Mikrofluidische Herstellung von Polymer- und Biohybridfasern mit vorgefertigter Größe und Form

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, die komplexe Fluidformung zu demonstrieren, wie sie bei der Herstellung von Mikrofasern beobachtet wird. Dies wird erreicht, indem ein mikrofluidischer Kanal mit spezifischen Rillen zusammengefügt wird, um einen polymerrealisierbaren Kern mit einer vorgegebenen Querschnittsform herzustellen. In einem zweiten Schritt wird eine Präpolymerlösung hergestellt, die nach dem Durchlaufen des Kanals geformt und polymerisiert wird.

Anschließend wird das UV-Licht am Boden des Kanals eingeschaltet, um das Polymermaterial zu polymerisieren. Diese rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigen mehrere Mikrofaserformen, die hergestellt wurden. In ähnlicher Weise umfassen die Vorteile dieser Technik im Vergleich zu anderen bestehenden Verfahren wie dem Elektrospinnen und dem Schmelzspinnen die Tatsache, dass diese Technik bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann und diese Technik mit einer Vielzahl von Polymermaterialien verwendet werden kann.

Darüber hinaus erfordert diese Technik keine hohen Spannungen. Es erfordert keine hohen Temperaturen, gefolgt von schnellen Abkühlzeiten, und es erfordert auch keine Kontrolle von Umweltfaktoren wie Luftfeuchtigkeit. Die visuelle Demonstration dieser Technik ist von entscheidender Bedeutung, da die Herstellung mikrofluidischer Fasern nicht so verbreitet ist wie einige andere Methoden und es daher schwierig sein kann, sie zu konzeptualisieren, ohne sie gesehen zu haben.

Visuell wurde dieses Verfahren jedoch für die Herstellung von Polymer-Mikrofasern verwendet. Die gleichen Prinzipien werden in unserem Labor für die Entwicklung anderer Systeme wie Mikroblutgefäße verwendet. Diese Idee hatten wir ursprünglich, als wir Mikromischer und Mikrochip-Durchflusszytometrie-Systeme confocal beobachteten.

Als wir sahen, dass sich anhaltende verzierte Querschnitte entwickelten. Wir postulierten, dass durch die Einführung einer Polymerlösung die Formen durch Photopolymerisation kontinuierlich und relativ einfach fixiert werden können. Das Verfahren wird von Michael Danielle und Darrell Boyd demonstriert, die Postdocs aus meinem Labor sind.

Zuerst wird eine zuvor entworfene Mantelströmungsvorrichtung von unten nach oben montiert, indem eine Befestigungsplatte an der Unterseite platziert wird, gefolgt von einer zyklischen COC-Olefin-Copolymerschicht und der verbleibenden Befestigungsplatte. Stellen Sie sicher, dass die Formrillen an den Rändern des Kanals zueinander ausgerichtet sind und dass sich die Fluidformungsgeometrien in den COC-Schichten perfekt überlappen. Stecken Sie Schrauben quer zur Mitte des Geräts und ziehen Sie mit einem Schraubendreher die Muttern und Schrauben fest, um das Gerät abwechselnd von links nach rechts von der Mitte zusammenzuklemmen.

Wiederholen Sie den vorherigen Schritt von der Mitte nach außen, um die Ausrichtung zu verriegeln und Undichtigkeiten zu vermeiden. Setzen Sie das Einlauffutter auf, wenn seine Befestigungslöcher erreicht sind, und fahren Sie abwechselnd mit der Montage der Schrauben fort. Verbinden Sie als Nächstes das Manteldurchflussgerät mit dem Tigon-Schlauch

Ziehen Sie mit Standard-HPLC-Anschlüssen alle Anschlüsse manuell fest, montieren Sie das Gerät vertikal mit einem Ringständer und einer Klemme und stellen Sie sicher, dass das Gerät mit einer Wasserwaage am obersten Teil vertikal ausgerichtet ist. Positionieren Sie dann die UV-Quelle senkrecht etwa einen Zentimeter von der COC-Fläche des Mantelflussgeräts entfernt, so dass die letzten drei bis fünf Zentimeter des Mikrokanals bestrahlt werden. Füllen Sie eine Ein-Milliliter-Köderspitzenspritze mit PEG 400, um als nicht-polymere Kernflüssigkeit zu dienen, und füllen Sie eine 30-Milliliter-Köderspitzenspritze mit PEG 400, um als Mantelflüssigkeit zu dienen.

