Method Article

Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Mikrostrukturen mit Verdampfung eines Opferbauteil

DOI:

10.3791/50459

⸱

November 2nd, 2013

 ,  , 
1Department of Physics, University of California, Irvine, 2Department of Chemistry, University of California, Irvine

In This Article

Summary

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Die Verdampfung eines Sacrificial Komponente (Vasc)-Prozess wird verwendet, um mikrovaskulären Strukturen herzustellen. Bei diesem Verfahren wird Opfer Poly (Milchsäure) Säure Fasern hohl Mikrokanäle mit präzisen geometrischen 3D-Positionierung durch Laser-Mikrobearbeitung Leitbleche vorgesehen bilden.

Abstract

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Vaskulären Strukturen in natürlichen Systemen sind in der Lage, hohe Massentransport durch große Oberfläche und optimierte Struktur bereitzustellen. Wenige Kunststoff Herstellungstechniken können, um die Komplexität dieser Strukturen nachzuahmen, während Skalierbarkeit. Die Verdampfung eines Sacrificial Komponente (Vasc) Prozess ist in der Lage, dies zu tun. Dieses Verfahren verwendet Opferfasern als Vorlage zu hohlen, zylindrischen Mikrokanäle in einer Matrix eingebettet sind. Zinn (II)-oxalat (SnO x) in Poly (Milchsäure) Säure (PLA) Fasern, die die Verwendung dieses Verfahrens erleichtert eingebettet. Die SnOx katalysiert die Depolymerisation des PLA-Fasern bei niedrigeren Temperaturen. Die Milchsäure-Monomeren gasförmig sind bei diesen Temperaturen und kann von der Matrix eingebettet, die bei Temperaturen nicht schaden der Matrix entfernt werden. Hier zeigen wir ein Verfahren zum Ausrichten dieser Fasern mit mikrobearbeiteten Platten und eine Spannvorrichtung komplexe Muster von dreidimensional angeordneten Mikrokanälen zu schaffen.Das Verfahren ermöglicht die Erforschung von praktisch jeder Anordnung von Faser-Topologien und Strukturen.

Introduction

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Natürliche Systeme verwenden umfangreichen Gefäßnetze viele biologische Funktionen zu erleichtern. Der Stofftransport kann effizient in solchen Systemen durch hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisse und optimierte Verpackung Strukturen erreicht werden. Während viele synthetische Herstellungstechniken mikrovaskulären Strukturen erzeugen kann, kann keiner produzieren großen Mikrovaskulatur während Komplexität und Kompatibilität mit bestehenden Herstellungsverfahren 1-5. Bauwerke wie die Vogellunge bieten eine Inspiration. Wie können wir fabrizieren Strukturen dieser Komplexität für die Verbesserung Stofftransport?

Die Verdampfung eines Sacrificial Komponente (Vasc) produzieren können große, komplexe Strukturen microvascular 6-7. Bei diesem Verfahren wird die thermische Depolymerisation und Abdampfen von Poly (milchsäure)-säure Fasern hohle Kanäle, die das Inverse der Faser Schablone zu bilden. Dies ist eine Opfer-Technik kompatibel mit bestehenden FertigungMethoden. Meter langen, zylindrischen Mikrokanalmuster können unter Verwendung dieses Herstellungsprozesses werden. Dies kann verwendet werden, um vascularized Geräte wie selbstheilende Polymere und 3D microvascular Carbon Capture Einheiten 7-10 schaffen.

Die Carbon Capture Einheiten wurden von der aviären Lunge, die eine effiziente Gas-Austausch-Gewichts-Verhältnis bietet aufgrund seiner Verwendung im Flug inspiriert. Die parabronchus wird von hexagonal strukturierte Mikrokanäle, die hohen Gas-Wechselkursen und strukturell stabil Gasaustausch Einheiten bietet zusammen. Um den Austausch mit mikro-Einheiten bietet in drei Dimensionen ausgerichtet zu erstellen, entwickelten wir ein Verfahren zum Spannen unabhängig Fasern mit einem individuell gestalteten Spannung Board mit Guitar Tuner und Laser-Mikrobearbeitung Platten. Jede Faser wird durch externe Spannung gehalten wird und das Muster wird durch die Anordnung von Löchern in der Platte, durch welche die Fasern laufen soll.

