Name: 制作三维微结构，用牺牲部分汽化过程 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-02T17:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 31 s
Description: 学习使用牺牲部分汽化法制作三维微血管结构，通过聚乳酸纤维和激光微加工导板实现精确几何定位。该方法适用于热交换、质量传输和自修复系统等生物医学工程应用。

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本工作由美国空军科学研究署（AFOSR）青年研究员计划（项目号 FA9550-12-1-0352）以及3M公司非终身教职教师奖资助。作者感谢Lalisa Stutts和Janine Tom对本项目相关问题的有益讨论。作者感谢加州大学欧文分校加州信息学院（Calit2）显微镜中心和激光光谱设施允许使用其设备。感谢Hodge Harland及加州大学欧文分校物理科学机械加工车间协助工具的制作。聚乳酸纤维由Teijin Monofilament慷慨提供。

1. 催化牺牲纤维
<ol>
	<li>将所需量的聚乳酸纤维缠绕在定制纺锤的下部¾区域。尽量减少纤维重叠，以提供最大的表面积暴露。</li>
	<li>在密闭瓶中将去离子 H2O 与 40 ml Disperbyk 130 混合，振荡至形成均匀溶液。然后将一个 1,000 ml 烧杯置于 37 °C 水浴中，并将三氟乙醇倒入烧杯中。所用 H2O 和 TFE 的量取决于所使用的 PLA 纤维直径。
	<table border="1">
		<tbody>
			<tr>
				<td>纤维直径</td>
				<td>H2O 用量（ml）</td>
				<td>TFE 用量（ml）</td>
			</tr>
			<tr>
				<td>200</td>
				<td>400</td>
				<td>400</td>
			</tr>
			<tr>
				<td>300</td>
				<td>360</td>
				<td>440</td>
			</tr>
			<tr>
				<td>500</td>
				<td>320</td>
				<td>480</td>
			</tr>
		</tbody>
	</table>
	</li>
	<li>将 H2O/Disperbyk 187 溶液加入烧杯中，搅拌至均匀。</li>
	<li>向混合物中加入 1 g 孔雀绿，并搅拌至完全溶解。</li>
	<li>将带有纤维的定制纺锤置于烧杯底部上方½英寸&#160;处，并将纺锤连接至数字搅拌器。然后以 400 rpm 启动数字搅拌器。</li>
	<li>缓慢向混合物中加入 1.3 g 草酸亚锡（SnOx）催化剂。SnOx 的添加必须缓慢进行，以防止材料大量聚集而从溶液中析出。</li>
	<li>使用 NaOH 调节混合物的 pH 值，使其达到约 6.8–7.2。</li>
	<li>将烧杯盖上盖子，并将纺锤转速提高至 500 rpm&#160;，持续反应 24 小时。若观察到 SnOx 出现聚集现象，需在前 2 小时内手动将其分散。</li>
	<li>取出纺锤并在 35 °C 烘箱中过夜干燥。</li>
	<li>拆下纤维并去除催化后的 PLA 纤维上多余的催化剂。</li>
</ol>
2. 微血管气体交换单元的制备
<ol>
	<li>获取一对具有理想微血管图案的激光切割黄铜模板，并将模板固定在夹具上。</li>
	<li>剪取10英寸&#160;每微通道催化纤维的长度，并使用切割成纤维直径的较厚板（拉丝板）去除残留的催化剂。</li>
	<li>使用热熔胶枪的尖端缓慢挤出纤维末端，以使纤维边缘变细。</li>
	<li>将纤维穿过黄铜图案板对中对应的孔。</li>
	<li>将板材拧紧到模具箱上。安装板材时，确保纤维未发生扭曲。</li>
	<li>将光纤末端穿过定制张力板的调音 peg。</li>
	<li>将聚乳酸纤维拉紧至绷直。注意不要过度拉伸，以免纤维断裂。</li>
	<li>使用压缩空气去除纤维图案中的过量颗粒物。</li>
	<li>将聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质与固化剂按10:1的体积比混合。</li>
	<li>在真空干燥器中对混合物抽真空脱气10分钟。</li>
	<li>将PDMS混合物倒入模具盒中。为减少气泡的滞留，不要直接将混合物倒在纤维上。</li>
	<li>使用26 G针头，去除成型盒内或纤维之间的任何气泡。</li>
	<li>在85 °C下固化PDMS混合物30分钟。</li>
	<li>从模具盒上卸下黄铜板，注意不要弯曲板材或用力过猛。取出固化的 1st 从模具盒中取出模型。</li>
	<li>用皮下注射针头在RTV端帽上穿孔，将光纤穿过端帽。根据光纤尺寸，选用的针头规格应至少为光纤直径的2倍&#160;光纤外径的内径。保持与黄铜图案化板相似的模式，但分布更稀疏。</li>
	<li>将端盖固定在较大模具盒的两端，并倒入2nd PDMS 阶段</li>
	<li>去除残留的气泡，并在85 °C下固化30分钟。</li>
	<li>剪去样品上多余的PLA纤维，置于210 °C真空烘箱中加热24小时，或直至PLA纤维基本完全去除。</li>
	<li>如果任何 PLA 无法被移除，可使用 1 ml 氯仿进行注射，轻轻溶解微通道中的 PLA。</li>
</ol>

