毛细管流通过三维聚合物印刷粉末的节俭成像技术

摘要

所提出的技术将提供一种新颖、高效、节俭和非侵入性的方法，用于对通过填充粉末床的流体流动进行成像，从而产生高空间和时间分辨率。

摘要

分子和胶体传输（包括纳米颗粒）的新型成像技术的发展是微流体和毫流体研究中积极研究的领域。随着三维（3D）打印的出现，出现了一个新的材料领域，从而增加了对新型聚合物的需求。具体来说，平均粒径在一微米量级的聚合物粉末正受到学术界和工业界越来越多的关注。在介观到微观长度尺度上控制材料的可调性为开发创新材料（如梯度材料）创造了机会。最近，随着微米级聚合物粉末的明确应用的发展，对微米级聚合物粉末的需求一直在增长。三维打印提供了一种高通量工艺，与新应用直接相关，推动了对中尺度物理化学和运输相互作用的研究。本文讨论的协议提供了一种非侵入性技术来成像填充粉末床中的流体流动，提供高时间和空间分辨率，同时利用移动设备（如智能手机）随时可用的移动技术。通过使用通用移动设备，消除了通常与光学显微镜相关的成像成本，从而形成了节俭的科学方法。所提出的协议已成功表征了流体和粉末的各种组合，创建了一个诊断平台，用于快速成像和识别流体和粉末的最佳组合。

引言

基于喷墨的粘合剂喷射到粉末介质中代表了增材制造（3D打印）中的一项重要技术。粘合剂喷射过程首先使用扫描喷墨打印工艺将功能流体沉积到粉末介质中。具体来说，喷墨打印头在粉末表面上平移，将液体粘合剂沉积到粉末表面上，从而以逐层方式形成固体部件¹。基于喷墨的粘结剂喷射技术通常包括沙子、金属粉末和聚合物粉末。然而，为了扩大材料在粘结剂喷射中的空间，需要一种研究流体-粉末和粉末-粉末相互作用、摩擦学、粉末堆积密度和颗粒聚集的基本方法。具体而言，对于流体-粉末相互作用，迫切需要能够实时成像流经粉末床的流体流动。这有望成为研究人员的有力工具，可以作为一种表征技术，并可能作为流体和粉末的不同组合的筛选方法²，³，⁴，以及更复杂的系统^，例如利用颗粒床方法的混凝土3D打印系统。

分子和胶体传输的新型成像技术（包括纳米颗粒）的发展是微流体和毫流体研究中一个活跃的研究领域。通过成像技术探测分子间相互作用可能具有挑战性，因为在非饱和和不稳定流体流动的条件下，很少有人做过工作来探测这些类型的相互作用。文献中报道的许多研究都集中在饱和、预润湿、多孔介质上，例如玻璃珠⁵、⁶、⁷、⁸、^9、10、¹¹、¹² 和土壤 13、14、^15、16、^17、18.该技术提供了一种非侵入性方法，导致高时间和空间分辨率²，³，^4，19。此外，所开发的技术提供了一种新方法，用于表征和量化各种多孔介质中的纳米级和微米级颗粒传输，重点是聚合物粉末。

所提出的技术利用移动设备记录通过多孔聚合物介质的不饱和，不稳定的流体传输，其颗粒尺寸代表利用流体粉末床融合技术的3D打印系统中使用的粉末。这种技术是有利的，因为流通池具有成本效益，可重复使用，体积小且易于操作，说明了节俭科学的主要方面。将这些简单的实验实施到现场研究中的能力非常简单，消除了光学显微镜所需的复杂性、成本和时间。鉴于易于创建设置、快速获得结果以及最少的样品要求，该技术是诊断筛查的最佳平台。

方案

1. 微流控流通池的制备

注意:对于此协议，将使用商业微流体流通池。通过使用专为光学显微镜的光穿透而设计的商业产品，有关介质明场照明的任何挑战都将降至最低。

1. 开始制备微流体流通池，用封口膜覆盖出口以密封通道的一端，以便空流通池可以用聚合物粉末填充。在开始实验之前，确认微流体通道清洁干燥。
   1. 将公制纸尺直接粘在流道下方。
   2. 称量附有封口膜和尺子的微流体流通池。流通池的质量是未包装的流通池质量（m_u）。

