Summary
희생 구성 요소 (VASC) 프로세스의 증발은 미세 혈관 구조를 조작하는 데 사용됩니다. 이 절차는 레이저 미세 가이드 플레이트가 제공하는 정확한 3D 기하학적 위치와 중공 미세을 형성하는 희생 폴리 (젖산) 산 섬유를 사용합니다.
Abstract
자연 시스템의 혈관 구조는 높은 표면적과 최적화 된 구조를 통해 높은 대량 전송을 제공 할 수 있습니다. 몇 가지 합성 물질 제조 기술은 확장 성을 유지하면서 이러한 구조의 복잡성을 모방 할 수 있습니다. 희생 구성 요소 (VASC) 프로세스의 증발은 그렇게 할 수 있습니다. 이 과정은 매트릭스 내에 포함 된 중공 원통형 미세을 형성하는 템플릿으로 희생 섬유를 사용합니다. 주석 (II) 수산 (SnOx)는 폴리 (젖산)이 프로세스의 사용을 용이하게 산 (PLA) 섬유 내에 포함되어 있습니다. SnOx 낮은 온도에서 PLA 섬유의 해중합을 촉진. 젖산 단량체는이 온도에서 기체이며 행렬을 손상하지 않는 온도에서 내장 행렬에서 제거 할 수 있습니다. 여기에서 우리는 3 차원 배열 마이크로의 복잡한 패턴을 만들 미세 접시와 장력 장치를 사용하여 이러한 섬유를 정렬하는 방법을 보여줍니다.이 과정은 섬유의 거의 모든 배열의 탐사 토폴로지 구조를 할 수 있습니다.
Introduction
자연 시스템은 많은 생물학적 기능을 촉진하기 위해 광범위한 혈관 네트워크를 사용합니다. 대중 교통은 볼륨 비율 및 최적화 포장 구조 표면적으로 인해 이러한 시스템에서 효율적으로 달성 될 수있다. 많은 합성 제조 기술은 미세 혈관 구조를 생성 할 수 있지만 기존의 제조 방법 1-5 복잡성과 호환성을 유지하면서, 아무도 대규모 미세 혈관을 생성 할 수 없습니다. 이러한 조류 폐와 같은 구조는 영감을 제공합니다. 우리가 어떻게 대중 교통을 향상이 복잡한 구조를 조작합니까?
희생 구성 요소의 증발 (VASC)는 대규모의 복잡한 혈관 구조 6-7 생성 할 수 있습니다. 이 방법은 열 해중합과 폴리의 증발 제거 (젖산) 섬유 템플릿의 역이다 빈 채널을 형성하는 산 섬유를 사용합니다. 이 기존의 제조와 호환 희생 기술입니다방법. 미터 길이의 원통형 미세 패턴이 제조 공정을 이용하여 형성 될 수있다. 이 예 7-10자가 치유 고분자 및 3D 미세 혈관 탄소 포집 장치와 같은 혈관 장치를 만드는 데 사용할 수 있습니다.
탄소 포집 장치는 비행의 사용에 효율적인 가스 교환에 무게 비율 때문에 제공 조류 폐에 의해 영감을했다. parabronchus이 높은 가스 환율과 구조적으로 안정적인 가스 교환 장치를 제공 육각형 패턴 미세으로 구성되어 있습니다. 세 가지 차원에서 정렬 된 마이크로 기능과 함께 교환 단위를 생성하기 위해, 우리는 독립적 기타 튜너와 레이저 미세 가공 플레이트 맞춤 설계 장력 보드를 사용하여 섬유를 긴장하는 방법을 개발했다. 각각의 섬유는 외부 장력에 의해 장소에서 개최되고 패턴은 섬유가 실행되는 통해 플레이트에 구멍의 위치에 의해 설정됩니다.
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Protocol
1. 희생 섬유를 촉매
- 낮은 주위 폴리 (젖산) 산 섬유 ¾ 정의 스핀들의 원하는 금액을 래핑합니다. 최대 표면적 노출을 제공하기 위해 섬유 중복을 줄일 수 있습니다.
