Summary
홈마이크로유체 채널을 통과하는 2개의 인접한 유체는 사전 중합체 코어 주위의 칼집을 형성하도록 지시될 수 있다; 따라서 모양과 단면을 모두 결정합니다. 티올 클릭 화학과 같은 광숙련 중합화는 코어 유체를 소정의 크기와 모양으로 미세화로 빠르게 고화시키는 데 적합합니다.
Abstract
낮은 레이놀즈 수의 미세 유체 채널을 통과하는 "칼집"유체는 다른 "코어" 스트림을 중심으로 지시할 수 있으며 코어 스트림의 직경뿐만 아니라 모양을 지시하는 데 사용할 수 있습니다. 미세 유체 채널의 상단과 하단에 있는 홈은 칼집 유체를 지시하고 코어 유체를 형성하도록 설계되었습니다. 칼집과 코어 유체의 점도와 친수성을 일치시킴으로써, 얼굴 내 효과를 최소화하고 복잡한 유체 형상이 형성될 수 있다. 칼집과 코어 유체의 상대적 유량을 제어하여 코어 유체의 단단 면적을 결정합니다. 섬유는 300nm에서 ~1mm에 이르는 크기로 생산되었으며, 섬유 단면은 이중 앵커 섬유의 경우와 같이 둥글거나 평평하거나 정사각형이거나 복잡할 수 있습니다. 형성 영역에서 코어 유체 하류의 중합은 섬유를 고화시킨다. 광숙련 된 클릭 화학은 자외선을 가진 조사에 의해 코어 유체의 신속한 중합에 적합합니다. 액정, 폴리(메틸메타크레이트), 티올-에네 및 티올-이네 수지, 폴리에틸렌 글리콜, 하이드로겔 유도체 등 다양한 형태를 가진 섬유가 폴리머 목록에서 생산되고 있다. 성형 공정 및 온화한 중합 조건 동안 최소한의 전단은 또한 세포 및 기타 생물학적 성분의 캡슐화에 적합하게 제조 공정을 만든다.
Introduction
조직 비계1,복합재료2,광통신3,전도성 하이브리드 소재4는 특수폴리머 섬유를 활용한 연구 분야이다. 섬유 제조를 위한 전통적인 방법은 용융 압출, 회전, 도면, 주조 및 전기 방사을 포함합니다. 이러한 방법에 의해 생성된 대부분의 폴리머 섬유는 제조 중에 폴리머와 공기 사이의 표면 장력에 의해 생성된 둥근 단면을 나타낸다. 그러나, 비원형 단면을 가진 섬유는복합재료5,6의기계적 특성을 향상시키고, 표면적 대 부피 비율을 증가시키고, 습윤 또는 위수7을제어할 수 있으며, 도파선8 또는 편광제(9)로 활용될 수 있다.
한 스트림(sheath flow)을 사용하여 다른 스트림(core flow)을 서라운드및 형상화하는 미세유체 시스템에 의한 특수 폴리머 섬유의 생산은 고재생성 섬유의 지속적인 생산을 위한 온화한 조건과 용량 때문에 매력적입니다. 초기 실험은 프리폴리머 및 칼집유체10-12의상대적 유량에 따라 크기가 있는 원형 섬유를 생산하였다. 미세 유체 채널의 상단과 하단에 있는 홈이 코어 스트림13,14에 대한 소정의 모양을 생성하기 위해 칼집을 편향시킬 수 있다는 발견은10-12,15-17보다복잡한 섬유 모양을 생성하는 기술로 이어졌다.
NRL 조사관은 다음과 같은 중요한 기술적 특징을 입증했다13-21:
- 다양한 성형 기능을 사용하여 칼집 유체를 지시하여 코어 스트림을 형성할 수 있습니다: 홈 또는 능선은 줄무늬, 셰브론 또는 청어본으로 구성될 수 있다.
- 이러한 피처의 도구 상자를 원하는 흐름 결과에 매핑할 수 있습니다.
- 마이크로 채널은 리소그래피, 성형, 밀링 또는 인쇄 기술을 사용하여 만들 수 있습니다. 기판 재료는 전중합체 또는 칼집 용액에서 용해되거나 침식되어서는 안되며, 광개시 중합화를 위해서는 외부 층이 자외선에 투명해야 합니다.
- 단일 셰이핑 피쳐 집합에 의해 생성된 셰이프는 채널을 통해 유량의 변경으로 변경할 수 있습니다. 마이크로 채널에서 유체 흐름의 COMSOL 다물리학 시뮬레이션은 결과 유체 및 섬유 모양을 예측할 수 있습니다.
