Summary
De verdamping van een Sacrificial Component (Vasc) proces wordt gebruikt om microvasculaire structuren fabriceren. Deze procedure maakt gebruik van opofferende poly (melkzuur) zuur vezels om holle microchannels vormen met nauwkeurige 3D geometrische positionering door het laser micromachined geleidingsplaten.
Abstract
Vasculaire structuren in natuurlijke systemen zijn in staat om hoge massa vervoer aan te bieden door middel van groot oppervlak en geoptimaliseerde structuur. Enkele kunststof fabricagetechnieken kunnen de complexiteit van deze structuren nabootsen behoud schaalbaarheid. De verdamping van een Sacrificial Component (Vasc) proces is in staat om dit te doen. Dit proces maakt gebruik offers vezels als een sjabloon om holle, cilindrische microkanalen ingebed in een matrix. Tin (II) oxalaat (SNOX) is ingebed in poly (melkzuur) (PLA) vezels die het gebruik van dit proces vergemakkelijkt. De SNOX katalyseert de depolymerisatie van de PLA vezels bij lagere temperaturen. Het melkzuur monomeren zijn gasvormig bij deze temperaturen en kunnen vanaf de geïntegreerde matrix verwijderd worden bij temperaturen die niet de matrix niet beschadigen. Hier laten we een methode voor het uitlijnen van deze vezels met behulp micromachined borden en een spaninrichting om complexe patronen van driedimensionaal gekleed microkanalen maken.Het proces maakt de exploratie van vrijwel elke regeling van vezels topologieën en structuren.
Introduction
Natuurlijke systemen uitgebreid vasculaire netwerken vele biologische functies te vergemakkelijken. Massatransport efficiënt in dergelijke systemen als gevolg van hoge oppervlak tot volume verhouding en geoptimaliseerde verpakking constructies worden gerealiseerd. Hoewel veel synthetische fabricagetechnieken kan produceren microvasculaire structuren, kan geen grootschalige microvasculatuur produceren met behoud van complexiteit en compatibiliteit met bestaande fabricagemethoden 1-5. Structuren zoals het aviaire long bieden een inspiratie. Hoe gaan we fabriceren structuren van deze complexiteit voor het verbeteren van massatransport?
De verdamping van een Sacrificial Component (Vasc) kan produceren grootschalige, complexe microvasculaire structuren 6-7. Deze methode gebruikt de thermische depolymerisatie en verdamping verwijderd poly (melkzuur) zuur vezels holle kanalen die de inverse van de vezel matrijs vormen. Dit is een offer techniek verenigbaar met de bestaande productie-methoden. Meter lange, cilindrische microkanaal patronen kunnen worden gevormd middels het fabricageproces. Dit kan worden gebruikt om gevasculariseerd apparaten zoals zelfherstellende polymeren en 3D microvasculaire afvangen eenheden 7-10 creëren.
De carbon capture eenheden werden geïnspireerd door het aviaire longen die een efficiënte gas-uitwisseling-to-gewichtsverhouding gevolg geeft aan het gebruik ervan tijdens de vlucht. De parabronchus is samengesteld uit hexagonaal patroon microkanalen, die een hoge gas wisselkoersen en structureel stabiel gasuitwisseling eenheden biedt. Om te wisselen eenheden te creëren met microschaal functies uitgelijnd in drie dimensies, we een methode van zelfstandig spannen vezels met behulp van een op maat ontworpen spanning raad met gitaar tuners en laser-micromachined platen ontwikkeld. Elke vezel wordt op zijn plaats gehouden door externe spanning en het patroon wordt door de plaatsing van de gaten in de plaat, waardoor de vezels lopen instellen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Katalyseren Sacrificial Vezels
- Wikkel de gewenste hoeveelheid poly (melkzuur) zuur vezels rond het onderste ¾ maat spil. Verminderen fiber overlap aan de maximale oppervlakte exposure gebied.
- Meng gedeïoniseerd H2O met 40 ml Disperbyk 130 in een gesloten fles en schud totdat een homogene oplossing wordt verkregen. Plaats dan een bekerglas 1000 ml in een waterbad bij 37 ° C en giet trifluorethanol het bekerglas. De hoeveelheid H2O en TFE, hangt af van de PLA vezeldiameter gebruikt.
Vezeldiameter Hoeveelheid H 2 O (ml) Hoeveelheid TFE (ml) 200 400 400 300 360 440 500 320 480 - Toevoegende H 2 O / Disperbyk 187 oplossing voor de beker en roer tot uniform.
