预设计尺寸和形状的聚合物纤维和生物贿赂纤维的微流体制造
January 8th, 2014
两个相邻的流体通过凹槽的微流体通道，可以定向形成围绕前聚合物核心的护套:从而确定形状和横截面。光启动聚合，如硫醇点击化学，非常适合快速凝固核心流体成微纤维与预定的大小和形状。
以下实验的总体目标是展示通过微纤维的产生观察到的复杂流体成型。这是通过组装具有特定凹槽的微流体通道来产生具有预定横截面形状的聚合物可实现核心来实现的。作为第二步，制备预聚物溶液，一旦通过通道，该溶液就会成型和聚合。
接下来，在通道底部打开紫外光，以聚合聚合物材料。这些扫描电子显微照片显示了几种制造的超细纤维形状。同样，与静电纺丝和熔融纺丝等其他现有方法相比，该技术的优势包括该技术可以在室温下进行，并且该技术可以与各种聚合物合理材料一起使用。
此外，该技术不需要高电压。它不需要高温和快速冷却时间，也不需要控制湿度等环境因素。这项技术的视觉演示至关重要，因为微流体纤维制造不像其他一些方法那样常见，因此如果不见过它可能很难概念化。
不过，从视觉上看，这种方法已被用于生产聚合物超细纤维。我们的实验室也使用相同的原理来开发其他系统，如微血管。我们最初在观察微混合器和微芯片流式细胞术系统共聚焦时有了这个想法。
正如我们所看到的，持续华丽的横截面发展起来。我们假设，通过引入聚合物溶液，可以通过光聚合连续且相对容易地锁定形状。演示该程序的是 Michael Danielle 和 Darrell Boyd，他们是我实验室的博士后。
首先，通过在底部放置一个紧固板，然后是 A COC 环烯烃共聚物层，然后是剩余的紧固板，自下而上组装先前设计的护套流装置。确保成型槽沿通道边缘彼此对齐，并且 COC 层中的流体成型几何形状完美重叠。将螺栓插入设备中心，并使用电动螺丝刀拧紧螺母和螺栓，将设备夹在一起，从左到右交替。
从中心向外重复上一步，以锁定对齐并防止泄漏。到达安装孔时，添加入口卡盘，并继续交替安装螺钉。接下来，将护套流量装置连接到 tigon 管。
使用标准 HPLC 接头，手动拧紧所有连接，使用环形支架和夹子垂直安装设备，使用最顶部上的水平仪确保设备垂直。然后将紫外线源垂直放置在距离护套流装置的 COC 面约 1 厘米的位置，以便照射微通道的最后 3 到 5 厘米。用 PEG 400 填充 1 毫升诱饵尖端注射器作为非聚合物核心液，用 PEG 400 填充 30 毫升诱饵尖端注射器作为鞘液。
接下来，在一个小瓶中补充新鲜制备的巯基线溶液，其中四乘以 10 到负四摩尔的 DMPA 光引发剂中。搅拌约 2 分钟后，将预聚合物溶液装入 5 毫升铝箔包裹的下端注射器中。在此位置之后，是含水收集槽中微流体通道的出口。
将岩芯包层和鞘液注射泵分别以每分钟 30 和 120 微升的速度注入。然后将相应的注射器直径输入注射泵。然后将注射器安装到相应的注射泵中，并将它们连接到鞘液流装置。
使用防紫外线 tigon 管，启动鞘液以灌注鞘液流装置并消除系统中的空气。目视检查微通道，并特别注意成型槽，以确保在进行下一步之前，微通道中没有气泡。如果存在气泡，请在流动时旋转和/或轻轻敲击来搅动设备，以将其从设备中冲出。
启动熔覆液，同时使流动稳定。检查微通道并冲洗掉气泡后，启动核心流体并确保系统中不会像以前那样出现气泡。最后，打开 UV 源并观察收集槽，以便在中空超细纤维与鞘液一起喷射时连续产生中空超细纤维。
从收集槽中取出纤维，使用成型槽和三个溶液输入的简单两阶段设计来制造中空纤维。COMSOL 仿真用于确定适当的流速比，以获得所需的横截面尺寸。铣削和成型相结合，生产出用于制造纤维的护套流组件的组件。
包层材料的聚合由紫外光源引发，中空纤维从微通道挤出到收集槽中。纤维的生产持续了几分钟，产生了一根长度超过一米的纤维。在这些条件下制造的纤维直径约为 200 微米。
使用光学和电子显微镜观察纤维的结构。纤维呈椭圆形，芯部为空心。使用毛细管作用将液体和气泡引入纤维内部，并确认空心结构在纤维长度上是连续的。
掌握后，此过程可能只需 45 分钟。这包括设置通道、溶液制备、纤维制造以及纤维收集的时间。看完这个视频，你应该对如何设计和组装微流道来生产中空微纤维有很好的了解。
不要忘记，在处理危险化学品和紫外线照射时，您应该始终佩戴个人防护装备。
概述
本研究展示了一种使用具有凹槽的微流体通道将复杂流体塑造成微纤维的新方法。该技术采用光引发聚合来将预聚合物核心固化为具有预定形状和尺寸的微纤维。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流体学
- 聚合物化学
- 材料科学
背景
- 与其他方法相比，微流体纤维制造较为罕见。
- 现有技术通常需要高温和高压。
- 视觉演示有助于理解复杂流体塑造过程。
- 该方法可用于创建微血管。
研究目的
- 展示通过复杂流体塑造生产微纤维的方法。
- 展示使用微流体技术相对于传统方法的优势。
- 通过可视化过程来更好地理解概念。
使用的方法
- 组装具有特定凹槽的微流体通道。
- 准备用于塑造和聚合的预聚合物溶液。
- 使用紫外线光固化材料。
- 通过光学和电子显微镜监控连续生产的空心微纤维。
主要结果
- 成功制造了直径约200微米的空心微纤维。
- 展示了生产超过1米长的纤维的能力。
- 可视化了纤维结构并确认了空心核的连续性。
- 该过程最快可在45分钟内完成。
结论
- 该方法允许对纤维形状和尺寸进行精确控制。
- 它在操作条件方面具有显著优势。
- 该技术可适用于材料科学的各种应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Microfluidic fabrication of polymeric and biohybrid fibers with controlled size and shape enables precise engineering of advanced materials for biopharma R&D. This approach supports the development of customizable scaffolds and encapsulation systems, enhancing predictive confidence in early discovery and translational workflows. The method's operational simplicity and compatibility with biological components position it as a reusable capability for diverse pipeline needs.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables fabrication of fibers with tunable geometries for hypothesis-driven material testing.