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Protocol

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1. Catalyzing Opferfasern

  1. Wickeln der gewünschten Menge an Poly (Milchsäure) säure Fasern um den unteren ¾ kundenspezifischer Spindel. Reduzieren Faser Überlappung, um die maximale Fläche Belichtung liefern.
  2. Mix deionisiertes H 2 O mit 40 ml Disperbyk 130 in einer geschlossenen Flasche und schütteln, bis eine homogene Lösung erhalten wird. Dann legen Sie eine 1.000 ml Becherglas in einem Wasserbad bei 37 ° C und gießen Trifluoräthanol in das Becherglas. Die Menge an H 2 O und TFE zu verwenden, hängt von der PLA Faserdurchmesser verwendet.
    Faserdurchmesser Anzahl der H 2 O (ml) Anzahl der TFE (ml)
    200 400 400
    300 360 440
    500 320 480
  3. Hinzufügendie H 2 O / Disperbyk 187 Lösung in das Becherglas und rühren, bis es gleichmäßig.
  4. 1 g Malachitgrün auf die Mischung und rühren bis gelöst.
  5. Legen Sie die benutzerdefinierte Spindel mit Fasern in das Becherglas ½ Zoll vom Boden und befestigen Sie die Spindel mit einem digitalen Mischpult. Dann starten Sie den Digital-Mixer bei 400 Umdrehungen pro Minute.
  6. Langsam 1,3 g Zinn (II)-oxalat (SnO x)-Katalysator zu der Mischung. Die Zugabe von SnOx muss, um große Ansammlungen von Material vor einem Absturz aus der Lösung zu verhindern schrittweise.
  7. Der pH-Wert in der Mischung mit NaOH bis pH ~ 6,8-7,2.
  8. Sichern Sie sich einen Deckel in den Becher und erhöhen die Spindel bis 500 UpM für 24 Stunden. Wenn eine Agglomeration von SnOx beobachtet wird, manuell brechen sie innerhalb der ersten 2 Stunden.
  9. Entfernen Spindel und trocken im Ofen bei 35 ° C über Nacht.
  10. Packen und entfernen Sie überschüssiges Katalysators aus den katalysierten PLA-Fasern.

2. Microvascular Gas Exchange Einheit Fabrication

  1. Besorgen Sie sich ein Paar von Laser-Cut Messing Strukturierung Messingplatten mit dem gewünschten Muster mikrovaskulären und bringt die Platten auf Cliphalterungen.
  2. Schneiden Sie ein 10-Zoll-Länge von katalysierten Ballaststoffe pro Mikrokanalstruktur und entfernen Sie alle verbleibenden Katalysator Verwendung einer dickeren Platte geschnitten zum Faserdurchmesser (Zugplatte).
  3. Taper die Kanten der Fasern mit der Spitze einer Heißklebepistole langsam extrudieren Faserspitzen.
  4. Führen Sie die Fasern durch passende Löcher in den Messing Strukturierung Plattenpaaren.
  5. Schrauben Sie die Platten auf einen Formkasten. Stellen Sie sicher, dass die Fasern nicht verdreht, wenn die Befestigung der Platten.
  6. String die Faserspitzen durch die Stimmwirbeln des benutzerdefinierten Spannen Bord.
  7. Tension die PLA-Fasern bis straff. Seien Sie vorsichtig, nicht über-Spannung und reißen die Fasern.
  8. Entfernen Sie das überschüssige Partikel von der Faser Muster mit Druckluft.
  9. Mix Polydimethylsiloxan (PDMS)-Basis mit Härtungsmittel in einer 10:1, v: v-Verhältnis.
  10. Degas die Mischung unter Vakuum in einem Exsikkator jar für 10 min.
  11. Gießen Sie die PDMS Mischung in die Form ein. Nicht direkt übergießen die Fasern um das Einfangen von Luftblasen zu reduzieren.
  12. Mit einer 26 G Nadel, entfernen Sie alle Blasen innerhalb der Formkasten oder zwischen den Fasern.
  13. Cure die PDMS-Gemisch bei 85 ° C für 30 min.
  14. Lösen Sie die Messingplatten aus dem Formkasten, was sicher nicht die Platten biegen oder ziehen zu hart. Entfernen Sie die geheilt 1. Stufe aus dem Formkasten.
  15. Führen Sie die Fasern durch eine RTV Endkappe durch Punktion Löcher in der Stirnwand mit einer Injektionsnadel. Abhängig vom Faserdurchmesser, mit einem Nadelabstand, die mindestens 2 x den Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Faser. Pflegen Sie ein ähnliches Muster wie die Strukturierung Messing Platte, sondern darüber hinaus ausbreiten.
  16. Befestigen Sie die Endkappen an den Enden eines größeren Formkasten und gießen Sie ein 2. Stufe der PDMS.
  17. Entfernen Sie alle verbleibenden Gasblasen undhärten bei 85 ° C für 30 min.
  18. Schneiden Sie überschüssige PLA-Fasern aus der Probe und in einem Vakuumofen bei 210 ° C für 24 Stunden oder bis die PLA-Fasern wurden meist evakuiert.
  19. Wenn eine PLA nicht entfernt werden kann, leicht herauslösen der Mikrokanäle mit einer Injektion von 1 ml Chloroform.