2. 将粉末包装到通道中

1. 包装粉末时，请使用塑料移液管转移粉末。请注意，颗粒可能会粘附在移液器吸头的外部，这是摩擦充电的结果。
   1. 将粉末引入通道时，至少点击流通池五次以压实粉末。继续包装，直到粉末到达流道开口的起点。
      注意:攻丝压实通道内的粉末，目的是提供可重复的诊断工具。对于某些应用，此努力可能比在感兴趣的应用中观察到的压实更高、更低或等效的粉末压实水平。如果在应用中攻丝或包装粉末的重现性存在问题，请考虑执行 ASTM D7481-18²⁰。
   2. 用浸有酒精的擦拭布去除流通池外表面上存在的粉末。
      注意:某些类型的颗粒可能是疏水的，因此水可能无法很好地去除颗粒。
2. 粉末包装好后，目视检查流通池中是否有松散包装的粉末。如果流通池内的粉末看起来松散（图1），请再轻敲流通池五次。如果粉末填料看起来一致且致密，则称量流通池以测量聚合物粉末的质量（m _p- m_u;参见公式1）。
   1. 使用未包装 （m _u） 和填充流通池质量 （m_p） 之差并将其除以流通池的体积来计算体积堆积密度 （ρ）。然后知道流通池的体积[长度（长）:50毫米，宽度（宽）:5毫米，通道深度（高）:0.8毫米]。
           等式 1
   2. 确认聚合物粉末²，³，^4，21 的堆积密度在 0.45 g/mL 至 0.55 g/mL 的典型范围内。将流通池留在通风橱中，直到步骤 3 和 4 完成。
      注意:直径小于10μm的颗粒可以渗透到肺部并可能进入血液，这可能导致与肺部和心血管系统相关的健康问题。该实验中使用的聚合物粉末的粒径约为50μm。因此，吸入颗粒引起健康问题的可能性较小，但即使在狭窄的粒径分布中也存在较小的颗粒。为了获得最安全的环境，流通池的制备应在通风橱中进行。

3. 制备溶剂

1. 在水中制备75wt%的乙醇溶液。请注意，溶剂在本手稿的其余部分被称为流体。
   注意:确保用于制备溶液的烧杯不含任何表面活性剂，因为表面活性剂会影响结果。

4. 准备白光表

1. 为防止过多光线淹没探测器（相机），请用不透明材料覆盖灯台，例如黑色聚乳酸（PLA）灯丝的3D打印盖（补充图1）。确保材料具有微通道大小（5 mm x 55 mm）的开口，以允许光线照射粉末。
   注:光线过亮意味着相机的屏幕或显示器将显示为白色，并且微通道将不可见。因此，探测器将无法将镜头聚焦在微通道上。
2. 为确保移动设备上的相机可以捕捉湿粉和干粉之间的对比度，请在低到中等光强度下使用光台。
   注意:高光强度为 100%。另外两个设置是相对于高光强度的;低光强度的设置为~30%，中等光强度的设置为~65%。
3. 将移动设备上的相机直接对准灯台上方。确认相机垂直于光台顶部（图2）。
4. 调整移动设备上的相机方向，使移动设备的长轴与流通池的最长轴对齐。

5. 开始实验

1. 将流通池放在灯台上，并将移动设备上的相机聚焦在流道上。
   注意:为获得最佳效果，较暗（减少头顶照明）的记录空间通常会提供更好的图像分辨率。如果没有黑暗空间，在记录过程中尽量减少头顶照明的变化（灯被打开、关闭或变暗）应该可以改善图形信号，并最大限度地减少实验中不需要的噪音。
2. 将相机对焦到移动设备上后，选择录制按钮。使用移液管将 125 μL 液体添加到微通道的开放入口。
3. 记录流量2分钟或直到所有粉末明显润湿。

