Summary
A vaporização de um processo de componentes sacrificial (Vasc) é usado para o fabrico de estruturas microvasculares. Este procedimento utiliza fibras de poli (ácido láctico sacrificiais) para formar microcanais oco com posicionamento preciso geométrica 3D fornecido por placas de guia de microfabricação laser.
Abstract
Estruturas vasculares em sistemas naturais são capazes de oferecer transporte de alta massa através de áreas de superfície e estrutura otimizada. Algumas técnicas de fabricação de materiais sintéticos são capazes de imitar a complexidade destas estruturas, mantendo escalabilidade. A vaporização de um processo de componentes sacrificial (Vasc) é capaz de fazê-lo. Este processo utiliza fibras sacrificiais como um modelo, para formar, cilíndricos ocos microcanais incorporados dentro de uma matriz. Estanho (II), oxalato de (snox) é incorporado dentro de poli (ácido láctico), ácido (PLA) fibras que facilitam a utilização do presente processo. O snox catalisa a despolimerização das fibras de PLA, a temperaturas mais baixas. Os monómeros de ácido láctico são gasosos a estas temperaturas e pode ser removido da matriz de incorporado a temperaturas que não danifiquem a matriz. Aqui nós mostramos um método para alinhar estas fibras usando placas de microfabricação e um dispositivo de tensionamento para criar padrões complexos de tridimensionalmente microcanais dispostos.O processo permite a exploração de virtualmente todo o arranjo de fibra topologias e estruturas.
Introduction
Sistemas naturais utilizar redes vasculares extensivas para facilitar muitas funções biológicas. O transporte de massa pode ser alcançada de forma eficiente em tais sistemas, devido à área de superfície elevada para razões de volume e de estruturas de embalagem optimizadas. Embora várias técnicas de fabricação sintéticos podem produzir estruturas microvasculares, ninguém pode produzir microvasculatura grande escala, mantendo a complexidade e a compatibilidade com os métodos de fabrico existentes para 1-5. Estruturas tais como o pulmão aviária proporcionar uma inspiração. Como é que vamos fabricar estruturas desta complexidade para melhorar o transporte de massa?
A vaporização de um componente sacrificial (Vasc) pode produzir estruturas microvasculares em larga escala, complexos 6-7. Este método utiliza a despolimerização térmica e eliminação por evaporação do poli (ácido láctico), fibras de ácido para formar canais ocos que são o inverso do modelo de fibra. Esta é uma técnica de sacrifício compatível com fabrico existentemétodos. Metro de comprimento, padrões de microcanais cilíndricas pode ser formada usando o processo de fabricação. Isto pode ser usado para criar dispositivos vascularizados, tais como polímeros de auto-cura e 3D unidades de captura de carbono microvasculares 7-10.
As unidades de captura de carbono foram inspirados pelo pulmão aviária que fornece um eficiente gás troca-peso proporção devido ao seu uso durante o vôo. O parabronchus é composto de microcanais hexagonal padronizados, o que proporciona alta taxas de gás e unidades de troca gasosa estruturalmente estáveis. A fim de criar taxas de unidades com características microescala alinhados em três dimensões, foi desenvolvido um método de tensionamento independentemente fibras usando uma placa de tensão projetado personalizado com sintonizadores de violão e placas laser microfabricação. Cada fibra é mantida no lugar por tensão externa e o padrão é estabelecido pela colocação de orifícios na placa por meio do qual as fibras são executados.
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Protocol
1. Catalisando Fibers sacrificiais
- Enrole a quantidade desejada de poli (ácido láctico) fibras de ácido ao redor do menor ¾ do eixo personalizado. Reduzir a sobreposição de fibras para proporcionar o máximo de área de superfície de exposição.
- Misturar desionizada H2O, com 40 ml de Disperbyk 130 em um frasco fechado e agitar até que uma solução homogénea é obtida. Em seguida, colocar um copo de 1000 ml no banho de água a 37 ° C e verter trifluoroetanol para o copo. A quantidade de H 2 O e TFE a utilizar depende do diâmetro das fibras de PLA utilizado.
Diâmetro da Fibra Quantidade de H 2 O (mL) Valor da TFE (ml) 200 400 400 300 360 440 500 320 480 - Adicionaro 2 O / Disperbyk 187 solução de H para o copo e agita-se até ficar uniforme.
- Adicionar 1 g de malaquite verde à mistura e agita-se até à dissolução.
- Colocar o fuso costume com fibras no copo ½ polegada a partir do fundo e anexar o eixo para um misturador digital. Em seguida, iniciar o mixer digital a 400 rpm.
- Lentamente, adicionar 1,3 g de estanho (II), oxalato de catalisador (snox) à mistura. A adição de snox deve ser gradual, a fim de evitar grandes aglomerações de material de cair para fora da solução.
- Ajustar o pH da mistura com NaOH até o pH é de aproximadamente 6,8-7,2.