- Voeg 1 g malachietgroen aan het mengsel en roer tot opgelost.
- Plaats de aangepaste spindel met vezels in de beker ½ centimeter van de onderkant en bevestig de spil van een digitale mixer. Dan beginnen de digitale mixer bij 400 rpm.
- Voeg langzaam 1,3 g tin (II) oxalaat (SNOX) katalysator aan het mengsel. De toevoeging van SNOX moet geleidelijk zijn om te voorkomen dat grote agglomeraties materiaal crashen uit de oplossing.
- Stel de pH in het mengsel met NaOH tot pH ~ 6.8-7.2.
- Bevestig een deksel op de beker en verhoging van de spindel 500 rpm gedurende 24 uur. Indien een agglomeratie van snox wordt waargenomen, handmatig het opsplitsen binnen de eerste 2 uur.
- Verwijder spil en drogen in een oven bij 35 ° C geïncubeerd.
- Uitpakken en verwijder overtollige katalysator uit de gekatalyseerde PLA vezels.
2. Microvasculaire Gas Exchange Unit Fabrication
- Krijgen een paar van lasergesneden messing patronen koperen platen met de gewenste microvasculaire patroon en brengen zij de platen op houders clip.
- Snijd een 10 inch lengte van gekatalyseerde vezels per microchannel en verwijder alle resterende katalysator met een dikkere plaat gesneden om de vezel diameter (gelijkspel plaat).
- Taper de randen van de vezels met de punt van een hete lijmpistool langzaam extrusie van de vezel uiteinden.
- Rijg de vezels door bijpassende gaten in de koperen patronen platenparen.
- Schroef de platen op een vormkast. Zorg ervoor dat de vezels niet gedraaid bij het bevestigen van de platen.
- String de vezel tips via de stemschroeven van de aangepaste spannen bord.
- Span de PLA vezels tot strak. Wees voorzichtig niet te over-spanning en breken de vezels.
- Verwijder overtollig deeltjes uit de vezel patroon met behulp van perslucht.
- Mix polydimethylsiloxaan (PDMS) basis met verharder in een 10:01, v: v-verhouding. Ontgas het mengsel onder vacuüm in een exsiccator pot voor 10 minuten.
- Giet de PDMS mengsel in de doos mal. Niet direct giet de vezels aan het vangen van luchtbellen te verminderen.
- Met behulp van een 26 G naald, verwijder eventuele luchtbellen in de doos gieten of tussen de vezels.
- Hard de PDMS mengsel bij 85 ° C gedurende 30 minuten.
- Maak de koperen platen uit de doos mal, er voor zorgend dat de platen buigen of te hard trekken. Verwijder de uitgeharde ste fase 1 uit de doos mal.
- Rijg de vezels door middel van een RTV end-cap door prikken gaten in het eind-dop met een injectienaald. Afhankelijk vezels gebruikt u een naaldenmeter die ten minste 2x de binnendiameter van de buitenste diameter van de vezel. Handhaaf een vergelijkbaar patroon als de koperen patronen plaat, maar meer op grote schaal verspreid.
- Bevestig de eindkappen aan de uiteinden van een grotere mal doos en giet er een 2 e fase van PDMS.
- Verwijder eventuele resterende gasbellen enharden bij 85 ° C gedurende 30 minuten.
- Snijd overtollig PLA vezels uit het monster en in een vacuümoven bij 210 ° C gedurende 24 uur, of totdat de PLA vezels zijn meestal geëvacueerd.
- Indien PLA niet kan worden verwijderd, voorzichtig los uit de microkanalen met een injectie van 1 ml chloroform.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Deze procedure verschaft een werkwijze voor het vervaardigen microvasculaire structuren ingebed in een hars. Deze structuren kunnen voldoen aan een verscheidenheid van patronen (figuur 2). De structuur van het microvasculaire netwerk is alleen beperkt door de structuren die kunnen worden gevormd met de opofferende vezels.
Met behulp van een parallelschakeling van microvasculaire kanalen, gastransport tussen vloeistofstromen wordt vergemakkelijkt als gassen steken een permeabel inter-channel membraan. Deze apparaten kunnen in een schaalbaar worden vervaardigd zonder dat lithografie (figuur 3). De microkanalen gevormde volledig hol en kan worden gescheiden door minder dan 50 urn.
Het is mogelijk zowel lekken en pluggen te verschijnen in de microkanalen (figuur 4). De vorming van een plug wordt voorkomen dat vloeistofstroom door de microchannel en moet handmatig worden verwijderd. Een lek tussen kanalen kunnen w vormenduivin de vezels zijn niet grondig gereinigd en gespannen.