6. 分析数据

1. 将视频文件从移动设备传输到计算机，以便于访问。请注意，超过 2 分钟的视频目前可能无法在软件中加载，因为文件大小可能过大。
2. 从 Physlets 网站下载 Tracker，一个免费软件²².该软件可以跟踪以下视频文件中的位置、速度和加速度:.mov、.avi、.mp4、.flv、.wmv等。有关以下步骤，请参阅 补充文件。
   注意:对于Mac用户，请安装最新版本的软件以使软件正常运行。此外，Mac 用户可能需要视频引擎 （Xuggle）、动画 GIF 文件 （.gif） 或由一个或多个数字图像（.jpg、.png或从剪贴板粘贴的图像序列）组成的图像序列。
3. 安装软件后，打开跟踪器软件。从"文件"菜单中，选择"打开文件"以在计算机桌面上加载步骤6.1中传输的视频文件。
4. 单击" 剪辑设置" 图标（类似于胶片条）以定义 起始帧 和 步长。
   注意:将鼠标放在图标上将识别该图标。
   1. 定义 起始帧。起始帧定义为观察到第一个对比度（湿粉和干粉之间的对比度）的 帧 。
   2. 设置 步长。 步 长是指软件将分析的帧步长。从先前的实验来看，最佳 步长 为10。
5. 单击 校准工具，带有蓝色标尺的图标，位于 剪辑设置 按钮的右侧。从 新建中，选择 校准棒。
6. 要放大视频中的标尺，请右键单击要放大的区域 ，然后从 列表中选择放大。适当放大后，在贴在微通道上的标尺上定义 1 mm 的起点和终点，然后键入 1 mm 以定义距离。
7. 单击校准工具右侧的坐标轴工具，这是紫色图标。设置 x 轴和 y 轴的原点，在执行此步骤时使用起始帧。
8. 要定义初始分析点，请创建 点质量。单击" 创建"，然后选择 "点质量"。使用 Shift + 控件 更改矩形的大小。初始点是入口和通道的连接位置。
   注意:矩形表示由用户定义的域，软件将扫描该域以查找对比鲜明的干湿粉。边界允许用户定义将观察到初始点的区域。
   1. 单击" 搜索下一步 "几次以验证软件是否正在分析正确的区域。如果软件运行正常， 请单击搜索并 等待软件完成视频分析。如果软件无法自动找到从前一帧到当前帧的匹配图像强度，软件将停止并等待用户重新定义搜索区域。
      注意:为了获得重现性和比较不同实验结果的能力，请为每个样品选择流体流动前沿的最快或最慢点（湿粉和干粉之间的对比区域）。
   2. 如果在跟踪器屏幕右侧的实时绘制数据上观察到分析错误，请在错误数据点之前的步骤上单击一次 数据点 。在主屏幕上，修改红色矩形搜索区域位置以搜索感兴趣区域并重复步骤6.8.1。
      注意:如果存在错误，请右键单击不准确的数据点，然后取消选择该点以进行进一步分析。
9. 分析完成后，将结果复制并粘贴到电子表格中。保存在电子表格中的结果包括距离和时间数据。
10. 将电子表格中复制的数据绘制为流体通过粉末床的距离随时间的变化。

结果

在分析数据部分， 图3 中延时图像的数据说明了75 wt%乙醇溶液渗入聚碳酸酯（PC）粉末。荧光素被添加到溶液中，以提高本出版物的图像质量。在延时图像中，当流体添加到入口时，时间分辨过程就开始了。一旦流体开始穿透通道，时间 t 就开始了。这一系列图像展示了液体和荧光素的进展。在PC中，液体和荧光素以相同的流速输送。 图 4 中图中的红色开放圆圈表示 表 1 中编译信息的确切时间和距离。流体渗入粉末床并结合增量时间步长（红色圆圈）在 图3中直观地表示。

在 1 秒到 2 秒的间隔内，流体行进的距离增加了一倍。在 2 秒到 5 秒的间隔内，流体行进的距离也加倍。从5秒到10秒，流体仍在快速移动。然而，在15秒后，流速减慢到每5秒约2毫米的流速。对于单个粉末和流体组合，在一组中进行五项测试。每组的总测试数量可能有所不同。例如，如果五个实验中的一个失败，则将分析...

讨论

提供的协议高度依赖于所选颗粒的材料特性。影响流动性的材料性质包括粒度分布²，3，⁴，5，11，21，颗粒表面粗糙度¹¹，^{颗粒表面化学}性质2，³，⁴，⁵，11，¹⁶，²¹，²³

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
µ-Slide I 鲁尔	上	80191	微流体流通池
烧杯	Southern 实验室器皿	BG1000-800	玻璃器皿
口径 301-58 LT 天然聚碳酸酯树脂	盛禧奥 LLC	口径 301-58 LT	天然聚碳酸酯树脂
	乙醇 Sigma Aldrich	1.00983	溶剂
通风柜	Kewaunee	Supreme Air LV通风柜	在18英寸开口处使用92 FPM
iPhone 7加	苹果		相机
不透明3D打印材料			图纸在补充文件中提供
ORGASOL  2002 ES 6 NAT 3	ARKEMA	A12135	聚酰胺粉末
移液管	VWR	10754-268	一次性移液管
移液器	Globe Scientific Inc.	3301-200	可容纳 125 和微量的移液器;L of fluid
Polystyrene	Advanced Laser Materials， LLC.	PS200	烧结用聚苯乙烯
跟踪器			视频分析和建模工具
VariQuest 100 白光模型 3-3700	FOTODYNE	3-3700	白光
水			蒸馏水