<ol><li>Bellan, L. M., Singh, S. P., Henderson, P. W., Porri, T. J., Craighead, H. G., Spector, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+an+artificial+3-dimensional+vascular+network+using+sacrificial+sugar+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Fabrication of an artificial 3-dimensional vascular network using sacrificial sugar structures.</a> Soft Matter. 5 (7), 1354(2009).</li>
<li>Bellan, L. M., Strychalski, E. A., Craighead, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nano-channels+fabricated+in+polydimethylsiloxane+using+sacrificial+electrospun+polyethylene+oxide+nanofibers%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vac.+Sci.+Technol.+B+Microelectron.+Nanometer+Struct.+Process.+Meas.+Phenom%22%5BJournal%5D)">Nano-channels fabricated in polydimethylsiloxane using sacrificial electrospun polyethylene oxide nanofibers.</a> J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanometer Struct. Process. Meas. Phenom. 26 (5), 1728(2008).</li>
<li>Borenstein, J. T., Weinberg, E. J., Orrick, B. K., Sundback, C., Kaazempur-Mofrad, M. R., Vacanti, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfabrication+of+three-dimensional+engineered+Scaffolds%5BTitle%5D)+AND+%22Tissue+Eng%22%5BJournal%5D)">Microfabrication of three-dimensional engineered Scaffolds.</a> Tissue Eng. 13 (8), 1837-1844 (2007).</li>
<li>Wu, H., Odom, T. W., Chiu, D. T., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+complex+three-dimensional+microchannel+systems+in+PDMS%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Fabrication of complex three-dimensional microchannel systems in PDMS.</a> J. Am. Chem. Soc. 125 (2), 554-559 (2003).</li>
<li>Trask, R. S., Bond, I. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomimetic+self-healing+of+advanced+composite+structures+using+hollow+glass+fibres%5BTitle%5D)+AND+%22Smart+Mater.+Struct%22%5BJournal%5D)">Biomimetic self-healing of advanced composite structures using hollow glass fibres.</a> Smart Mater. Struct. 15 (3), 704-710 (2006).</li>
<li>Dong, H., Esser-Kahn, A. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemical+treatment+of+poly%28lactic+acid%29+fibers+to+enhance+the+rate+of+thermal+depolymerization%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl.+Mater.+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Chemical treatment of poly(lactic acid) fibers to enhance the rate of thermal depolymerization.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 503-509 (2012).</li>
<li>Esser-Kahn, A. P., Thakre, P. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+microvascular+fiber-reinforced+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional microvascular fiber-reinforced composites.</a> Adv. Mater. 23 (32), 3654-3658 (2011).</li>
<li>White, S. R., Blaiszik, B. J., Kramer, S. L. B., Olugebefola, S. C., Moore, J. S., Sottos, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-healing+polymers+and+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+Sci%22%5BJournal%5D)">Self-healing polymers and composites.</a> Am. Sci. 99 (5), 392(2011).</li>
<li>Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+three-dimensional+microvascular+gas+exchange+unit+for+carbon+dioxide+capture%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">A three-dimensional microvascular gas exchange unit for carbon dioxide capture.</a> Lab Chip. 12 (7), 1246(2012).</li>
<li>Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+membrane+thickness+on+a+microvascular+gas+exchange+unit%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">The effect of membrane thickness on a microvascular gas exchange unit.</a> Adv. Funct. Mater. , (2012).</li>
</ol>

