Summary
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
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
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
1. Catalyzing Opferfasern
- Wickeln der gewünschten Menge an Poly (Milchsäure) säure Fasern um den unteren ¾ kundenspezifischer Spindel. Reduzieren Faser Überlappung, um die maximale Fläche Belichtung liefern.
- 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 - Hinzufügendie H 2 O / Disperbyk 187 Lösung in das Becherglas und rühren, bis es gleichmäßig.
- 1 g Malachitgrün auf die Mischung und rühren bis gelöst.
- 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.
- 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.
- Der pH-Wert in der Mischung mit NaOH bis pH ~ 6,8-7,2.
- 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.
- Entfernen Spindel und trocken im Ofen bei 35 ° C über Nacht.
- Packen und entfernen Sie überschüssiges Katalysators aus den katalysierten PLA-Fasern.
2. Microvascular Gas Exchange Einheit Fabrication
- Besorgen Sie sich ein Paar von Laser-Cut Messing Strukturierung Messingplatten mit dem gewünschten Muster mikrovaskulären und bringt die Platten auf Cliphalterungen.
- 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).
- Taper die Kanten der Fasern mit der Spitze einer Heißklebepistole langsam extrudieren Faserspitzen.
- Führen Sie die Fasern durch passende Löcher in den Messing Strukturierung Plattenpaaren.
- Schrauben Sie die Platten auf einen Formkasten. Stellen Sie sicher, dass die Fasern nicht verdreht, wenn die Befestigung der Platten.
- String die Faserspitzen durch die Stimmwirbeln des benutzerdefinierten Spannen Bord.
- Tension die PLA-Fasern bis straff. Seien Sie vorsichtig, nicht über-Spannung und reißen die Fasern.
- Entfernen Sie das überschüssige Partikel von der Faser Muster mit Druckluft.
- Mix Polydimethylsiloxan (PDMS)-Basis mit Härtungsmittel in einer 10:1, v: v-Verhältnis. Degas die Mischung unter Vakuum in einem Exsikkator jar für 10 min.
- Gießen Sie die PDMS Mischung in die Form ein. Nicht direkt übergießen die Fasern um das Einfangen von Luftblasen zu reduzieren.
- Mit einer 26 G Nadel, entfernen Sie alle Blasen innerhalb der Formkasten oder zwischen den Fasern.
- Cure die PDMS-Gemisch bei 85 ° C für 30 min.
- 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.
- 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.
- Befestigen Sie die Endkappen an den Enden eines größeren Formkasten und gießen Sie ein 2. Stufe der PDMS.
- Entfernen Sie alle verbleibenden Gasblasen undhärten bei 85 ° C für 30 min.
- 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.
- Wenn eine PLA nicht entfernt werden kann, leicht herauslösen der Mikrokanäle mit einer Injektion von 1 ml Chloroform.
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Representative Results
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 Kanälen. Diese Geräte können in einem skalierbaren Weise ohne die Notwendigkeit für Lithographie (3) hergestellt werden. Die Mikrokanäle gebildet sind vollkommen hohl und durch weniger als 50 um getrennt werden.
Es ist möglich, dass beide Lecks und Stecker in den Mikrokanälen (Abbildung 4) erscheinen. Die Bildung eines Pfropfens wird keine Flüssigkeit durch den Mikrokanal zu verhindern und müssen von Hand entfernt werden. Ein Leck zwischen den Kanälen bilden können when die Fasern nicht gründlich gereinigt und gespannt.
Abbildung 1. Vasc Herstellungsprozess Überblick. Sacrificial PLA-Fasern werden durch mikro-Leitbleche eingefädelt. Die Fasern werden bis sie gespannt, um eine parallele Anordnung erstellen aufgereiht. Die Fasern werden dann in einer Matrix eingebettet sind. Wärme und Vakuum werden dann verwendet, um die Fasern in gasförmigen Monomeren depolymerisiert. Das Endergebnis ist ein hohler Satz von Mikrokanälen, wo die Fasern einmal waren.
Abbildung 2. Beispiel Muster. (A) SEM-Aufnahme einer einzelnen sechseckigen Muster of 200 um und 300 um Durchmesser Kanäle. (B) Führungsplatte für eine hexagonal gepackten Muster von 200 um und 300 um Durchmesser Mikrokanäle.
Abbildung 3. Repräsentative Gasaustauscheinheit. Der zentrale Teil der Einheit enthält eine hexagonal Anordnung von 200 um und 300 um Durchmesser Mikrokanäle. Eine sekundäre Struktur breitet sich aus und ermöglicht einen leichteren Zugang zu den Mikrokanälen. Mikrokanäle sind mit blauen und orangen Farbstoff für visuelle Klarheit geladen.