- 칼집과 코어 유체의 점도와 위상(수성)을 일치시키는 것은 유체 인터페이스 전반에 걸친 전단 변형의 변화로 인해 발생하는 좌굴형 불안정을 피하는 데 매우 중요합니다. 큰 점도 또는 위상 불일치 점성 좌굴이 발생할 수 있는 경우, 아마도 최종 섬유 모양을 변형하거나 마이크로 채널을 막을.
- 섬유는 주조 또는 중합화에 의해 형성될 수 있지만 중합화는 형상에 대한 더 많은 제어를 제공합니다.
- 중합(코어 유체의 응고)은 마이크로채널을 종료하기 전에 발생해야 한다. 그러나, 채널 내의 중합속도가 느려지면 점도가 증가하여 섬유 형상에 영향을 미치거나 심지어 채널을 막을 수도 있다. 중합 이벤트의 시간과 위치는 신중하게 제어되어야합니다.
- 그들의 급속한 반응 운동으로 인해, 사진 유도 된 자유 라디칼 중합화, 특히 티올 기반 의 클릭 화학, 섬유 생산에 특히 적합합니다.
- 상대유량은 제조 중에 변경되어 균일하지 않은 섬유 직경을 생성할 수 있습니다.
- 여러 가지 형태의 피처 그룹을 단일 채널에 통합할 수 있습니다.
- 쉐이핑 및 크기 조정 함수를 분리하려면
- 다층 또는 중공 섬유를 만들려면
- 단일 미세 유체 채널에서 여러 섬유를 생산하려면
- 매우 낮은 농도에서 폴리머에 통합된 액정 메소겐은 편광 하에서 배금선을 나타내며, 이는 폴리머 분자가 섬유의 축을 따라 정렬될 수 있음을 시사한다.
- 세포는 생체 적합성 하이드로겔 프리폴리머에 통합될 수 있으며 높은생존율(22)으로제조 공정에서 살아남을 수 있다.
전폴리머 스트림을 형성하기 위해 시스 스트림에 의해 유체 역학 적 초점을 사용하여 폴리머 섬유를 제조 할 때, 폴리머 재료의 선택은 실용적인 첫 번째 단계이다. 적절한 폴리머, 해당 이시제 화학 및 칼집 유체는 다음 지침 내에서 확인되어야 합니다.
- 폴리머 와 칼집 유체는 오해의 소지가 있으며 점도가 유사합니다. 예를 들어, 수성 단량제 용액은 물을 가능한 칼집 유체로 활용할 수 있지만 육사액을 칼집 유체로 사용할 수는 없습니다.
- 중합 메커니즘은 성형 후 섬유가 채널을 종료하기 직전에 코어 유체를 고화시키기에 충분한 속도 역학을 가져야합니다.
재료를 선택한 후 원하는 섬유 모양과 크기를 생성하는 마이크로 채널을 설계해야 합니다. 필요한 성형 기능(줄무늬, 헤링본, 셰브론)을 결정하기 위해 계산 유체 역학 소프트웨어를 사용하여 유체 흐름 패턴을 예측할 수 있습니다. 형성 기능은 코어 유체 주위에 칼집 유체를 운반합니다. 일반적으로 줄무늬는 채널의 위쪽과 아래쪽을 가로질러 칼집 유체를 한쪽으로 이동하는 반면, 청어본과 셰브론은 유체를 측면에서 채널의 위쪽 및/또는 아래쪽으로 이동한 다음 구조의 지점 바로 아래 채널의 중심으로 이동합니다. 채널의 상단과 하단에 있는 반복적인 홈의 수는 칼집 유체가 지시되는 정도에 영향을 미칩니다. 코어 및 칼집 유체의 유량 비율도 효과를 중재합니다. COMSOL 다중물리학 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션은 형성 기능및 유량 비율의 상호 작용을 평가하여 단면 모양을 예측할 수 있는 신뢰할 수 있는 것으로 입증되었습니다. 또한 이러한 시뮬레이션은 코어와 칼집 사이의 솔루트 의 확산에 대한 유용한 통찰력을 제공하며, 제안된 채널의 크기, 점도 및 유량의 크기도 제공합니다.
보이드 등에서 기재된 "이중 앵커"와 같은 복잡한 형상이 바람직한 경우. 도 23,성형 및 크기 조정의 기능을 분리하는 것이 유용하다. 복잡한 형상은 하나의 피쳐세트로 생성된 다음, 두 번째 피싱 스트림의 입구에 배치된 전략적으로 배치된 단일 홈 구조를 사용하여 형태를 크게 변경하지 않고 중합스트림의 단면 영역을 감소시키는 데 사용할 수 있다.