- Assegurar uma tampa para o copo e aumentar a rotação do eixo de 500 rpm durante 24 horas. Se uma aglomeração de snox é observada, quebrá-lo manualmente dentro das primeiras 2 horas.
- Remover fuso e seco no forno a 35 ° C durante a noite.
- Retire e remover o excesso de catalisador a partir das fibras de PLA catalisadas.
2. Microvascular Gas Exchange Fabrication Unit
- Obter um par de placas de latão de bronze padronização de corte a laser com o padrão microvascular desejado e fixar as placas em suportes clipe.
- Corte um pedaço de 10 polegadas de fibra catalisada por microcanais e remover qualquer catalisador restante usando uma placa espessa cortar o diâmetro da fibra (placa de empate).
- Conicidade das extremidades das fibras, utilizando a ponta de uma pistola de cola quente lentamente extrudir as pontas das fibras.
- Passe as fibras através de orifícios correspondentes nos pares de placas padronização de bronze.
- Parafuso as placas em uma caixa de moldagem. Certifique-se que as fibras não são torcidos quando colocar as placas.
- Barbante as pontas de fibra através da cravelhas do conselho de tensionamento personalizado.
- Tensão das fibras de PLA até tenso. Tenha cuidado para não sobre-tensão e encaixe as fibras.
- Remover o excesso de partículas a partir do padrão de fibras utilizando ar comprimido.
- Mix base de polidimetilsiloxano (PDMS) com agente de cura em um 10:1, v: relação v. Desgaseifica-se a mistura sob vácuo num exsicador frasco durante 10 minutos.
- Despeje a mistura PDMS na caixa do molde. Não verter directamente sobre as fibras, a fim de reduzir o aprisionamento de bolhas de ar.
- Usando uma agulha de 26 G, remover quaisquer bolhas de dentro da caixa de moldagem, ou entre as fibras.
- Curar a mistura de PDMS a 85 ° C durante 30 min.
- Solte as placas de latão da caixa do molde, certificando-se de não dobrar as placas ou puxar com muita força. Retire a 1 ª etapa curado de caixa do molde.
- Passe as fibras através de um fim-cap RTV por punção buracos no-cap final com uma agulha hipodérmica. Dependendo do tamanho da fibra, utilizar um indicador de agulha que tem, pelo menos, 2 vezes o diâmetro interior do diâmetro exterior da sua fibra. Manter um padrão semelhante ao da placa de padronização de bronze, mas mais amplamente espalhados.
- Aperte o fim-caps para as extremidades de uma caixa de molde maior e despeje a 2 ª etapa do PDMS.
- Remova todas as bolhas de gás remanescentes ecurar a 85 ° C durante 30 min.
- Cortar as fibras de PLA em excesso a partir da amostra e colocar num forno de vácuo a 210 ° C durante 24 horas, ou até que as fibras de PLA têm sido principalmente evacuado.
- Se qualquer PLA não pode ser removida, se dissolvem suavemente para fora dos microcanais, utilizando uma injecção de 1 ml de clorofórmio.
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Representative Results
Este procedimento fornece um método de fabrico de estruturas microvasculares embutidas dentro de uma resina. Estas estruturas podem estar de acordo com uma variedade de padrões (Figura 2). A estrutura da rede microvascular é limitada apenas pelas estruturas que podem ser formadas com as fibras sacrificiais.
Usando um arranjo paralelo de canais microvasculares, de transporte de gás entre fluxos de fluidos é facilitado como gases atravessam a membrana inter-canal permeável. Estes dispositivos podem ser fabricados de uma maneira sem a necessidade de adaptar para litografia (Figura 3). Os microcanais são formados completamente oca e pode ser separada por menos de 50 um.
É possível que ambos os vazamentos e tampões para aparecer dentro dos microcanais (Figura 4). A formação de um tampão irá evitar qualquer fluxo de fluido através do microcanal e devem ser removidos manualmente. Um vazamento entre os canais podem formar wuando as fibras não são cuidadosamente limpos e tensionada.
Figura 1. Vasc visão geral do processo de fabricação. Fibras de PLA sacrificiais são segmentadas através de placas de guia de microfabricação. As fibras são amarrados até tenso para criar um arranjo paralelo. As fibras são então incorporados dentro de uma matriz. O calor eo vácuo são então utilizados para despolimerizar as fibras em monómeros gasosos. O resultado final é um conjunto vazio de microcanais onde as fibras uma vez.
Figura 2. Padrões de amostra. (A) imagem SEM de um único padrão hexagonal of 200 um e 300 um de diâmetro canais. (B) placa de guia para um padrão hexagonal embalado de 200 mM e 300 microcanais um de diâmetro.
Figura 3. Representativas unidade de permuta de gás. A porção central da unidade contém um arranjo hexagonal de 200 um e 300 um de diâmetro de microcanais. A estrutura secundária espalha-se e permite um acesso mais fácil para os microcanais. Microcanais são carregados com corante azul e laranja para maior clareza visual.