Abbildung 4. Repräsentative gescheitert Gasaustauscheinheit.
Abbildung 5. Kundenspezifische Vorrichtungen für die Fertigung. (A) Individuelle Spindel. Sechs Abstützstangen um einen zentralen Kern. PLA-Fasern sind um die Tragstangen gewickelt, um Kontakt mit der katalytischen Lösung zu maximieren. Mischflügel an der Unterseite der Spindel positioniert ist, um chaotische Strömung einzuführen. (B) Individuelle Spannen Bord. Gitarre Tuner sind an den Rändern aus einem Acryl-Board zum Spannen der PLA-Fasern positioniert. Pivot-Punkte sind so positioniert, that der Winkel zwischen den Fasern und Führungsplatten verbleibt nahe senkrecht.
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Discussion
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 Lösung maximiert gewickelt wurde. Der Boden der Spindel enthalten eine Reihe von Schaufeln chaotische Strömung einzuführen. Die chaotische Strömung verhindert die Agglomeration des Katalysators.
Eine benutzerdefinierte Spann-Baugruppe verwendet wird, um die parallelen Satz von Fasern (5B) zu erstellen. Diese besteht aus einem Brett mit Gitarre Wirbel entlang der Kanten der Platte. Die Abmessungen der Platte sind unwichtig, solange genug Wirbel prese sindnt, um die Spannung aller Fasern in dem Muster verwendet. Die Zugabe der Drehpunkte für die Fasern ist hilfreich, um die Fasern von Biegen einer zu großen Winkel an der Führungsplatte Schnittstelle zu verhindern. Der schwierigste Teil des Herstellungsverfahrens ist wahrscheinlich das Einfädeln der Fasern für größere Muster. Es ist wichtig zu bleiben organisiert, beim Einfädeln die Fasern, um sicherzustellen, dass es gibt genügend Platz in Einfädeln der nächsten Faser.
Für Muster mit Mikrokanalstruktur Trennungen unter 50 um, ist es möglich, die Leitbleche brechen. Es muß bei der Beseitigung überschüssigen Katalysators von den Fasern als das überschüssige häufig größer im Durchmesser als die Platte Löcher Muster getroffen werden. Beim Entfernen der Platten muss PDMS, die durch die Platten gelangt ist auch entfernt werden, da sie eine zusätzliche Belastung der Platten herstellen kann, wenn sie entfernt werden kann.
Die Leitbleche wurden unter Verwendung Laser-Mikrobearbeitung. Dieses Verfahren erzeugt eine leichte Verjüngung der hole der Platte, was zu einer Seite mit einem etwas größeren Öffnung als die andere. Es ist wichtig, um die kleinere Öffnung zugewandten Formkasten haben. Wenn das kleinere Ende abgewandt Formkasten kann die erhöhte während der Abtrennung Verfahren brechen auch die Platte.
Es ist möglich, für Stecker von PLA in den Mikrokanälen nach längerer Evakuierung bleiben. Häufige Backofen und Staubsaugen können dazu beitragen, diese. Verbleibende Stecker können mit Chloroform so lange entfernt werden, da der Stecker ist aus einem kurzen Länge. Längere mikrovaskulären Strukturen kann auch dazu beitragen Stecker Formationen, wie sie erscheinen oft in Richtung der Enden eines Mikrokanals. Die zusätzliche Länge kann es dem Stecker von der Vorrichtung schneiden.
Dieses Herstellungsverfahren ist nicht lithographischen und kann auf eine Vielzahl von existierenden Herstellungsverfahren angepasst werden. Die Verwendung eines Opfertemplat ermöglicht die Erstellung von komplexen dreidimensionalen mikrofluidischenGeräte. Die enge Positionierung der mikrovaskulären Muster wurde für den Transport von Gas zwischen Mikrokanäle in einer gasdurchlässigen Matrix verwendet, aber es ist nicht die einzige mögliche Anwendung. Mit der innige Kontakt zwischen Mikrokanälen mikrofluidischen Wärmeaustausch in drei Dimensionen auch zugänglich wird in großem Maßstab unter Verwendung dieses Herstellungsverfahrens. Es ist ebenfalls möglich, absichtlich kommen Sie mit den Mikrokanälen durch chemische Reaktivität zu induzieren. Das Herstellungsverfahren für die Schaffung eines biomimetischen Systemen erlaubt und kann so weit von einer Vielzahl von Anwendungen wie die von natürlichen mikrovaskulären Systemen durchgeführt werden.
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Disclosures
Wir haben für eine vorläufige Patent auf diese Technologie und US-Patent US Provisional Application Serien Nr. 61/590, 086 eingereicht.
Acknowledgments
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.
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
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