- 밀폐 된 병에 Disperbyk 130 40 ml의 탈 이온화 된 H 2 O를 혼합하고 균질 한 용액이 얻어 질 때까지 흔 듭니다. 그런 다음 37 ° C에서의 물을 욕조에 1,000 ml로 비커를 놓고 비커에 트리 플루오을 붓는다. 사용하는 H 2 O와 TFE의 양이 사용되는 PLA 섬유의 직경에 따라 달라집니다.
섬유 직경 H 2 O (ML)의 양 TFE의 양 (ML) 200 400 400 300 360 440 500 320 480 - 추가H 2 O / Disperbyk 187 비이커에 용액 균일 때까지 저어.
- 혼합물 녹색 공작석 1 g을 용해 될 때까지 저어.
- 비커 섬유 ½ 아래에서 인치로 정의 스핀들을 배치하고 디지털 믹서로 스핀들을 연결합니다. 그런 다음 400 rpm에서 디지털 믹서를 시작합니다.
- 천천히 혼합물에 주석 (II) 수산 (SnOx) 촉매 1.3 g을 추가합니다. SnOx의 추가 솔루션에서 충돌에서 물질의 큰 응집을 방지하기 위해 점진적으로해야합니다.
- pH가 ~ 6.8-7.2 될 때까지 수산화 나트륨을 사용하여 혼합물의 pH를 조정합니다.
- 비이커에 뚜껑을 확보하고 24 시간 동안 500 rpm까지 스핀들 회전을 증가시킨다. SnOx의 응집이 관찰되는 경우, 수동으로 처음 2 시간 내에 그것을 휴식.
- 35 ° C에서 하룻밤 오븐에 스핀들과 건조를 제거합니다.
- 촉매 PLA 섬유의 과잉 촉매를 풀고 제거합니다.
2. 미세 혈관 가스 ExchanGE의 단위 제조
- 클립 홀더에 원하는 미세 혈관 패턴 및 부착 플레이트 레이저 컷 황동 패턴 황동 플레이트의 쌍을 가져옵니다.
- 마이크로 당 촉매 섬유의 10 인치 길이를 잘라 섬유 직경 (그릴 플레이트)로 절단 두꺼운 판을 사용하여 모든 남아있는 촉매를 제거합니다.
- 천천히에 뜨거운 아교 총의 팁을 사용하여 테이퍼 섬유의 가장자리 섬유 팁을 돌출.
- 황동 패턴 플레이트 쌍 구멍을 일치를 통해 섬유 스레드.
- 성형 상자 위에 접시를 고정합니다. 번호판을 부착 할 때 섬유가 꼬여 있지 않은지 확인합니다.
- 문자열 조정을 통해 섬유 팁은 사용자 정의 장력 보드의 말뚝을 박는 다.
- 긴장 될 때까지 긴장 PLA 섬유를. 이상없는 긴장에주의하고 섬유 웁니다.
- 압축 공기를 사용하여 섬유 패턴에서 초과 미립자를 제거합니다.
- 10:1의 경화제, v를 혼합 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 기본 : V 비율. 10 분 데시 케이 항아리에 진공 탈 가스가 혼합.
- 형 상자에 PDMS 혼합물을 부어. 기포의 포획을 줄이기 위해 섬유에 직접 붓지 마십시오.
- 26 G 바늘을 사용하여, 성형 상자 내에서 또는 섬유 사이의 거품을 제거합니다.
- 30 분 동안 85 ° C에서 PDMS 혼합물을 치료.
- 번호판을 구부리거나 너무 세게 당기지 않도록주의하면서, 금형 상자에서 놋쇠 판을 풉니 다. 형 상자에서 치료 1 차 단계를 제거합니다.
- 피하 주사 바늘과 엔드 캡에 구멍을 천공하여 RTV의 엔드 캡을 통해 섬유 스레드. 섬유 크기에 따라 최소한의 섬유의 외경 내경 배가 바늘 게이지를 사용합니다. 황동 패턴 플레이트와 유사한 패턴을 유지하지만, 더 넓게 퍼져.
- 큰 형 상자의 끝으로 끝 캡을 고정하고 PDMS의 2 차 단계를 따르십시오.
- 남아있는 가스 거품을 제거하고30 분 동안 85 ° C에서 치료.