我们已就该项技术在美国提交了临时专利申请，专利申请号为 U.S. Provisional Application Serial No. 61/590,086。

将SnOx催化剂引入PLA纤维中，可使纤维在较低温度下发生解聚，从而防止包埋树脂（本例中为PDMS）的降解。为充分混合处理溶液，需要使用定制的搅拌轴（图5A）。该搅拌轴由六根支撑杆围绕一个中心核心构成，中心核心连接至数字搅拌器。纤维缠绕在支撑杆上，以最大化缠绕纤维的表面积与催化溶液的接触。搅拌轴底部设有一组叶片，用于产生混沌流动，这种流动可防止催化剂发生团聚。
使用定制的张紧板来制备平行排列的纤维（图5B）。该张紧板由一块边缘装有吉他调音旋钮的板组成。只要板上具有足够数量的调音旋钮以张紧图案中使用的所有纤维，板的具体尺寸并不重要。在纤维路径中增加枢轴点有助于防止纤维在导向板接口处发生过大的弯曲角度。制造过程中最具挑战性的部分可能是较大图案的纤维穿引。在穿引纤维时保持条理性至关重要，需确保为下一根纤维的穿引预留充足的空间。
对于微通道间距小于50 μm的图案，有可能会损坏导板。在从纤维上清除多余催化剂时必须格外小心，因为多余的催化剂直径通常大于导板图案孔的直径。...

自然界系统利用广泛的血管网络来促进多种生物功能。由于具有较高的表面积与体积比以及优化的堆积结构，此类系统能够高效地实现物质传输。尽管许多合成制造技术可以生成微血管结构，但目前尚无任何方法能够在保持复杂性及与现有制造工艺兼容性的同时，大规模制备微血管系统1-5。像鸟类肺部这样的结构为设计提供了灵感。我们如何制造出具有如此复杂性的结构以增强物质传输效率？
牺牲组分汽化法（Vaporization of a Sacrificial Component, VaSC）可制备大规模、复杂的微血管结构6-7。该方法利用聚乳酸纤维的热解聚和蒸发去除，在材料中形成与纤维模板相反的中空通道。这是一种与现有制造方法兼容的牺牲技术。通过该制造工艺，可形成长达米级的圆柱形微通道结构。该技术可用于制备具有血管化结构的装置，例如自修复聚合物和三维微血管碳捕获单元7-10。
碳捕获单元的设计灵感来源于鸟类肺部，后者因其在飞行中的应用而具有高效的气体交换与重量比。副支气管由呈六边形排列的微通道构成，可实现高效率的气体交换，并形成结构稳定的气体交换单元。为了制造具有三维定向微尺度特征的交换单元，我们开发了一种使用定制张力板（配备吉他调弦钮）和激光微加工板独立拉伸纤维的方法。每根纤维通过外部张力固定位置，其排列模式由纤维穿过的板上孔位布局决定。

