Summary
एक बलि घटक (VaSC) प्रक्रिया के वाष्पीकरण माइक्रोवैस्कुलर संरचनाओं के निर्माण के लिए प्रयोग किया जाता है. यह प्रक्रिया लेजर micromachined गाइड प्लेट द्वारा प्रदान की सटीक 3 डी ज्यामितीय स्थिति के साथ खोखला microchannels के लिए फार्म बलि पाली (लैक्टिक) एसिड फाइबर का उपयोग करता है.
Abstract
प्राकृतिक प्रणालियों में संवहनी संरचनाओं उच्च सतह क्षेत्रों और अनुकूलित संरचना के माध्यम से उच्च जन परिवहन प्रदान करने में सक्षम हैं. कुछ सिंथेटिक सामग्री निर्माण तकनीक स्केलेबिलिटी बनाए रखते हुए इन संरचनाओं की जटिलता की नकल करने में सक्षम हैं. एक बलि घटक (VaSC) प्रक्रिया के वाष्पीकरण ऐसा करने में सक्षम है. इस प्रक्रिया में एक मैट्रिक्स के भीतर एम्बेडेड खोखला, बेलनाकार microchannels के लिए फार्म एक टेम्पलेट के रूप में बलि फाइबर का उपयोग करता है. टिन (द्वितीय) oxalate (SnOx) पाली (लैक्टिक) इस प्रक्रिया के उपयोग की सुविधा है, जो एसिड (पीएलए) फाइबर के भीतर एम्बेडेड है. SnOx कम तापमान पर पीएलए फाइबर की depolymerization catalyzes. लैक्टिक एसिड मोनोमर इन तापमान पर गैसीय हैं और मैट्रिक्स नुकसान नहीं है कि तापमान में एम्बेडेड मैट्रिक्स से हटाया जा सकता है. यहाँ हम तीन dimensionally arrayed microchannels की जटिल पैटर्न बनाने के लिए micromachined प्लेट और एक तनाव उपकरण का उपयोग कर इन तंतुओं aligning के लिए एक विधि दिखा.प्रक्रिया फाइबर के लगभग किसी भी व्यवस्था का अन्वेषण topologies और संरचनाओं की अनुमति देता है.
Introduction
प्राकृतिक प्रणालियों कई जैविक कार्यों की सुविधा के लिए व्यापक संवहनी नेटवर्क का उपयोग करें. जन परिवहन मात्रा अनुपात और अनुकूलित पैकिंग संरचनाओं को उच्च सतह क्षेत्र की वजह से इस तरह की व्यवस्था में कुशलता से प्राप्त किया जा सकता है. कई कृत्रिम निर्माण तकनीक माइक्रोवैस्कुलर संरचनाओं उत्पादन कर सकते हैं, जबकि मौजूदा निर्माण विधियों 1-5 से जटिलता और संगतता बनाए रखते हुए, कोई भी बड़े पैमाने पर microvasculature उत्पादन कर सकते हैं. ऐसे एवियन फेफड़ों के रूप में संरचनाएं एक प्रेरणा प्रदान करते हैं. कैसे हम बड़े पैमाने पर परिवहन को बढ़ाने के लिए इस जटिलता की संरचनाओं को बनाना है?
एक बलि घटक के वाष्पीकरण (VaSC) बड़े पैमाने पर, जटिल माइक्रोवैस्कुलर संरचनाओं 6-7 उत्पादन कर सकते हैं. इस विधि थर्मल depolymerization और पाली की बाष्पीकरणीय हटाने (लैक्टिक) फाइबर टेम्पलेट के प्रतिलोम हैं कि खोखले चैनलों के लिए फार्म एसिड फाइबर का उपयोग करता है. यह मौजूदा विनिर्माण के साथ संगत एक बलि तकनीक हैतरीकों. मीटर लंबा, बेलनाकार microchannel के पैटर्न इस निर्माण की प्रक्रिया का उपयोग का गठन किया जा सकता है. इस तरह के 7-10 आत्म चिकित्सा पॉलिमर और 3 डी माइक्रोवैस्कुलर कार्बन कब्जा इकाइयों के रूप में vascularized उपकरणों को बनाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.