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Results

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Dieses Verfahren stellt ein Verfahren zur Herstellung mikrovaskulären Strukturen in einem Harz eingebettet sind. Diese Strukturen können in einer Vielzahl von Mustern (Fig. 2) entsprechen. Die Struktur des mikrovaskulären Netzwerk nur durch die Strukturen, die mit den Opferfasern gebildet werden können, begrenzt.

Ein paralleler Anordnung der mikrovaskulären Kanäle Gastransport zwischen Fluidströmen erleichtert als Gase durchlaufen eine durchlässige Membran zwischen den Kanäl...

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Discussion

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Die Einführung des Katalysators in den SnOx PLA-Fasern können die Fasern bei einer niedrigeren Temperatur depolymerisieren. Hierdurch wird der Abbau der Einbettung Harz, in diesem Fall PDMS. Eine benutzerdefinierte Spindel wird benötigt, um richtig mischen die Behandlung Lösung (5A). Die Spindel wird von sechs Tragstäbe um einen zentralen Kern, der mit einem digitalen Mischpult legt zusammen. Die Fasern sind um die Tragstangen, so daß die Oberfläche der Umhüllung Fasern in Kontakt mit der katalytischen ...

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Disclosures

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Wir haben für eine vorläufige Patent auf diese Technologie und US-Patent US Provisional Application Serien Nr. 61/590, 086 eingereicht.

Acknowledgements

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Diese Arbeit wurde von der AFOSR Young Investigator Programm unter FA9550-12-1 bis 0352 und einem 3M Non-Tenured Faculty Award unterstützt. Die Autoren möchten Lalisa Stutts und Janine Tom für hilfreiche Diskussionen zu diesem Projekt danken. Die Autoren danken der Calit2 Microscopy Center und der Laserspektroskopie Einrichtung an der Universität von Kalifornien, Irvine zum Zulassen der Verwendung seiner Anlagen. Hodge Harland und die UCI Physical Sciences Machine Shop werden für die Herstellung von Werkzeugen anerkannt. Poly (Milchsäure) Säure Fasern wurden großzügig von Teijin Monofilament vorgesehen.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Reagenz
Zinn(II)-oxalatSigma-Aldrich402761
Disperbyk 130BYK Additives Instruments
TrifluorethanolHalogenkohlenwasserstoff
Malachitgrün (technische Qualität)Sigma-AldrichM6880
Natriumhydroxid (≥ 98%, Pellets)Sigma-AldrichS5881
Polydimethylsiloxan (PDMS)Dow Corning3097358-1004Vertrieben von Ellsworth Adhesives
Poly(milch-)säurefasernTeijin Monofilament
Material
RW 20 Digitaler MischerIKA3593001
ExsikkatorglasPyrex
VakuumofenFisher Scientific
Dritte HandJameco Electronics26690Plattenhalter
KlebepistoleStanleyGR20L
PLA SpindelSonderanfertigung
SpannbrettSonderanfertigung

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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Vaporization of Sacrificial ComponentSacrificial FibersTin Oxalate CatalystPolylactic Acid FibersThree dimensional PatterningEmbedding ResinPDMS CastingHeat Vacuum EvacuationMicrovascular StructuresFiber Alignment

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