of COF fibers under defined diffusion conditions, reducing batch variability.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates standardized, crystalline COF fibers with interconnected micro/nano porosity for consistent surface functionalization in biosensing interfaces.
- Operational Value: Facilitates preparation of surface-immobilized COF layers for analyte capture, enabling scalable assay platform development.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports translational continuity by allowing direct printing of COF structures on diverse substrates (glass, paper, polymers) for prototyping wearable or flexible sensing devices.
- Operational Value: Enables rapid iteration of 2D/3D COF geometries for preclinical evaluation of material-tissue interactions without reformulation.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery workflow as a materials preparation step that bridges synthesis and application, supporting lead identification through tunable porous systems and preclinical work via surface-patterned functional architectures.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on porous material effects by enabling precise control over COF crystallinity and pore environment for target engagement studies.
- Screening: Delivers assay-ready, surface-bound COF films with reproducible thickness and porosity for consistent ligand or analyte capture efficiency.
- Analytics: Provides quantitative structural output via fiber morphology and porosity metrics that correlate with functional performance in sensing or catalytic readouts.
- Translational Research: Connects discovery to preclinical continuity through direct printing on flexible substrates, enabling conformal device integration for in vitro model testing.
- Enterprise Reuse: Establishes a modular microfluidic platform for on-demand COF fiber generation, reducing material waste and enabling reuse across multiple project teams.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence by yielding crystalline, sponge-like COF fibers with tunable porosity for reliable structure-function correlation.
- Operational Value: Ensures standardization and scalability through continuous fiber production under controlled flow rates, minimizing synthesis drift.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by enabling rapid prototyping of COF-based interfaces, reducing late-stage material incompatibility risks.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement by generating processable COF formats early, facilitating evaluation of crystalline material viability in applied settings.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication, plasma bonding, and syringe pump operation for precise fluid control.
- Depends on access to vacuum desiccators, ovens, plasma generators, and PTFE tubing infrastructure for chip synthesis and fluid delivery.
- Necessitates standardization of flow rate ratios and sheath fluid protocols across teams to ensure reproducible fiber formation and outlet stability.
- Involves adaptation considerations when printing on porous or flexible substrates (e.g., tissue paper, polystyrene) to maintain fiber integrity and structural fidelity.
- Includes practical limitations such as susceptibility to clogging at imbalanced flow rates and the need for acetic acid handling under fume hood conditions.