- PLA 섬유는 대부분 대피 한 24 시간 동안 ° C, 또는 때까지 210의 진공 오븐에서 샘플과 장소에서 초과 PLA 섬유를 잘라.
- 모든 PLA는 제거 할 수없는 경우, 부드럽게 클로로포름 1 mL를 주입하여 미세에서 녹입니다.
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Representative Results
이 절차는 수지 내에 포함 된 미세 혈관 구조를 제조하는 방법을 제공합니다. 이러한 구조는 다양한 패턴 (그림 2)을 준수 할 수 있습니다. 미세 혈관 네트워크의 구조는 희생 섬유 형성 할 수 구조에 의해 제한됩니다.
가스 투과성 채널 간 막을 통과로 미세 혈관 채널, 유체 흐름 사이의 가스 수송의 병렬 배열을 사용하는 것이 용이합니다. 이러한 장치는 리소그래피에 대한 필요성 (그림 3)없이 확장 가능한 방식으로 조작 할 수 있습니다. 형성된 미세 완전히 투명하며보다 50 μM로 구분 될 수있다.
누수와 플러그가 모두 마이크로 (그림 4) 내에 표시하는 것이 가능합니다. 플러그의 형성은 마이크로를 통해 어떤 유체의 흐름을 방지하고 수동으로 제거해야합니다. 채널 사이의 누설 승을 형성 할 수암탉 섬유는 철저하게 청소하고 장력이되지 않습니다.
그림 1. VASC 제조 공정 개요. 희생 PLA 섬유는 미세 가이드 판을 통해 스레드됩니다. 섬유는 병렬 배열을 만들 긴장 될 때까지 중독되어 있습니다. 섬유는 그 행렬에 포함되어 있습니다. 열 진공 후 기체 단량체로 섬유를 depolymerize하는 데 사용됩니다. 최종 결과는 섬유 한때 마이크로의 빈 집합입니다.
그림 2. 하나의 육각형 패턴 오의 샘플 패턴. (A) SEM 이미지F 200 ㎛ 및 300 μm의 직경 채널. 200 ㎛ 및 300 μm의 직경 마이크로의 육각형 포장 패턴 (B) 가이드 플레이트.
그림 3. 대표적인 가스 교환 장치. 장치의 중앙 부분은 200 ㎛ 및 300 μm의 직경 마이크로의 육각형 배열을 포함하고 있습니다. 차 구조가 퍼져 마이크로에보다 쉽게 액세스 할 수 있습니다. 마이크로는 시각적 명확성을 위해 블루와 오렌지 염료로로드됩니다.
그림 4. 담당자가 가스 교환 장치에 실패했습니다.
그림 5. 제조에 대한 사용자 지정 장치. (A) 사용자 정의 스핀들. 여섯 지원 막대는 중앙 코어를 둘러싸고 있습니다. PLA 섬유는 촉매 용액과의 접촉을 극대화하기 위해 지원 막대 주위에 래핑됩니다. 혼합 블레이드는 혼란 흐름을 소개하는 스핀들의 하단에 위치합니다. (B) 정의 장력 보드입니다. 기타 튜너는 긴장 PLA 섬유에 아크릴 판의 가장자리를 따라 배치됩니다. 피봇 포인트 있도록 위치가 그쪽으로T 섬유와 가이드 판 사이의 각도는 수직에 가까운 상태로 유지됩니다.
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Discussion
PLA 섬유에 SnOx 촉매의 도입은 섬유가 낮은 온도에서 depolymerize 할 수 있습니다. 이것은이 경우 PDMS에 임베딩 수지의 열화를 방지 할 수 있습니다. 사용자 정의 스핀들이 제대로 처리 솔루션 (그림 5A)를 혼합해야합니다. 스핀들은 디지털 믹서에 연결하는 중앙 코어를 둘러싸는 여섯 지원 봉으로 구성되어 있습니다. 섬유는 촉매 용액과 접촉하는 포장 섬유의 표면 영역을 최대화하도록 지원 막대 주위에 래핑됩니다. 스핀들의 바닥은 혼돈의 흐름을 소개하는 블레이드의 집합이 포함되어 있습니다. 혼돈의 흐름은 촉매의 응집을 방지 할 수 있습니다.