कार्बन कब्जा इकाइयों उड़ान में इसके उपयोग के लिए एक कुशल गैस विनिमय के लिए वजन अनुपात के कारण प्रदान करता है कि एवियन फेफड़ों से प्रेरित थे. parabronchus उच्च गैस विनिमय दरों और संरचनात्मक रूप से स्थिर गैस विनिमय इकाइयों प्रदान करता है जो hexagonally नमूनों microchannels है, से बना है. तीन आयामों में गठबंधन microscale सुविधाओं के साथ विनिमय इकाइयों बनाने के क्रम में, हम स्वतंत्र रूप से गिटार ट्यूनर और लेजर micromachined प्लेटों के साथ एक कस्टम डिजाइन तनाव बोर्ड का उपयोग फाइबर तनाव की एक विधि विकसित की है. प्रत्येक फाइबर बाहरी तनाव द्वारा जगह में आयोजित किया जाता है और पैटर्न फाइबर चलाने के माध्यम से जो थाली में छेद के स्थान के द्वारा निर्धारित है.
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Protocol
1. बलि फाइबर उत्प्रेरित
- कम आसपास पाली (लैक्टिक) एसिड फाइबर ¾ अनुकूलित धुरी के के वांछित राशि लपेटें. अधिकतम सतह क्षेत्र ऋण उपलब्ध कराने के लिए फाइबर ओवरलैप कम करें.
- एक बंद बोतल में Disperbyk 130 में से 40 मिलीलीटर के साथ विआयनीकृत एच 2 ओ मिक्स और एक समरूप समाधान प्राप्त किया जाता है जब तक हिला. फिर 37 डिग्री सेल्सियस पर एक नहाने के पानी में एक 1000 मिलीलीटर बीकर जगह और बीकर में Trifluoroethanol डालना. उपयोग करने के लिए एच 2 हे और TFE की राशि का उपयोग किया पीएलए फाइबर व्यास पर निर्भर करता है.
फाइबर व्यास एच 2 ओ (एमएल) की राशि TFE की राशि (एमएल) 200 400 400 300 360 440 500 320 480 - जोड़नाएच 2 ओ / Disperbyk 187 बीकर का हल और वर्दी तक हलचल.
- मिश्रण करने के लिए ग्रीन मैलाकाइट का 1 ग्राम जोड़ें और जब तक भंग हलचल.
- बीकर में फाइबर साढ़े नीचे से इंच के साथ कस्टम धुरी प्लेस और एक डिजिटल मिश्रक करने के लिए धुरी देते हैं. फिर 400 rpm पर डिजिटल मिक्सर शुरू.
- धीरे धीरे मिश्रण करने के लिए टिन (द्वितीय) oxalate (SnOx) उत्प्रेरक की 1.3 ग्राम जोड़ें. SnOx के अलावा के समाधान के बाहर दुर्घटनाग्रस्त होने से माल की बड़ी agglomerations को रोकने के क्रम में क्रमिक होना चाहिए.
- पीएच ~ 6.8-7.2 है जब तक NaOH का उपयोग कर मिश्रण में पीएच को समायोजित करें.
- बीकर एक ढक्कन सुरक्षित है और 24 घंटे के लिए 500 rpm के लिए धुरी रोटेशन वृद्धि हुई है. SnOx के एक ढेर में मनाया जाता है, तो मैन्युअल पहले 2 घंटे के भीतर यह टूट गया.
- 35 डिग्री सेल्सियस रातोंरात पर ओवन में धुरी और सूखी निकालें.
- उत्प्रेरित पीएलए फाइबर से अधिक उत्प्रेरक खोलना और निकालें.
2. माईक्रवैस्कुलर गैस Exchanजीई यूनिट निर्माण
- क्लिप धारकों पर वांछित माइक्रोवैस्कुलर पैटर्न और प्रत्यय प्लेटों के साथ लेजर कट पीतल patterning के पीतल प्लेटों की एक जोड़ी प्राप्त करते हैं.
- Microchannel के प्रति उत्प्रेरित फाइबर की एक 10 इंच की लंबाई में कटौती और फाइबर व्यास (ड्रा थाली) में कटौती करने के लिए एक मोटा प्लेट का उपयोग कर किसी भी शेष उत्प्रेरक हटा दें.
- धीरे धीरे करने के लिए एक गर्म गोंद बंदूक की नोक का उपयोग करके टेपर फाइबर के किनारों फाइबर सुझावों बाहर निकालना.
- पीतल patterning की थाली जोड़े में छेद मिलान के माध्यम से फाइबर थ्रेड.
- एक मोल्डिंग बॉक्स पर प्लेटें भाड़ में. प्लेट संलग्न जब फाइबर नहीं मुड़ रहे हैं सुनिश्चित करें.