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;试剂&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>草酸亚锡</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>402761</td><td></td></tr><tr><td>Disperbyk 130</td><td>BYK Additives Instruments</td><td></td><td></td></tr><tr><td>三氟乙醇</td><td>Halocarbon</td><td></td><td></td></tr><tr><td>孔雀石绿（工业级）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M6880</td><td></td></tr><tr><td>氢氧化钠（&amp;ge;98%，颗粒状）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5881</td><td></td></tr><tr><td>聚二甲基硅氧烷（PDMS）</td><td>Dow Corning</td><td>3097358-1004</td><td>由Ellsworth Adhesives经销</td></tr><tr><td>聚乳酸纤维</td><td>Teijin Monofilament</td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;材料&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>RW 20 数字搅拌器</td><td>IKA</td><td>3593001</td><td></td></tr><tr><td>干燥器罐</td><td>Pyrex</td><td></td><td></td></tr><tr><td>真空烘箱</td><td>Fisher Scientific</td><td></td><td></td></tr><tr><td>第三只手工具</td><td>Jameco Electronics</td><td>26690</td><td>样品板支架</td></tr><tr><td>热熔胶枪</td><td>Stanley</td><td>GR20L</td><td></td></tr><tr><td>PLA纺锤</td><td></td><td></td><td>定制</td></tr><tr><td>张力板</td><td></td><td></td><td>定制</td></tr></tbody></table>

利用牺牲组分汽化法制备三维微结构的过程

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

自然系统中的血管结构能够通过高比表面积和优化的结构实现高效的物质传输。目前，很少有合成材料的制备技术能够在保持可扩展性的同时，模拟出此类结构的复杂性。而牺牲组分汽化法（Vaporization of a Sacrificial Component, VaSC）能够实现这一目标。该方法利用牺牲性纤维作为模板，在基质内部形成中空的圆柱形微通道。将草酸亚锡（SnOx）嵌入聚乳酸（PLA）纤维中，有助于该工艺的实施。SnOx可在较低温度下催化PLA纤维的解聚反应，生成的乳酸单体在此温度下呈气态，可从嵌入的基质中被去除，且不会损伤基质本身。本文展示了一种利用微加工平板和张紧装置对这些纤维进行排列的方法，以构建三维阵列的复杂微通道图案。该工艺使得几乎所有纤维拓扑结构和构型的探索成为可能。

该方法提供了一种在树脂中制备嵌入式微血管结构的工艺。这些结构可形成多种不同的图案（图2）。微血管网络的结构仅受限于可牺牲纤维所能形成的结构。
通过微血管通道的平行排列，气体在流体流之间传输时可穿过可渗透的通道间膜，从而促进气体交换。这些装置可以以可扩展的方式制造，且无需光刻工艺（图3）。所形成的微通道完全中空，且通道之间的间距可小于50 μm。
微通道内可能同时出现泄漏和堵塞现象（图4）。一旦形成堵塞，将阻止液体在微通道中的任何流动，必须手动清除。当纤维未彻底清洁或未充分拉紧时，可能在通道之间形成泄漏。
<img alt="自修复材料工艺示意图：纤维基体、解聚、微血管系统形成。" fo:content-width="5.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50459/50...