- Supports encapsulation of biological components, facilitating functional validation in disease-relevant systems.
- Reduces mechanistic ambiguity by allowing controlled manipulation of fiber architecture.
Screening & Assay Development
- Provides standardized fiber production for reproducible assay substrates.
- Delivers quantitative control over fiber dimensions, supporting assay consistency.
- Facilitates scalable preparation of fibers for high-throughput screening platforms.
Translational & Preclinical Research
- Enables creation of biohybrid fibers suitable for modeling tissue microenvironments.
- Supports encapsulation of cells for preclinical evaluation of biomaterial interactions.
- Aligns with translational biomarker strategies by enabling physiologically relevant material design.
Pipeline & Workflow Integration
This microfluidic fiber fabrication method integrates from early discovery through preclinical model development, supporting iterative design and validation cycles.
- Discovery Biology: Allows hypothesis testing of material properties and biological encapsulation strategies.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative fiber outputs for downstream assay development.
- Analytics: Provides measurable fiber dimensions and morphologies for comparative analysis.
- Translational Research: Enables continuity from in vitro material testing to preclinical model integration.
- Enterprise Reuse: Offers a platform technology adaptable to multiple R&D programs and material types.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence and target validation through precise material engineering.
- Operational Value: Streamlines fiber production with room temperature, low-shear, and mild polymerization conditions.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making by reducing variability and enabling rapid prototyping.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by enabling standardized, scalable material workflows.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device assembly and polymer chemistry.
- Needs access to UV polymerization equipment and compatible analytical tools.
- Demands cross-team standardization of fluid properties and device geometries.
- Adaptable to various polymers and biological encapsulants with attention to viscosity and hydrophilicity matching.
- Limited by the need for precise alignment and control of microfluidic channel features.