복잡한 마이크로 채널 설계의 또 다른 예는 다층 섬유를 생성할 수 있습니다. 이 설계에서는 셰이핑 기능및 추가 클래딩 유체의 순차적인 세트가 도입됩니다. 이러한 동심 흐름은 고체 코어 클래딩 섬유 또는 중공 튜브로 응고될 수 있습니다. 이 장치의 예는 아래에 표시됩니다.
미세 유체 장치의 설계가 선택되면 마이크로 채널 제작 프로세스가 시작될 수 있습니다. 사용할 수 있는 제조 도구에는 소프트 리소그래피, CNC 밀링, 핫 엠보싱 및 3D 프린팅이 포함됩니다. 사용되는 도구에 관계없이, 마이크로 유체 채널의 벽에 실수로 도입 된 기능이 칼집 흐름을 지시하고 해당 장치를 사용하여 만든 모든 섬유의 단면 모양에서 매우 재현 가능한 편차를 초래할 수 있음을 깨닫는 것이 중요합니다. 마이크로채널 기질 물질은 또한 물리적으로 견고하고 화학적으로 불활성이며 UV 손상에 저항하도록 신중하게 선택해야 합니다. 예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)은 쉽게 발주할 수 있고, 개스킷과 같은 씰을 제공하며, UV투명; PDMS는 채널의 투명 한 상단에 유용하지만, 더 강성이 필요한 채널의 측면과 하단은 없습니다.
궁극적으로 유체 역학 시뮬레이션에 의해 예측되는 유량에 적절히 선택된 코어 및 칼집 유체를 도입함으로써, 성형 기능은 적절한 유체 프로파일을 생성하고 다운스트림 UV 경화 램프는 설계된 폴리머 섬유를 고화시합니다. 채널에서 중합화된 섬유의 연속 압출은 유체 저장소의 부피에 의해서만 제한된 길이의 재현 가능한 섬유를 제공할 수 있다.
Protocol
이 프로토콜은 포토마드 티올-yne 클릭 화학을 사용하여 중공 섬유의 제조를 설명합니다. 마이크로 채널에는 채널의 아래쪽과 상단에 모양을 형성하는 모양으로 쉐브론 홈 또는 "줄무늬"가있습니다(그림 1). 3개의 유체가 도입되고 동심 스트림에서 향합니다. 이체에서 외부 유체 스트림까지, 이들은 코어, 클래딩 및 칼집 유체로 지칭된다. 클래딩 흐름만이 중공 섬유를 형성하기 위해 중합된다. 선택한 재료는 다음과 같습니다.
- 코어 유체: PEG (M.W. = 400), ~100 mPa. 초 (20 ºC)
- 클래딩 유체: 티올-이네 폴리머 (PETMP + ODY), 이니티에이터 (DMPA)
- 시스 유체 : PEG (M.W. = 400), ~ 100 mPa. 초 (20 ºC)
마이크로채널 장치는 CNC 밀링 및 PDMS 주조로 제작된 알루미늄 및 플라스틱 부품으로 조립되었습니다. 마이크로 채널을 통해 흐름은 세 개의 주사기 펌프에 의해 제어되었다.
1. 마이크로 채널의 설계 및 시뮬레이션
마이크로채널 내에서 유체 속도와 대류/확산을 모두 계산할 때 각 유입 유체에 적절한 점도를 할당하는 것이 중요합니다.
- 컴솔드 유체 역학 소프트웨어(COMSOL)로 가져올 원하는 마이크로채널의 컴퓨터 모델을 만듭니다. 그림 1의 예는 오토데스크 Inventor CAD 소프트웨어로 생성되었습니다. 다음 단계는 마이크로 채널 내의 유체 흐름 계산을 위한 COMSOL 다중물리학의 사용을 참조한다.
- 설계된 마이크로 채널을 COMSOL로 가져온 후, 반복적인 유체 유량은 Navier-Stokes 솔버에 도입될 수 있다.
- 프로그램 설정을 초기화하고 3D 라미나르 플로우+대류/확산 방정식을 선택합니다. 마이크로 채널에서 생성된 낮은 레이놀즈 숫자는 장치 내에서 완전한 라미나르 흐름을 허용합니다.