Figura 4. Representante falhou unidade de troca gasosa.
Figura 5. Dispositivos personalizados para fabricação. (A) do eixo personalizado. Seis hastes de apoio rodeiam um núcleo central. Fibras de PLA são enrolados em torno de hastes de apoio para maximizar o contacto com a solução de catalisador. Uma lâmina de mistura é posicionada na parte inferior da haste para introduzir o fluxo caótico. (B) placa de tensão personalizada. Guitarra tuners estão posicionados ao longo das bordas de uma placa de acrílico para a tensão das fibras de PLA. Os pontos do pivô são posicionados de modo that o ângulo entre as fibras e placas de guia mantém-se próximo à perpendicular.
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Discussion
A introdução do catalisador para o snox fibras de PLA permite que as fibras para despolimerizar a uma temperatura inferior. Isto evita a degradação da resina de incorporação, neste caso, o PDMS. Um fuso de costume é necessário para misturar adequadamente a solução de tratamento (Figura 5A). O eixo é composto de seis hastes de apoio em torno de um núcleo central, que atribui a um mixer digital. As fibras são enrolados em torno das hastes de suporte de modo que a área de superfície das fibras de embalagem, em contacto com a solução de catalisador foi maximizada. A parte inferior do eixo continha um conjunto de lâminas para introduzir o fluxo caótico. O fluxo caótico impede a aglomeração do catalisador.
Uma placa de tensionamento personalizado é usado para criar o conjunto de fibras paralelas (Figura 5B). Este é constituído por uma placa com guitarra cravelhas ao longo das bordas da placa. As dimensões do quadro não são importantes, desde que cravelhas são suficientes present tensão todas as fibras utilizadas no padrão. A adição de pontos de articulação para as fibras é útil para impedir que as fibras se dobrem em muito grande de um ângulo na interface da placa guia. A parte mais difícil do processo de fabricação é provável que o encadeamento das fibras para os padrões maiores. É importante manter-se organizado, quando enfiar as fibras, garantindo que há um amplo espaço em enfiar a próxima fibra.
Para padrões com separações de microcanais com menos de 50 um, é possível romper as placas guia. Deve ser tomado cuidado na remoção do excesso de catalisador com as fibras como o excesso é geralmente maior em diâmetro do que os orifícios da placa padrão. Ao retirar as placas, o PDMS que tem vazado através das placas deve também ser removida, se pode produzir tensão adicional sobre as placas, quando elas são removidas.
As placas de guia foram confeccionadas micromachining laser. Este processo produz uma ligeira conicidade ao hole da chapa, o que resulta em um lado com uma abertura ligeiramente maior do que o outro. É importante ter a menor abertura da caixa voltada para o molde. Se a extremidade menor fica virado para fora a partir da caixa do molde, o aumento da resistência durante o processo de remoção pode também quebrar a placa.
É possível que os bujões de PLA para permanecer nas microcanais após longos períodos de evacuação. Forno freqüente e aspiração pode ajudar a aliviar isto. Tampões restante pode ser removido com clorofórmio, enquanto a ficha é de um comprimento curto. Longer estruturas microvasculares também pode ajudar a reduzir as formações de ficha como eles aparecem frequentemente em direcção às extremidades de um microcanal. O comprimento extra pode permitir que a ficha a ser cortado a partir do dispositivo.
Este processo de fabricação é não litográfica e pode ser adaptado a uma variedade de métodos de fabrico existentes. A utilização de um modelo de sacrifício permite a criação de um complexo de três microfluídico dimensionaldispositivos. O posicionamento próximo do padrão microvascular foi utilizado para o transporte de gás entre microcanais em uma matriz permeável ao gás, mas não é a única aplicação potencial. Com o contacto íntimo entre os microcanais, de permuta de calor em três dimensões microfluidico também se torna acessíveis em grande escala, utilizando o processo de fabricação. Também é possível juntar-se propositadamente os microcanais para induzir a reactividade química. Este processo de fabricação permitiu a criação de sistemas biomiméticos e podem ser usadas para a mais ampla variedade de aplicações, como as realizadas por sistemas microvasculares naturais.
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Disclosures
Entramos com um pedido de patente provisória sobre esta tecnologia und EUA patente nos EUA Aplicação Provisória Serial N º 61/590, 086.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado pelo Programa Jovem Investigador AFOSR sob FA9550-12-1-0352 e um prêmio Faculdade Não Docente da 3M. Os autores gostariam de agradecer a Lalisa Stutts e Janine Tom útil para a discussão relacionada a este projeto. Os autores agradecem ao Centro de Microscopia Calit2 e Espectroscopia de Laser Facility, na Universidade da Califórnia, em Irvine para permitir o uso de suas instalações. Hodge Harland and Physical Sciences UCI Machine Shop são reconhecidos para a fabricação de ferramentas. Poli (ácido láctico) fibras de ácido foram generosamente fornecidos pela Teijin monofilamento.
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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