牺牲组分汽化法（VaSC）用于制造微血管结构。该方法利用牺牲性聚乳酸纤维，在激光微加工导引板提供的精确三维几何定位下，形成中空的微通道。

自然系统中的血管结构能够通过高比表面积和优化的结构实现高效的物质传输。目前很少有合成材料……

本实验的总体目标是构建三维微血管结构。首先，通过将草酸亚锡掺入聚乳酸纤维中，制备可牺牲纤维；第二步，利用图案化模板对这些纤维进行三维图案化排列。接下来，将纤维浇铸到包埋树脂中。最后一步是在加热和真空条件下将纤维从树脂中抽出。最终，该微血管系统可用于多种用途，包括热交换、物质传输以及自修复系统。通常，初次接触该方法的人员会因操作纤维所需的手眼协调能力和视觉感知能力要求较高而遇到困难。该方法的视觉演示至关重要，因为纤维的化学处理以及图案板的穿线过程较难掌握，需要手眼协调和专用设备。使用定制的纺锭和已知直径的聚乳酸纤维开始纤维催化剂灌注过程。此处为 200 微米。将所需量的纤维缠绕在纺锤体的下半部分。减少纤维重叠，以在可密封的瓶中提供最大的表面积暴露。将400毫升去离子水与40毫升去垢剂混合。一瓶30。盖紧瓶盖并摇匀，直至获得均一溶液。接下来，将一个1000毫升的烧杯放入37摄氏度的水浴中。向烧杯中加入400毫升三氟乙醇。将水分散溶液加入烧杯中，并搅拌至均匀。向混合物中加入一克孔雀石绿或其他染料，搅拌至完全溶解。然后，将转子安装到数字搅拌器上，并调节高度，使转子距离容器底部半英寸。将搅拌器转速设为 400 RPM，开始缓慢搅拌。向混合物中加入 1.3 克草酸亚锡催化剂。使用氢氧化钠调节混合物的 pH 值，直至 pH 值约为 6.8 至 7.2。接着，将杯盖固定好，并将搅拌转速提高至 500 转/分钟。在最初两小时内开始并维持此状态24小时。手动打散生成的草酸亚锡团聚物。24小时结束后，将烘箱预热至35摄氏度。将纺锤从混合器上取下并放入烘箱中，过夜干燥。至少干燥八小时后，从烘箱中取出纺锤，将纤维从纺锤上解下。从纤维中去除多余的催化剂。微血管气体交换单元的制备首先需要获取一对具有理想微血管图案的激光切割黄铜图案板。将这些板固定在夹具上。每个微通道切割一段10英寸长的含催化剂纤维。使用与纤维直径相同的金属片去除纤维上残留的催化剂。用热熔胶枪的尖端对纤维边缘进行锥形处理。通过缓慢挤出光纤尖端来完成此操作。完成后，将光纤穿过黄铜图案板对中对应的孔。接下来，将板固定到模具箱上。固定板材时，确保纤维无扭曲。然后将纤维末端穿过定制张力板的调音钉，拉伸PLA纤维至绷紧。注意避免过度拉伸导致纤维断裂。使用压缩空气去除纤维图案中的多余颗粒物。然后将聚二甲基硅氧烷基料与其固化剂按10:1的体积比混合，将混合物放入干燥罐中。在真空条件下对混合物脱气10分钟。将PDMS混合物倒入模具盒中，但不要直接倒在纤维上。使用26号针头去除模具盒内或纤维之间的任何气泡。完成后，在85摄氏度下固化组装件30分钟。当模具冷却后，松开模具盒上的黄铜板，注意不要弯曲板材或用力过猛。将已固化的第一阶段产物从模具盒中取出。使用规格至少为纤维外径两倍的注射针头，在RTV端盖上穿孔，并将纤维穿过带针头的孔。然后移除针头。孔的排列应与黄铜图案板相似，但分布更为稀疏。接下来，将端盖固定到较大的模具箱上。倒入第二层PDMS，并去除任何残留的气泡。再次在85摄氏度下固化30分钟。第二次固化后，剪去样品上多余的PLA纤维。将样品置于真空烘箱中，在 210 摄氏度下加热 24 小时，直至大部分 PLA 纤维被去除。若仍有残留的 PLA 无法清除，可注入 1 毫升氯仿以溶解微通道中剩余的物质。至此，完成该单元的制备。该方案提供了一种用于在树脂中制造微血管结构的方法，如图顶部所示的气体交换单元。左下角为该结构某一段的细节图。使用染料是为了提高视觉清晰度。右侧为用于创建微通道的200微米和300微米孔的六边形排列。微通道完全中空，通道之间间隔可小于50微米。微血管网络的结构仅受限于可牺牲纤维所能形成的结构。微通道内可能出现泄漏和堵塞现象。在此气体交换单元的左侧存在一个堵塞。这些残留物通常可用溶剂去除。右侧是泄漏的示例，当牺牲纤维未彻底清洗或张力不足时便会形成此类问题。一旦掌握，该技术可在45分钟内完成纤维制备，60分钟内完成微血管单元的构建。观看本视频后，您应能充分理解如何制备牺牲纤维以构建三维结构，并掌握该复杂过程中的常见问题排查方法。

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