- 수치 계산을 수행할 유한 요소 메시를 디자인합니다. 속성이 빠르게 변경되는 영역에서 메시가 더 세련되야 합니다(작은 분할이 있음). 성형 피쳐와 출구 모두에서 메쉬를 <1 μm 측면 길이로 조정하는 것이 좋습니다. 이것은 코어 칼집 유체 인터페이스의 "선명한"시각화를 제공합니다.
- 유체 흐름, 즉 점도, 확산 상수 및 농도에 대한 입력 재료 특성. 이때 출구 흐름에 대한 경계 조건도 설정합니다. 오픈 콘센트를 시뮬레이션하기 위해 점성 스트레스가 0을 권장합니다.
- 일련의 입력 유량으로 반복적으로 사이클링하여 유체 유량 연구를 계산합니다. 예를 들어, 코어 유체 = 7.5 μl/min, 칼집 유체 = 30 μl/min.
- 마이크로채널 흐름의 대류/확산 특성을 해결하기 위한 초기 값으로 속도 필드 솔루션을 가져옵니다. 대류/확산 문제에 대한 해결책은 코어 칼집 유체 인터페이스를 설명하고 생성된 최종 유체 흐름 및 섬유의 모양을 예측하는 데 도움이 됩니다.
계산 결과에서 필요한 수와 성형 피쳐 유형이 원하는 섬유 형상을 달성할 것으로 예측할 수 있습니다. 유체 유량 입력은 또한 섬유생성에 필요한 유량과 상관관계가 있습니다. 이러한 예측을 통해, 마이크로 채널 장치는 폴리머 섬유의 압출을 위해 제조 될 수있다.
2. 칼집 유동 장치 부품 제조
직접 마이크로밀링, 핫 엠보싱 및/또는 폴리머 주조의 조합을 사용하여 칼집 흐름 장치의 구성 요소를 생성할 수 있다. 리소스에 따라 그에 따라 전략을 선택합니다. 제시된 예제는 CNC(컴퓨터 수치 코드)를 사용하는 직접 밀링 프로세스입니다. 그림 2: 1에 묘사되는 다섯 개의 레이어(위에서 위에서 아래로)가 있습니다. 입구 척 (알루미늄), 2. 고정 플레이트 (알루미늄), 3. 마이크로 채널 상단 층 (순환 올레핀 공중 합합체, COC 또는 PDMS), 4. 마이크로 채널 바닥 층 (COC 또는 폴레터 에테르 케톤, PEEK), 5. 고정 플레이트 (알루미늄). (직접 밀링을 위한 예제 파일은 지원 정보에서 *.stl 형식으로 제공됩니다.
- COMSOL 시뮬레이션과 호환되는 설계를 사용하여 컴퓨터 지원 제도(CAD)를 통해 시스템의 3D 모델을 개발합니다. 장치의 각 레이어에 대해 별도의 CAD 파일을 만듭니다.
- 직접 마이크로밀링을 통해 레이어를 제작할 때 CAD 모델을 컴퓨터 보조 가공 응용 프로그램으로 가져와 컴퓨터 수치 제어(CNC) 밀로 해석되는 숫자 코드(NC)를 생성하여 장치를 생성한다.
- 두께가 3.2mm인 30.5cm × 30.5cm의 5매를 획득하십시오.
- 30.5cm × 30.5cm, 두께 3.2mm인 COC, PEEK, 알루미늄 및 폴리(메틸메타크레이트) 1장을 획득합니다.
- 30.5cm × 30.5cm, 두께 9.5mm인 알루미늄 1장을 획득하십시오.
- 각 시트를 2.4-2.5 단계에 양면 접착제로 2.3단계에서 희생 주식 시트에 부착합니다. 최대 2.5cm의 외부 무녹화 테두리가 있는지 확인합니다. 이 테이프는 밀링하는 동안 작업 재료를 제자리에 고정하고 밀링 된 부분이 밀 주기의 끝에있는 재고 재료에서 절단되면 이를 보호하는 역할을합니다.
- COC + 희생 스톡을 CNC Mill 의 테이블에 고정하고, 숫자 코드(NC)에 인용된 도구를 로드하고, 도구와 스톡(work) 재료를 x, y 및 z로 보정합니다.
- NC 코드를 로드하고 COC 레이어를 밀링합니다.
- 밀에서 재료 시트를 제거하고 기판에서 가공 된 부분을 조심스럽게 제거합니다. 이 과정에서 밀 냉각수는 부품과 재고를 포화시합니다. 부품을 부드럽게 제거하기 전에 완전히 헹지 십시오. 순한 세제로 씻은 다음 70%의 이소프로필 알코올로 세척합니다. 온화한 세제는 기름기 잔류물을 제거하고 알코올은 잔류 접착제를 제거합니다. 버가 마이크로 아키텍처에 갇혀있는 경우, 초음파 처리가 그들을 제거하는 것이 필요할 수 있습니다.