- स्ट्रिंग ट्यूनिंग के माध्यम से फाइबर सुझावों कस्टम कसने बोर्ड के खूंटे.
- तना हुआ जब तक तनाव पीएलए फाइबर. नहीं खत्म-तनाव के लिए सावधान रहें और फाइबर तस्वीर.
- संपीड़ित हवा का उपयोग फाइबर पैटर्न से अतिरिक्त कण निकालें.
- एक 10:1 में इलाज एजेंट, वी के साथ मिक्स polydimethylsiloxane (PDMS) आधार: वी के अनुपात. 10 मिनट के लिए एक desiccator जार में वैक्यूम के अंतर्गत देगास मिश्रण.
- मोल्ड बॉक्स में PDMS मिश्रण डालो. हवा के बुलबुले के फँसाने को कम करने के क्रम में फाइबर पर सीधे डाल देना नहीं है.
- एक 26 जी सुई का प्रयोग, ढलाई बॉक्स के भीतर या फाइबर के बीच किसी भी बुलबुले को दूर.
- 30 मिनट के लिए 85 डिग्री सेल्सियस पर PDMS मिश्रण इलाज.
- प्लेट मोड़ या बहुत मुश्किल खींचने के लिए नहीं सुनिश्चित करने, मिट्टी बॉक्स से पीतल प्लेटों विलंब करना. मोल्ड बॉक्स से ठीक 1 सेंट चरण निकालें.
- एक चमड़े के नीचे सुई के साथ अंत टोपी में छेद puncturing द्वारा एक RTV अंत टोपी के माध्यम से फाइबर थ्रेड. फाइबर आकार पर निर्भर करता है, कम से कम अपने फाइबर के बाहरी व्यास के भीतरी व्यास 2x है कि एक सुई गेज का उपयोग करें. पीतल patterning की थाली के रूप में एक समान पैटर्न बनाए रखें, लेकिन और अधिक व्यापक रूप से बाहर फैल गया.
- एक बड़ा मोल्ड बॉक्स के छोर तक अंत टोपियां जकड़ना और PDMS की एक 2 चरण डालना.
- किसी भी शेष गैस बुलबुले निकालें और30 मिनट के लिए 85 डिग्री सेल्सियस पर इलाज.
- पीएलए फाइबर ज्यादातर खाली करा दिया गया है 24 घंटे के लिए डिग्री सेल्सियस, या जब तक 210 में एक निर्वात ओवन में नमूना और जगह से किसी भी अतिरिक्त पीएलए फाइबर कट.
- किसी भी पीएलए से हटाया नहीं जा सकता है, तो धीरे क्लोरोफॉर्म के 1 मिलीग्राम के इंजेक्शन का उपयोग कर microchannels के बाहर भंग.
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Representative Results
यह प्रक्रिया एक राल भीतर एम्बेडेड माइक्रोवैस्कुलर संरचनाओं fabricating का एक तरीका प्रदान करता है. इन संरचनाओं पैटर्न के एक किस्म (चित्रा 2) के अनुरूप कर सकते हैं. microvascular नेटवर्क की संरचना ही बलि फाइबर के साथ गठित किया जा सकता है कि संरचनाओं द्वारा सीमित है.
गैसों एक पारगम्य अंतर - चैनल झिल्ली पार रूप माइक्रोवैस्कुलर चैनलों, द्रव धाराओं के बीच गैस परिवहन की एक समानांतर व्यवस्था का उपयोग कर मदद की है. इन उपकरणों लिथोग्राफी के लिए की जरूरत है (चित्रा 3) के बिना एक स्केलेबल ढंग से निर्मित किया जा सकता है. गठन microchannels के पूरी तरह से खोखला कर रहे हैं और कम से कम 50 माइक्रोन से अलग किया जा सकता है.
लीक और प्लग दोनों microchannels (चित्रा 4) के भीतर प्रदर्शित करने के लिए यह संभव है. एक प्लग के गठन microchannel के माध्यम से किसी भी द्रव का प्रवाह रोकने और मैन्युअल रूप से हटा दिया जाना चाहिए. चैनलों के बीच एक रिसाव डब्ल्यू फार्म कर सकते हैंमुर्गी फाइबर अच्छी तरह से साफ और tensioned नहीं कर रहे हैं.