Als nächstes wird eine frisch zubereitete Thiollinienlösung mit vier mal 10 zu minus einem Viertel Mol DMPA-Photoinitiator in einem kleinen Fläschchen ergänzt. Laden Sie nach etwa zwei Minuten Rühren eine mit Fünf-Milliliter-Aluminiumfolie umwickelte Spritze mit unterer Spitze mit einer Prepolymerlösung. Diesem Ort folgend befindet sich der Ausgang des mikrofluidischen Kanals in einem Auffangbad, das Wasser enthält.

Stellen Sie die Spritzenpumpen für die Kernummantelung und die Mantelflüssigkeitsspritze so ein, dass sie mit 30 bzw. 120 Mikrolitern pro Minute infundiert werden. Geben Sie dann die jeweiligen Spritzendurchmesser in die Spritzenpumpen ein. Montieren Sie dann die Spritzen in die entsprechenden Spritzenpumpen und schließen Sie sie an die Schleusenflussvorrichtung an.

Starten Sie mit einem UV-Schutzschlauch die Mantelflüssigkeit, um die Mantelströmungsvorrichtung zu entleeren und Luft aus dem System zu entfernen. Prüfen Sie den Mikrokanal visuell und achten Sie besonders auf die Formrillen, um sicherzustellen, dass keine Luftblasen im Mikrokanal verbleiben, bevor Sie zum nächsten Schritt übergehen. Wenn Luftblasen vorhanden sind, bewegen Sie das Gerät, indem Sie es unter Strom leicht drehen und/oder klopfen, um sie aus dem Gerät zu spülen.

Starten Sie die Beschichtungsflüssigkeit und lassen Sie den Fluss ebenfalls stabilisieren. Nachdem Sie den Mikrokanal inspiziert und die Luftblasen ausgespült haben, starten Sie die Kernflüssigkeit und stellen Sie sicher, dass keine Blasen im System vorhanden sind, wie zuvor. Schalten Sie abschließend die UV-Quelle ein und beobachten Sie das Auffangbad für die kontinuierliche Produktion der hohlen Mikrofaser, während sie mit der Mantelflüssigkeit ausgestoßen wird.

Bei der Entnahme der Faser aus dem Auffangbad wurde ein einfaches zweistufiges Design mit Formrillen und drei Lösungseingängen verwendet, um Hohlfasern zu erzeugen. Comsol-Simulationen wurden verwendet, um die geeigneten Durchflussverhältnisse zu bestimmen, um die gewünschte Querschnittsgröße zu erhalten. Eine Kombination aus Fräsen und Formen produzierte die Komponenten für die Mantelströmungsbaugruppe zur Herstellung der Fasern.

Die Polymerisation des Hüllmaterials wurde durch die UV-Lichtquelle initiiert und Hohlfasern wurden aus dem Mikrokanal in das Sammelbad extrudiert. Die Produktion der Fasern dauerte Minuten und erzeugte eine einzige Faser mit einer Länge von über einem Meter. Die unter diesen Bedingungen hergestellten Fasern hatten einen Durchmesser von etwa 200 Mikrometern.

Die Struktur der Fasern wurde mittels Licht- und Elektronenmikroskopie sichtbar gemacht. Die Fasern hatten eine ovale Form mit einem hohlen Kern. Die Kapillarwirkung wurde genutzt, um Flüssigkeit und Blasen in das Innere der Faser einzubringen und bestätigte, dass die Hohlstruktur über die gesamte Länge der Faser kontinuierlich war.

Einmal gemeistert, kann dieser Vorgang nur 45 Minuten dauern. Dazu gehören die Zeit für die Einrichtung des Kanals, die Lösungsvorbereitung, die Faserherstellung sowie das Sammeln der Fasern. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man einen mikrofluidischen Kanal zur Herstellung von hohlen Mikrofasern entwirft und zusammenbaut.

Vergessen Sie nicht, dass Sie bei der Arbeit mit gefährlichen Chemikalien und UV-Strahlung immer Ihre persönliche Schutzausrüstung tragen sollten.