- 칼집 흐름 장치를 만드는 데 사용되는 각 다른 레이어에 대해 2.7 및 2.9 단계를 반복합니다.
- PMMA 레이어를 제외하고, 이 시점까지 준비된 각 레이어는 장치에서 직접 사용됩니다. PMMA는 실가드 184 베이스 10부를 1부 경화제와 결합하고 교반하여 철저히 혼합하여 PDMS 층을 준비하는 데 사용됩니다. 이 정보는 COC 층 중 하나를 개스킷과 같은 PDMS 재료로 대체할 경우에 따라 제공됩니다.
- 실가드 184를 앞서 준비한 PMMA 금형 캐비티에 부어 기포가 제거되도록 합니다. 필요한 경우 진공 상태에서 거품을 제거할 수 있습니다. PDMS는 실온에서 48시간, 100°C에서 45분, 125°C에서 20분, 150°C에서 10분 동안 경화될 수 있다.
3. 시스 흐름 장치 조립
- 하단에 하나의 체결 플레이트를 배치하여 아래에서 칼집 흐름 장치를 위로 조립한 다음 COC 층이 다른 COC 층과 나머지 고정플레이트(그림 2)를 구부립니다. 성형 홈이 채널의 가장자리를 따라 서로 정렬되고 COC 레이어의 유체 형상 형상이 완벽하게 겹쳐야 합니다. 해부 현미경은 정렬을 돕기 위해 사용될 수 있습니다.
- 장치의 중앙에 볼트를 삽입하고 너트와 볼트를 손으로 조여 장치를 함께 고정시합니다.
- 중앙에서 오른쪽으로 번갈아 가며 중앙에서 3.2단계를 반복하여 정렬에 고정하고 누출을 방지합니다. 장착 구멍에 도달하면 입구 척에 추가하고 번갈아 나사를 계속 장착합니다.
- 표준 HPLC 피팅을 사용하여 칼집 유체 및 사전 폴리머 용액을 포함하는 튜브 및 주사기에 칼집 흐름 장치를 인터페이스합니다. 손 조임은 모든 연결에 충분합니다.
- 링 스탠드와 클램프를 사용하여 장치를 수직으로 장착합니다. 대부분의 부분에서 레벨을 사용하여 장치가 수직인지 확인합니다. 칼집 흐름 장치가 수직이 아닌 경우 섬유가 마이크로 채널 벽에 닿고 막힘을 일으킬 수 있습니다.
- 마이크로채널의 마지막 3-5cm를 조사할 수 있도록 칼집 유동 장치의 COC 면으로부터 UV 소스를 수직으로 ~1cm 수직으로 배치한다. UV 소스는 ~200 mW/cm2를전달하기 위해 보정되어야 합니다.
4. 솔루션 준비
앞서 언급했듯이, 많은 재료가 유사 프로토콜및 칼집 유량 시스템을 사용하여 마이크로 화이버를 만드는 데 사용될 수 있지만, 티올-yne 화학은 여기에서 사용된다. 저장 시간에 따라 발생할 수 있는 점도의 증가를 피하기 위해 섬유 압출 공정을 시작하기 직전에 프리폴리머 용액을 준비한다.
- 폴리에틸렌 글리콜 400(PEG 400)의 알리쿼트를 준비하여 칼집 유체로 작용한다.
- PEG 400으로 1ml 루어 팁 주사기를 채우고, 30ml 루어 팁 주사기를 PEG 400으로 채우고 칼집 유체역할을 합니다.
- 0.01 mol pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate(PETMP) 및 0.01 mol 1,7-옥타디뉴(ODY)를 포함하는 사전 폴리머 용액을 준비한다. 두 성분이 실험 전반에 걸쳐 잘 혼합되어 있는지 확인하고, 주변광(예: 호일로 주사기를 감싸는)을 포함한 UV 광원에 대한 모든 프리폴리머 시약의 노출을 최소화하십시오.
- PETMP/ODY 용액을 4 x10-4 mol 2,2-디메톡시시-2-페닐레이스토페논(DMPA) 포토니티에이터로 보충합니다. 솔루션이 잘 혼합되어 있고 알루미늄 호일로 용기를 덮어 UV 광에 노출되지 않도록 계속합니다.
