基于微流体的共价有机骨架（COFs）的合成:用于连续生产COF纤维和直接印刷在表面上的工具
2017年7月10日
我们提出一种新型的基于微流体的合成共价有机骨架（COFs）的方法。我们展示了如何使用这种方法来生产连续的COF纤维，以及表面上的2D或3D COF结构。
这种方法的总体目标是展示如何使用基于微流体的平台来生产共价有机框架的连续纤维，这些纤维可以打印在表面上以创建 2D 和 3D 结构。尽管在共价和有机框架的合成方面取得了显着进展，但开发一种促进这些材料加工能力的方法仍然是一个挑战，这使得这种方法非常有前途。该方法通过引入一种高贵的合成方法来生产共价和有机框架的连续纤维，从而增强其加工能力，从而有效地为晶体材料领域做出贡献。
要开始制造设备，请在通风橱中，将由 4 英寸硅晶片制成的硅母模放入真空干燥器中。将 100 μL 三甲基硅烷氯分液放入玻璃瓶中，然后将样品瓶放入真空干燥器中。关闭干燥器并将其置于真空下。
让三甲基硅烷氯蒸气沉积在母模表面 1 小时。然后，慢慢放空干燥器。取出硅烷化母模并关闭干燥器。
将硅烷化模具存放在密闭容器或层流罩中。接下来，在一次性杯子中，使用塑料刮刀将 PDMS 弹性体和固化剂以 10：0.9 的重量比混合在一起。在真空干燥器中对混合物脱气 30 分钟。
然后，小心地将四个 PTFE 框架放在母模上，使每个框架在模具上包含一个图案。将 PTMS 混合物倒入框架中并涂在模具上，直至装满。将 PDMS 在 70 摄氏度的烘箱中固化 2 小时，然后从烘箱中取出霉菌，让 PDMS 芯片在层流罩中冷却至室温。
冷却后，小心地用手将框架与模具分开。轻轻地将 PDMS 芯片从框架中滑出。使用 1.5 毫米活检穿刺在芯片中微流体通道末端的入口和出口孔上打孔。
从芯片上修剪多余的 PDMS，并用胶带清洁芯片和盖玻片表面。将干净的芯片放入等离子发生器中，使开放通道朝上，并附上四个玻璃盖玻片。抽空样品室并运行发生器 1 分钟。
然后，对腔室进行通风，取出等离子处理的碎屑和盖玻片。将每个芯片粘合到处理过的盖玻片上，将开口通道朝下，轻轻将芯片压在盖玻片上。将得到的微流体芯片放入 70 摄氏度的烘箱中至少 4 小时，以加强 PDMS 与玻璃之间的粘合。
为了开始准备合成，将 3 毫升 40 毫摩尔 BTCA 的乙酸溶液吸取到 5 毫升注射器中。将 3 毫升 40 毫摩尔 TAPB 的乙酸溶液吸入另一个 5 毫升注射器中。使用内径为 0.8 毫米的 PTFE 管，并将管子从一侧连接到注射器。
将两个注射器安装在注射泵上。接下来，在两个 5 毫升注射器中注入乙酸，使用内径为 0.8 毫米的 PTFE 管，并将管子从一侧连接到注射器。将这些注射器固定到注射泵中。
然后，获得单层四通道微流控芯片。将 PTFE 管的另一侧连接到微流体装置的入口，并将注射器连接到外部通道入口。将 15 厘米长的 PTFE 管连接到芯片出口。
将管子的末端固定在含有 10 毫升乙酸的 60 毫米培养皿中。将玻璃盖玻片放在培养皿旁边。将每个注射泵的流速设置为每分钟 100 微升，然后启动泵。
等待一分钟，让流稳定下来，同时监测芯片中 MF-COF 纤维的形成。改变乙酸的流速并检查出口管路。如果乙酸的护套流相对于 BTCA 和 TAPB 流过高，则 MF-COF 纤维的微观结构悬浮液将太稀而无法形成连续纤维。
如果乙酸的鞘管流量相对于试剂流过低，则高浓度的 MF-COF 纤维会堵塞出口管路。将每个注射器的流速设置为每分钟 100 微升，并等待 1 分钟，让流速稳定下来。一旦流动稳定并且连续的 MF-COF 纤维到达出口管的末端，请握住管的末端，使其离表面几毫米。
缓慢移动管子以绘制 MF-COF 结构。MF-COF 的微观组织驱动了合适的机械性能，允许使用 MF-COF 纤维在膜上保形创建 2D 和 3D 结构。将管子从表面缓慢升高 2 到 3 厘米，以产生独立稳定的 MF-COF 纤维。
慢慢降低试管以继续直接在盖玻片上绘制 2D 或 3D 结构。MF-COF 纤维是由 TAPB 和 BTCA 使用四通道微流控装置合成的。扫描电子显微镜显示，这些纤维由相互连接的微纤维和纳米纤维组成，具有 3D 海绵状多孔结构，具有打印 2D 和 3D 结构所需的机械性能。
随着纤维的连续生成，通过绘制形状将 2D MF-COF 结构打印在玻璃表面上。在玻璃上的书写实验中，印刷过程的相对精度得到了进一步的强调。纤维在相互重叠时不会合并，从而可以打印 3D 结构。
除玻璃外，MF-COF 结构还印刷在薄纸、纸板、铝箔和聚苯乙烯上。在尝试此程序时，请记住执行在层流罩内制造微流体装置的所有步骤以及涉及在通风橱下处理乙酸的所有合成步骤。该技术开发后，为晶体材料领域的研究人员探索需要由晶体纤维和各种 seraphasis 制成的 2D 和 3D 结构的先进图案化的新技术应用铺平了道路。
看完这个视频，你应该对如何使用微流控平台合成共价有机框架的连续纤维，以及如何打印产生的纤维和浆膜来制作 2D 和 3D 结构有一个很好的了解。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本研究提出了一种基于微流控的新型方法来合成共价有机框架（COFs）。该方法能够生产连续的COF纤维，并在表面上创建二维和三维的COF结构。
关键研究组成部分
科学领域
- 材料科学
- 微流控技术
- 共价有机框架
背景
- 共价有机框架是一种有前景的材料，因为它们具有可调的性质。
- 传统的合成方法在可加工性方面面临挑战。
- 微流控技术可以对合成条件进行精确控制。
- 本研究旨在提高COFs的生产能力。
研究目的
- 展示COF合成的微流控平台。
- 生产连续的COF纤维。
- 在表面上创建二维和三维的COF结构。
使用的方法
- 从硅片上制造硅主模具。
- 在真空干燥器中使用三甲基氯硅烷。
- 用于受控合成的微流控技术。
- 生产的COF结构的表征。
主要结果
- 成功生产连续的COF纤维。
- 展示了表面上的二维和三维COF结构。
- 提高了共价有机框架的可加工性。
- 引入了一种COF生产的新型合成方法。
结论
- 微流控方法是COF合成的一个有前景的进展。
- 这种方法有助于创建复杂的COF结构。
- 由于改善的可加工性，在各个领域中具有潜在应用。
常见问题
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.