चित्रा 1. VaSC निर्माण की प्रक्रिया सिंहावलोकन. बलि पीएलए फाइबर micromachined गाइड प्लेट के माध्यम से पिरोया जाता है. फाइबर एक समानांतर व्यवस्था बनाने के लिए तना हुआ जब तक महसूस कर रहे हैं. फाइबर तो एक मैट्रिक्स के भीतर एम्बेडेड रहे हैं. गर्मी और वैक्यूम फिर गैसीय मोनोमर्स में फाइबर depolymerize के लिए उपयोग किया जाता है. अंतिम परिणाम फाइबर एक बार थे जहां microchannels की एक खोखले सेट है.
चित्रा 2. एक ही पैटर्न हेक्सागोनल ओ का नमूना पैटर्न. (ए) SEM छविच 200 मीटर और 300 मीटर व्यास चैनलों. 200 मीटर और 300 मीटर व्यास microchannels की एक hexagonally पैक पैटर्न के लिए (बी) गाइड प्लेट.
चित्रा 3. प्रतिनिधि गैस विनिमय इकाई. इकाई के मध्य भाग में 200 माइक्रोन और 300 माइक्रोन व्यास microchannels की एक hexagonally व्यवस्था शामिल है. एक माध्यमिक संरचना बाहर फैलता है और microchannels के लिए आसान पहुँच के लिए अनुमति देता है. Microchannels दृश्य स्पष्टता के लिए नीले और नारंगी रंग के साथ लोड कर रहे हैं.
4 चित्रा. प्रतिनिधि गैस विनिमय इकाई में विफल रहा है.
चित्रा 5. निर्माण के लिए कस्टम उपकरणों. (ए) कस्टम धुरी. छह समर्थन छड़ एक केंद्रीय कोर के चारों ओर. पीएलए फाइबर उत्प्रेरक समाधान के साथ संपर्क को अधिकतम करने के लिए समर्थन की छड़ के चारों ओर लपेटा जाता है. एक मिश्रण ब्लेड अराजक प्रवाह शुरू करने की धुरी के तल पर तैनात है. (बी) कस्टम कसने बोर्ड. गिटार ट्यूनर तनाव पीएलए तंतुओं को एक ऐक्रेलिक बोर्ड के किनारों के साथ तैनात हैं. धुरी अंक तो तैनात हैं थाटी फाइबर और गाइड प्लेटों के बीच कोण सीधा के करीब बनी हुई है.
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Discussion
पीएलए तंतुओं में SnOx उत्प्रेरक का परिचय फाइबर एक कम तापमान पर depolymerize करने की अनुमति देता है. यह इस मामले PDMS में, एम्बेडिंग राल के क्षरण को रोकता है. एक कस्टम धुरी ठीक से उपचार समाधान (चित्रा 5A) मिश्रण करने के लिए आवश्यक है. धुरी एक डिजिटल मिक्सर को देता है जो एक केंद्रीय कोर आसपास के छह समर्थन छड़ से बना है. फाइबर उत्प्रेरक समाधान के साथ संपर्क में लपेटकर फाइबर की सतह क्षेत्र को बड़ा किया गया था ताकि समर्थन छड़ के चारों ओर लपेटा जाता है. धुरी के नीचे अराजक प्रवाह शुरू करने की ब्लेड का एक सेट होता है. अराजक प्रवाह उत्प्रेरक के ढेर से बचाता है.
एक कस्टम कसने बोर्ड फाइबर (चित्रा 5 ब) के समानांतर सेट बनाने के लिए प्रयोग किया जाता है. इस बोर्ड के किनारों के साथ गिटार ट्यूनिंग खूंटे के साथ एक बोर्ड के होते हैं. पर्याप्त ट्यूनिंग खूंटे prese के रूप में बोर्ड के आयाम तक कि महत्वहीन हैंतनाव पैटर्न में इस्तेमाल किया फाइबर के सभी को NT के. फाइबर के लिए धुरी अंक के अलावा गाइड प्लेट इंटरफेस में एक कोण से भी बड़े पैमाने पर झुकने से फाइबर को रोकने में सहायक होता है. निर्माण प्रक्रिया का सबसे चुनौतीपूर्ण हिस्सा संभावना बड़ा पैटर्न के लिए फाइबर की सूत्रण है. यह पर्याप्त स्थान के बगल में फाइबर सूत्रण में वहाँ है कि यह सुनिश्चित करने, फाइबर सूत्रण जब संगठित रहने के लिए महत्वपूर्ण है.