- 5ml 알루미늄 호일 포장, 루어 팁 주사기를 프리폴리머 용액으로 적재합니다.
5. 마이크로 화이버 생산 (비디오의 초점)
- 미세 유체 채널의 출구가 수집 목욕의 용액과 접촉하고 있는지 확인(도 3). 복잡한 구조의 경우, 수집 목욕의 용액은 코어 및 칼집 유체에 점도가 일치해야하지만 간단한 중공 섬유의 경우 물이 충분합니다.
- 코어, 클래딩 및 칼집 유체 주사기 펌프를 각각 1, 30 및 120 μl/min로 주입하도록 설정합니다. 각 주사기 직경이 주사기 펌프에 제대로 입력되었는지 확인합니다.
- 주사기를 해당 주사기 펌프에 장착하고 UV 보호 타이곤 튜빙을 사용하여 칼집 흐름 장치에 연결합니다.
- 칼집 유체를 시작하여 칼집 흐름 장치를 프라이밍하고 시스템에서 공기를 제거합니다. 마이크로 채널을 시각적으로 검사하여 다음 단계로 이동하기 전에 마이크로 채널에 기포가 남아 있지 않도록 합니다. 줄무늬에 특별한주의를 기울이라. 해부 현미경은 마이크로 채널 검사에 도움이 될 수있다. 기포가 존재하는 경우, 장치에서 기포를 플러시하기 위해 흐름 아래있는 동안 부드럽게 회전 및 / 또는 두드려 장치를 동요.
- 클래딩 유체를 시작하여 흐름이 안정화될 수 있도록 합니다. 다음 단계로 이동하기 전에 마이크로 채널에 기포가 남아 있지 않도록 합니다. 성형 홈에 특별한주의를 기울이는 다. 기포가 존재하는 경우, 장치에서 기포를 플러시하기 위해 흐름 아래 있는 동안 장치를 동요합니다.
- 마지막으로, 코어 유체를 시작; 다시 말하지만, 거품이 시스템에 존재하지 않는지 확인합니다.
- UV 소스를 켜고 중공 마이크로화이버(도4A)의연속 생산을 위해 수거 목욕을 관찰하여 칼집 유체로 배출된다. 변형된 주걱 또는 접종 루프를 사용하여 수집 목욕에서 섬유를 회수하고, 연속 섬유를 전동 스풀(그림3)에서수집할 수 있도록 한다.
Representative Results
성형 홈과 3개의 솔루션 입력을 사용하여 간단한 2단 설계를 사용하여 중공섬유(도 1)를만드는 데 사용되었습니다. COMSOL 시뮬레이션은 원하는 단면 크기를 얻기 위해 적절한 유량 비율을 결정하기 위해사용되었다(도 1,ESI 비디오). 밀링과 성형의 조합은 섬유를 제조하기 위해 칼집 유동 조립에 대한 성분을 생산하였다(도2). 전체 어셈블리에는 칼집 흐름 장치, 광섬유 결합 UV 레이저, 3개의 주사기 펌프, 수집 목욕(비커), 섬유 컬렉션 스풀(그림3)이포함되어 있습니다.
클래딩 물질의 중합은 UV 광원에 의해 시작되었고, 중공 섬유는 마이크로채널에서 수집 배혈로 압출되었다. 섬유가 형성되어 UV 광이 꺼질 때까지 지속적으로 수집되었습니다. 섬유생산은 몇 분 동안 계속되었고 길이가 미터에 걸쳐 단일 섬유를 생성했습니다. 이러한 조건하에서 만들어진 섬유는 직경약 200 μm이었다. 섬유의 구조는 광학 및 전자 현미경 검사를 사용하여 시각화하였다. 섬유는 중공 코어가있는 타원형 모양을 가지고 있었습니다. 모세관 작용은 섬유의 내부에 액체와 거품을 도입하는 데 사용되었고 중공 구조가 섬유의 길이를 통해 연속된 것을 확인하였다(도4A).
그림 1. 시스 흐름 장치 설계 및 COMSOL 데이터. 직선 홈이 있는 2단 제작 장치는 중공 섬유(x축 45°에 대해 회전)를 생성하도록 선택되었습니다. 왼쪽의 COMSOL 시뮬레이션은 코어:클래딩:칼집 유량 비율(각 시뮬레이션 아래 숫자)이 중공 섬유의 최종 크기에 어떤 영향을 미치는지 보여줍니다. 마이크로채널 단면은 1mm x 0.75mm이며 스트라이프는 너비 0.38mm, 깊이 250μm입니다. 줄무늬는 채널을 기준으로 ∠45°입니다.