Figuur 1. Vasc fabricageproces overzicht. Offer PLA vezels worden geregen door micromachined geleidingsplaten. De vezels worden geregen tot strak naar een parallelle opstelling te creëren. De vezels worden dan ingebed in een matrix. Warmte en vacuüm wordt vervolgens gebruikt om de vezels in gasvormige monomeren depolymeriseren. Het eindresultaat is een holle set microkanalen waar de vezels eens waren.
Figuur 2. Monster patronen. (A) SEM beeld van een enkele hexagonaal patroon of 200 micrometer en 300 micrometer diameter kanalen. (B) Gids plaat voor een hexagonaal verpakt patroon van 200 micrometer en 300 micrometer diameter microkanalen.
Figuur 3. Vertegenwoordiger gasuitwisseling eenheid. Het centrale deel van het apparaat bevat een hexagonaal arrangement van 200 micrometer en 300 micrometer diameter microkanalen. Een secundaire structuur spreidt zich uit en zorgt voor eenvoudiger toegang tot de microkanalen. Microkanalen worden geladen met blauwe en oranje kleurstof voor visuele helderheid.
Figuur 4. Vertegenwoordiger mislukte gasuitwisseling eenheid.
Figuur 5. Aangepaste apparatuur voor de productie. (A) Custom spindel. Zes ondersteunende staven omringen een centrale kern. PLA vezels zijn gewikkeld rond de draagstangen contact met de katalytische oplossing te maximaliseren. Een mengblad is gepositioneerd aan de onderkant van de spil chaos voeren. (B) Aangepaste spannen boord. Gitaar tuners zijn langs de randen van een acrylraadskwaliteit het aanspannen van de PLA vezels. Draaipunten zijn zo geplaatst that de hoek tussen de vezels en geleideplaten blijft dicht bij loodrechte.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De invoering van de SNOX katalysator in de PLA vezels kunnen de vezels depolymeriseren bij een lagere temperatuur. Dit voorkomt de degradatie van de inbedding hars, in casu PDMS. Een aangepaste spil moet de behandelingsoplossing (figuur 5A) meng goed. De spil bestaat uit zes draagstangen rondom een centrale kern die hecht aan een mixer. De vezels zijn gewikkeld rond de steunstangen zodat het oppervlaktegebied van de verpakking vezels in contact met de katalytische oplossing werd gemaximaliseerd. De onderzijde van de as bevat een reeks messen chaos voeren. De chaos voorkomt de agglomeratie van de katalysator.
Een aangepaste spanning plaat wordt gebruikt om de parallelle set van vezels (figuur 5B) te creëren. Deze bestaat uit een raad met gitaar stemsleutels langs de randen van het bord. De afmetingen van het bord zijn onbelangrijk, zolang genoeg stemsleutels zijn present de spanning alle vezels in het patroon. De toevoeging van de draaipunten van de vezels is nuttig om de vezels te voorkomen buigen bij te grote hoek in de geleidingsplaat interface. Het meest uitdagende deel van de fabricage procedure waarschijnlijk het rijgen van de vezels voor grotere patronen. Het is belangrijk georganiseerd te blijven wanneer het inrijgen van de vezels, zorgen ervoor dat er voldoende ruimte in het inrijgen van de volgende vezels.
Voor patronen met microkanaal scheidingen onder 50 um, is het mogelijk om de geleidingsplaten breken. Zorg moet worden genomen in het verwijderen van overtollige katalysator uit de vezels als het teveel is vaak groter in diameter dan de plaat patroon gaten. Bij het verwijderen van de platen, moet PDMS die gelekt door de platen worden verwijderd als het extra spanning kan produceren op de platen wanneer ze worden verwijderd.
De gids platen werden vervaardigd met behulp van laser micromachining. Dit proces levert een geringe versmalling naar de hole van de plaat, waardoor een zijde een iets grotere opening dan de andere. Het is belangrijk om de kleinere opening gericht naar de vormbak hebben. Als het kleine uiteinde afgekeerd van het vormbak kan de verhoogde weerstand tijdens het verwijderen ook breken de plaat.
Het is mogelijk voor stekkers van PLA in de microkanalen blijven na langere evacuatie. Frequente oven en stofzuigen kan helpen verlichten deze. Resterende pluggen met chloroform verwijderd worden zolang de stekker van een korte lengte. Langere microvasculaire structuren kunnen ook helpen verminderen plug formaties vaak voorkomen naar de einden van een microkanaal. De extra lengte kan zorgen dat de stekker te worden afgesneden van het apparaat.