사용자 정의 장력 보드는 섬유 (그림 5B)의 병렬 집합을 만드는 데 사용됩니다. 이 보드의 가장자리를 따라 기타 튜닝 페그 보드로 구성되어 있습니다. 충분한 튜닝 페그가 prese만큼 보드의 치수만큼 중요하지긴장 패턴에 사용되는 섬유의 모든에 NT. 섬유의 피봇 포인트의 추가는 가이드 플레이트 인터페이스에서 각도가 너무 큰에 굽힘에서 섬유를 방지하기 위해 도움이됩니다. 제조 과정의 가장 어려운 부분은 가능성이 큰 패턴 섬유의 스레딩입니다. 그것은 충분한 공간이 다음 섬유를 스레딩에 있다는 것을 보장 섬유를 실을 때 조직 유지하는 것이 중요합니다.
50 μM 이하의 미세 분리와 패턴의 경우, 가이드 판을 깰 수 있습니다. 치료는 과잉 플레이트 패턴 구멍보다 지름이 자주 큰로 섬유 과잉 촉매를 제거하는주의해야합니다. 그들은 제거 될 때 판에 추가 스트레스를 생산할 수있는 판을 제거 할 때, 판을 통해 누출 된 PDMS도 제거해야합니다.
가이드 플레이트는 레이저 미세을 사용하여 제작 하였다. 이 과정은 호에 약간의 테이퍼를 생성다른 것보다 약간 큰 구멍을 가지고 한쪽의 결과로 판의 르. 그것은 형 상자 향하게 작은 구멍을 가지고하는 것이 중요합니다. 작은 끝이 떨어져 형 상자에서 직면하면 제거 프로세스 동안 저항 증가는 판을 깰 수 있습니다.
PLA의 플러그 피난의 긴 기간 후 미세에 남아하는 것이 가능합니다. 자주 오븐 진공 청소이를 완화 할 수 있습니다. 플러그 짧은 길이 그대로 남아 플러그는 오래 클로로포름으로 제거 할 수 있습니다. 더 이상 미세 혈관 구조는 또한 종종 마이크로의 끝을 향해 나타나는 플러그 형성을 줄일 수 있습니다. 여분의 길이는 플러그 장치에서 차단 될 수 있습니다.
이 제조 공정이 아닌 리소그래피이며, 기존의 제조 방법의 다양한 적용 할 수 있습니다. 희생 템플릿의 사용은 복잡한 입체 미세을 만들 수 있습니다장치. 미세 혈관 패턴의 근접 위치는 가스 투과 행렬의 마이크로 사이의 가스의 수송을 위해 사용하지만, 그것은 단지 잠재적 인 응용 프로그램이 아닙니다되었다. 마이크로 사이의 친밀한 접촉을 통해 세 가지 차원 미세 열 교환 또한 제조 공정을 사용하여 대규모로 접속할 수 있습니다. 이것은 의도적으로 화학 반응을 유도하는 미세 가입 할 수도 있습니다. 이 제조 과정은 생체 모방 시스템의 생성을 허용 천연 미세 혈관 시스템에 의해 수행하는 등 다양한 용도로 다양한 사용할 수 있습니다.
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Disclosures
우리는이 기술 싶게 미국 특허 미국 가출원 일련 번호 590분의 61, 086에 대한 임시 특허를 신청했다.
Acknowledgments
이 작품은 FA9550-12-1-0352와 3M 비 종신 교수 상 아래 AFOSR 젊은 조사자 프로그램에 의해 지원되었다. 저자는이 프로젝트에 관한 도움을 토론 Lalisa Stutts과 재닌 톰에게 감사의 말씀을 전합니다. 저자는 시설의 사용을 허용을 위해 캘리포니아 대학 어바인에 Calit2 현미경 센터 및 레이저 분광학 시설을 주셔서 감사합니다. 호지 할 랜드 및 UCI 물리 과학 기계 공장은 도구의 제작을 위해 확인됩니다. 폴리는 (유산균) 산 섬유는 넉넉한 테이 모노 필라멘트에 의해 제공되었다.
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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