그림 2. 칼집 흐름 어셈블리의 폭발적인 뷰입니다. 상부에서 하부까지,(A)입구 척,(B)고정 플레이트,(C)마이크로 채널 커버,(D)마이크로 채널 베이스,(E)고정 플레이트. 부품은 각각 알루미늄, 알루미늄, COC(또는 PDMS), COC(또는 PEEK) 및 알루미늄에서 제작됩니다. 정기적으로 간격이 있는 구멍은 조립 나사를 수용할 수 있습니다.
그림 3. 레이아웃 및 회로도 개요의 사진. 설정에는 수조를 포함하는 비커 위에 수직으로 고정된 시스 유동 조립품, 광중합을 위한 광섬유 레이저, 3개의 주사기 펌프 및 폴리머 섬유 수집을 위한 스핀들 등이 포함됩니다. Inset은 UV 조명이 있는 제작 어셈블리를 보여줍니다. (A)칼집과 코어 입구,(B)미세유체 채널,(C)UV 광,(D)수집 저수지,(E)중합섬유가 수집되고 있다.
그림 4. 유체 역학 적 초점을 사용하여 만든 섬유의 광학 및 스캐닝 전자 현미경 사진 이미지. 섬유는 유체역학적 초점을 사용하여 다음과 같은 모양으로 제조되었습니다:(A)중공 튜브,(B)직사각형 리본,(C)얇은 탄성 리본,(D)삼각형,(E)신장 콩,(F)진주의 문자열,(G)탄소 나노 섬유를 내장한 둥근 섬유,(H)이중 앵커 모양. 섬유는 아크릴, 메타크릴레이트 및 티올 에네를 포함한 다양한 재료로 만들어집니다.
ESI 비디오. COMSOL 멀티물리학에서 생성된 슬라이스 플롯은 코어, 클래딩 및 칼집 유체가 장치에 진입하고 2단계 흐름을 바꾸는 대각선 스트라이프 홈을 통과하는 마이크로 채널의 절반을 묘사합니다. 시뮬레이션된 코어, 클래딩 및 칼집 유량은 각각 1, 28 및 256 μl/min입니다. 이 비디오는 실시간으로 ~6초를 나타내며, 예시적인 목적으로 6배 느려집니다.
Discussion
칼집 유동 방식을 이용한 폴리머 섬유의 제조는 다른 섬유 제조 기술에 비해 여러 가지 장점이 있다. 이러한 장점 중 하나는 다양한 시약 조합을 사용하여 섬유를 제조하는 기능입니다. 특정 티올-yne 조합은 여기에 제시되었지만, 다른 여러 티올 클릭 (티올 - 에네 포함) 화학 조합은 동등하게 잘 작동합니다. 칼집 용액이 중합되는 핵심 물질과 오해의 소지가 있는 한 다양한 다른 조합이 섬유를 생산하기 위해 사용될 수 있다. 나노섬유, 입자 및 세포와 같은 포함은 또한 사전 중합체 용액의 점도에 이러한 첨가제의 기여가 고려되는 한 가능하다.
티올 클릭 화학은 티올 군을 가진 복합체가 UV 광중합에 의한 알케네(double bond) 또는 알키네(triple bond) 기능군과 함께 복합체에 공유하게 될 수 있는 클릭 화학 가족의 하위 집합이다. 알케인과 관련된 반응은 티올-에네 반응이라고 불며, 알킨스와 관련된 반응은 티올-yne 반응이라고 불려한다. 1 개의 파이 본드 (알케네 또는 알키네에서)는 UV 빛 조사 시 하나의 티올 그룹에 부착됩니다. 이 과정은 반응의 클릭 제품군 내에서 잘 어울리며, 다양한 티올 클릭 시작 구성 요소에서 다양한 모양(예 : 둥근, 리본 모양, 이중 앵커)의 섬유를 생산하기 위해 우리의 미세 유체 채널에서 효과적으로 사용되었습니다.