Dit fabricageproces is non lithografische en kan worden aangepast aan een verscheidenheid van bestaande productiemethoden. Het gebruik van een offer template maakt het maken van complexe driedimensionale microfluïdischeapparaten. Het afsluiten positionering van de microvasculaire patroon werd gebruikt voor het transport van gas tussen microkanalen in een gasdoorlatende matrix, maar het is niet de enige mogelijke toepassing. Met het intieme contact tussen de microkanalen, microfluïdische warmtewisseling in drie dimensies ook open op grote schaal gebruik van dit fabricageproces. Het is ook mogelijk om opzettelijk treden de microkanalen chemische reactiviteit te induceren. Deze vervaardigingswerkwijze termijn voor het creëren van biomimetische systemen en kan worden gebruikt als naast een verscheidenheid aan toepassingen zoals die die de natuurlijke microvasculaire systemen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
We hebben ingediend voor een voorlopige patent op deze technologie und US patent Amerikaanse voorlopige aanvraag serienummer 61/590, 086.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de AFOSR Young Investigator programma in het kader FA9550-12-1-0352 en een 3M Non-Zelfstandig Faculty Award. De auteurs willen graag Lalisa Stutts en Janine Tom bedanken voor nuttige discussie met betrekking tot dit project. De auteurs danken de Calit2 Microscopy Center en Laser Spectroscopy faciliteit aan de University of California, Irvine voor het toestaan van het gebruik van haar faciliteiten. Hodge Harland en de UCI Exacte Wetenschappen Machine Shop worden bedankt voor de fabricage van gereedschappen. Poly (melkzuur) zuur vezels werden genereus geleverd door Teijin Monofilament.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Reagent | |||
| Tin (II) oxalate | Sigma-Aldrich | 402761 | |
| Disperbyk 130 | BYK Additives Instruments | ||
| Trifluoroethanol | Halocarbon | ||
| Malachite Green (technical grade) | Sigma-Aldrich | M6880 | |
| Sodium hydroxide (≥98%, pellets) | Sigma-Aldrich | S5881 | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Corning | 3097358-1004 | Distributed from Ellsworth Adhesives |
| Poly(lactic) acid fibers | Teijin Monofilament | ||
| Material | |||
| RW 20 Digital Mixer | IKA | 3593001 | |
| Desiccator Jar | Pyrex | ||
| Vacuum Oven | Fisher Scientific | ||
| Third Hand | Jameco Electronics | 26690 | Plate holder |
| Glue Gun | Stanley | GR20L | |
| PLA Spindle | Custom made | ||
| Tensioning Board | Custom made | ||
References
- Bellan, L. M., Singh, S. P., Henderson, P. W., Porri, T. J., Craighead, H. G., Spector, J. A. Fabrication of an artificial 3-dimensional vascular network using sacrificial sugar structures. Soft Matter. 5 (7), 1354 (2009).
- Bellan, L. M., Strychalski, E. A., Craighead, H. G. Nano-channels fabricated in polydimethylsiloxane using sacrificial electrospun polyethylene oxide nanofibers. J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanometer Struct. Process. Meas. Phenom. 26 (5), 1728 (2008).
- Borenstein, J. T., Weinberg, E. J., Orrick, B. K., Sundback, C., Kaazempur-Mofrad, M. R., Vacanti, J. P.
- Wu, H., Odom, T. W., Chiu, D. T., Whitesides, G. M. Fabrication of complex three-dimensional microchannel systems in PDMS. J. Am. Chem. Soc. 125 (2), 554-559 (2003).
- Trask, R. S., Bond, I. P. Biomimetic self-healing of advanced composite structures using hollow glass fibres. Smart Mater. Struct. 15 (3), 704-710 (2006).
- Dong, H., Esser-Kahn, A. P., et al. Chemical treatment of poly(lactic acid) fibers to enhance the rate of thermal depolymerization. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 503-509 (2012).
- Esser-Kahn, A. P., Thakre, P. R., et al.
- White, S. R., Blaiszik, B. J., Kramer, S. L. B., Olugebefola, S. C., Moore, J. S., Sottos, N. R.
- Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. A three-dimensional microvascular gas exchange unit for carbon dioxide capture. Lab Chip. 12 (7), 1246 (2012).
- Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. The effect of membrane thickness on a microvascular gas exchange unit. Adv. Funct. Mater. , (2012).