50 माइक्रोन के तहत microchannel के विभाजन के साथ पैटर्न के लिए, यह गाइड प्लेटों को तोड़ने के लिए संभव है. केयर अतिरिक्त थाली पैटर्न छेद व्यास की तुलना में अक्सर बड़ा है के रूप में फाइबर से अधिक उत्प्रेरक को हटाने में लिया जाना चाहिए. वे निकाल रहे हैं जब यह प्लेट पर अतिरिक्त तनाव पैदा कर सकते हैं के रूप में प्लेटें हटाने पर, प्लेटों के माध्यम से लीक किया गया है कि PDMS भी हटाया जाना चाहिए.
गाइड प्लेट लेजर micromachining गढ़े का उपयोग कर रहे थे. इस प्रक्रिया हो के लिए एक मामूली घटना का उत्पादनअन्य की तुलना में थोड़ा बड़ा उद्घाटन होने के एक पक्ष में जिसके परिणामस्वरूप प्लेट के ले. यह मोल्ड बॉक्स की ओर का सामना करना पड़ छोटे उद्घाटन होना बहुत जरूरी है. छोटे अंत दूर ढालना बॉक्स से चेहरे हैं, तो हटाने की प्रक्रिया के दौरान वृद्धि हुई प्रतिरोध भी प्लेट तोड़ सकते हैं.
पीएलए के प्लग निकासी की लंबी अवधि के बाद microchannels में बने रहने के लिए यह संभव है. लगातार ओवन और वैक्यूम सफाई इस कम करने में मदद कर सकते हैं. प्लग एक कम लंबाई की है के रूप में शेष प्लग जब तक क्लोरोफॉर्म के साथ हटाया जा सकता है. लंबा माइक्रोवैस्कुलर संरचनाओं भी वे अक्सर एक microchannel की छोर की ओर दिखाई के रूप में प्लग संरचनाओं को कम कर सकते हैं. अतिरिक्त लंबाई प्लग डिवाइस से कट जाने की अनुमति दे सकते हैं.
इस निर्माण की प्रक्रिया गैर lithographic है और मौजूदा निर्माण के तरीकों की एक किस्म के लिए अनुकूलित किया जा सकता है. एक बलि टेम्पलेट का उपयोग जटिल तीन आयामी microfluidic के निर्माण के लिए अनुमति देता हैउपकरणों. माइक्रोवैस्कुलर पैटर्न के करीब स्थिति एक गैस पारगम्य मैट्रिक्स में microchannels के बीच गैस के परिवहन के लिए इस्तेमाल किया, लेकिन यह केवल संभावित आवेदन नहीं किया गया था. Microchannels के बीच घनिष्ठ संपर्क के साथ, तीन आयामों में microfluidic गर्मी मुद्रा भी इस निर्माण प्रक्रिया का उपयोग कर एक बड़े पैमाने पर सुलभ हो जाता है. यह जानबूझ रासायनिक प्रेरित करने के लिए microchannels के शामिल होने के लिए भी संभव है. इस निर्माण की प्रक्रिया biomimetic प्रणालियों के निर्माण के लिए अनुमति दी और प्राकृतिक माइक्रोवैस्कुलर सिस्टम द्वारा निष्पादित उन के रूप में आवेदनों की एक किस्म के रूप में व्यापक के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.
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Disclosures
हम इस तकनीक अंड अमेरिका पेटेंट अमेरिका अनंतिम आवेदन सीरियल नंबर 61/590, 086 पर एक अनंतिम पेटेंट के लिए दायर की है.
Acknowledgments
इस काम FA9550-12-1-0352 और एक 3M गैर tenured संकाय पुरस्कार के तहत AFOSR युवा अन्वेषक कार्यक्रम द्वारा समर्थित किया गया था. लेखक इस परियोजना से संबंधित उपयोगी चर्चा के लिए Lalisa Stutts और जैनी टॉम धन्यवाद देना चाहूंगा. लेखकों को अपनी सुविधाओं के उपयोग की अनुमति के लिए कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, इरविन के Calit2 माइक्रोस्कोपी सेंटर और लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी सुविधा धन्यवाद. हॉज Harland और यूसीआई शारीरिक विज्ञान मशीन शॉप उपकरणों के निर्माण के लिए स्वीकार कर रहे हैं. पाली (लैक्टिक) एसिड फाइबर उदारता Teijin monofilament द्वारा प्रदान किया गया.
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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