다른 대부분의 유사한 공정에 비해 여기에 설명된 방법에 대한 구체적인 장점은 생성된 섬유의 형상과 크기를 모두 조절할 수 있다는것이다(그림 4A-H). 줄무늬, 갈매기 또는 청어본을 갖도록 채널을 설계함으로써, 생성된 섬유는 다른 단면 모양을 갖습니다. 일반적으로 줄무늬는 둥근 모양을 생성하거나 이전에 형성된 스트림을 완전히 둘러싸고 중합 전에 채널 벽에서 멀리 이동하는 추가 칼집 스트림을 도입하는 데 유용합니다. 셰브론은 형상 스트림의 중심의 수직 치수를 줄여 수평 대칭을 유지합니다. 헤링본은 모양 스트림의 한쪽의 수직 치수를 감소시키고 비대칭을 생성합니다. 이러한 형성 도구는 무수한 조합으로 혼합될 수 있습니다. 동등한 특징의 수(즉, 7 셰브론 대 10 셰브론)는 또한 다른 단면 프로파일을 가진 섬유를 생산하는 데 사용될 수 있습니다.
섬유 형상을 제어하는 기능 외에도, 제시된 섬유 제조 방법론은 단일 칼집 유동 조립체(예: 도 1)를사용하여 제조된 섬유의 크기를 조절할 수 있는 능력을부여한다. 칼집:코어 유량 비율을 조정하는 것은 서로 다른 단면 영역으로 섬유를 제작하는 한 가지 수단입니다. 또한 채널 설계를 조정하여 섬유의 크기를 조절하여 추가적인 시딩 스테이지를 가질 수 있다. 성형이 하나 이상의 단계에서 발생하든, 간단한 최종 스테이지를 사용하여 모양을 변경하지 않고 코어크기를 줄일 수 있습니다.
다양한 시약 조합이 이 미세유체 채널 설계를 사용하여 다양한 모양과 크기의 섬유를 생산하는 데 사용할 수 있는 용이성은 조직 엔지니어링에서 광학 통신, 스마트 섬유에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 유용할 것입니다.
Disclosures
참고문헌에 기재된 특허는해군(http://www.nrl.navy.mil/doing-business/tech-transfer/)의라이선스를 사용할 수 있습니다.
Acknowledgments
대릴 A. 보이드와 마이클 A. 다니엘레는 박사 후 국가 연구 위원회 후 펠로우입니다. 이 작업은 ONR/NRL 작업 단위 4286 및 9899에 의해 지원되었다. 견해는 저자의 견해이며 미 해군이나 국방부의 의견이나 정책을 대표하지 않습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate | Sigma-Aldrich | 381462 | See references |
| 1.7-Octadiyne | Sigma-Aldrich | 161292 | See references |
| 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone | Sigma-Aldrich | 196118 | See references |
| Polyethylene glycol 400 | Sigma-Aldrich | 202398 | Polyethylene glycol 200 or 600, dextrose, or glycerol may be substituted |
| Sylgard 184 | Sigma-Aldrich | 761036 | QSIL 216, OptiTec 7020, or GS RTV 615 may be substituted |
| Table of Specific Equipment | |||
| MiniMill | Haas | MINIMILL | Any NC code interpreting 2.5 axis (or higher) mill may be substituted |
| Syringe pumps (3) | Harvard Apparatus | 702212 | Syringe pumps that can be programmed to deliver the desired volume flow rates may be substituted |
| Tygon tubing (3 m) | Fisher Scientific | 14-169-13A | NA |
| PEEK tubing | Upchurch Scientific | 1435 | NA |
| HPLC fittings | Upchurch Scientific | 1457 | NA |
| BlueWave 200 UV lamp with stand and light guides | Dymax | 38905; 38477; 39700 | Any guided UV source that delivers 300-450 nm, >200 mW/cm2 may be substituted |
| 500 ml beaker | Fisher Scientific | FB-100-600 | Any vessel of approximately the same size and shape may be substituted |
| Ring stand | Fisher Scientific | S47807 | Any ring stand capable of mounting a clamped sheath flow apparatus above the level of the syringe pumps may be substituted |
| Ring stand clamp holder (2) | Fisher Scientific | S02625 | Any ring stand clamp holder capable of holding the clamps may be substituted |
| Ring stand clamps (2) | Fisher Scientific | 02-216-352 | Any ring stand clamp capable of holding the clamped sheath flow apparatus and light guides may be substituted |
| 1, 5, and 60 ml Syringes | Fisher Scientific | 14-823-16H; 14-823-16D; 14-820-11 | Any syringe with known inner diameter and sufficient volume may be substituted |
| Poly(methylmethacrylate) (3.2 mm) | McMaster-Carr | 8560K239 | Polycarbonate and cyclic olefin copolymer may be substituted |
| Polyether ether ketone (3.2 mm) | McMaster-Carr | 8504K25 | Solvent resistant machinable materials may be substituted |
| Aluminum (3.2, 9.5 mm) | McMaster-Carr | 1651T41; 9246K23 | Substitute other materials as needed |
References
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