Summary
Fordampning af en Sacrificial Komponent (Vasc) proces bruges til at fremstille mikrovaskulære strukturer. Denne procedure bruger blote poly (mælkesyre) syre fibre til at danne hule microchannels med præcis 3D geometriske positionering fra laser micromachined styreplader.
Abstract
Vaskulære strukturer i naturlige systemer er i stand til at levere høj massetransport gennem høj arealer og optimeret struktur. Få kunststof fremstillingsteknik er i stand til at efterligne kompleksiteten af disse strukturer og samtidig opretholde skalerbarhed. Den fordampning af en opofrende Komponent (Vasc) proces er i stand til at gøre det. Denne proces bruger offerskikke fibre som en template til dannelse af hule, cylindriske microchannels indlejret i en matrix. Tin (II) oxalat (SNOX) er indlejret i poly (mælkesyre) syre (PLA) fibre, som letter brugen af denne proces. Den SNOX katalyserer depolymerisering af PLA fibrene ved lavere temperaturer. Mælkesyre monomerer er gasformige ved disse temperaturer og kan fjernes fra den integrerede matrixen ved temperaturer, der ikke skader matrixen. Her viser vi en metode til at tilpasse disse fibre ved hjælp micromachined plader og en spændeanordning til at skabe komplekse mønstre af tredimensionalt klædt microchannels.Processen giver mulighed for udforskning af næsten enhver indretning af fiber topologier og strukturer.
Introduction
Naturlige systemer bruger omfattende vaskulære netværk til at lette mange biologiske funktioner. Massetransport kan opnås effektivt i sådanne systemer på grund af høje overfladeareal til volumenforhold og optimerede emballage strukturer. Mens mange syntetiske fremstillingsteknik kan producere mikrovaskulære strukturer kan ingen producere storstilet microvasculature samtidig opretholde kompleksitet og kompatibilitet med eksisterende fremstillingsmetoder 1-5. Strukturer såsom aviær lunge giver en inspiration. Hvordan kan vi fabrikere strukturer denne kompleksitet for at øge massetransport?
Den fordampning af en opofrende Komponent (Vasc) kan producere store, komplekse mikrovaskulære strukturer 6-7. Denne metode anvender termisk depolymerisering og fordampning fjernelse af poly (mælkesyre) syre fibre til at danne hule kanaler, der er det omvendte af fiberen skabelonen. Dette er en opofrende teknik foreneligt med den eksisterende produktionmetoder. Meter lange, cylindriske mikrokanalplader mønstre kan dannes ved hjælp af denne fremstillingsproces. Dette kan bruges til at skabe vaskulariserede enheder såsom selvhelbredende polymerer og 3D mikrovaskulære carbon capture enheder 7-10.
De carbon capture enheder blev inspireret af aviær lunge, der giver en effektiv gas-exchange-til-vægt forhold på grund af sin anvendelse under flyvningen. Den parabronchus er sammensat af Hexagonal mønstrede microchannels, hvilket giver stor gas valutakurser og strukturelt stabile gasudveksling enheder. For at skabe Varmevekslere med mikroskala funktioner tilpasset i tre dimensioner, vi udviklet en metode til selvstændigt opstramning fibre ved hjælp af en specialdesignet spænding board med guitar tunere og laser-micromachined plader. Hver fiber holdes på plads af ekstern spænding og mønsteret indstilles ved placeringen af hullerne i pladen, hvorigennem fibrene løber.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1.. Katalysere opofrende Fibers
- Wrap den ønskede mængde af poly (mælkesyre) syre fibre omkring den nederste ¾ af kundetilpassede spindel. Reducer fiber overlap at yde det maksimale areal eksponering.
- Bland deioniseret H2O med 40 ml Disperbyk 130 i en lukket flaske og ryst indtil en homogen opløsning er opnået. Derefter placere en 1000 ml bægerglas i et vandbad ved 37 ° C og hæld trifluoroethanol i bægerglasset. Mængden af H2O og TFE at bruge, afhænger af PLA anvendte fiber diameter.
Fiberdiameter Mængden af H2O (ml) Mængde TFE (ml) 200 400 400 300 360 440 500 320 480 - TilføjH 2 O / Disperbyk 187 opløsning til bægerglasset og omrøres indtil ensartethed.
- Tilsættes 1 g af malakitgrønt til blandingen, og rør indtil opløst.
- Placer brugerdefinerede spindel med fibre i bægeret ½ tommer fra bunden og fastgør spindlen til en digital mixer. Derefter starter den digitale blander ved 400 rpm.
- Langsomt tilsættes 1,3 g tin (II) oxalat (SNOX) katalysator til blandingen. Tilsætningen af SNOX skal være gradvis for at undgå store byområder af materiale fra bryder ud af opløsningen.
- Indstille pH i blandingen under anvendelse af NaOH, indtil pH er ~ 6,8-7,2.
- Fastgør et låg til bægerglasset og øge spindeldrejeretning til 500 rpm i 24 timer. Hvis byområdet SNOX overholdes, manuelt bryde det op inden for de første 2 timer.
- Fjern spindlen og tørre i en ovn ved 35 ° C natten over.
- Pakke og fjerne overskydende katalysator fra den katalyserede PLA fibre.
2.. Microvascular Gas Exchange Unit Fabrication
- Anskaf et par af laser-cut messing patterning messingplader med det ønskede mikrovaskulære mønster og anbringe plader på klip indehavere.
- Skær en 10 tommers længde af katalyseret fibre pr mikrokanalplade og fjerne eventuelle tilbageværende katalysator ved hjælp af en tykkere plade skæres til fiberdiameteren (draw plade).
- Taper kanterne af fibrene ved hjælp af spidsen af en limpistol til langsomt ekstrudere fiber tips.
- Før fibrene gennem matchende huller i messing patterning pladeparrene.
- Skru pladerne onto en støbekasse. Sørg for, at fibrene ikke er snoet, når du sætter pladerne.
- String fiber tips gennem tuning pløkke den brugerdefinerede opstramning bord.
- Spændinger PLA fibrene indtil stram. Vær forsigtig med ikke at over-spænding og snap fibrene.
- Fjern overskydende partikler fra fibermønsteret hjælp af trykluft.
- Mix polydimethylsiloxan (PDMS) base med hærder i en 10:1, vol: vol-forhold. Afgasses blandingen under vakuum i en ekssikkator krukke i 10 min.
- Hæld PDMS blandingen i formen feltet. Hæld ikke direkte over fibrene for at reducere indfangning af luftbobler.
- Ved hjælp af en 26 G nål fjerne eventuelle bobler i støbekasse eller mellem fibrene.
- Helbrede PDMS blandingen ved 85 ° C i 30 min.
- Frigør messingpladerne fra formen kassen, og sørg for ikke at bøje pladerne eller trække for hårdt. Tag den hærdede 1. etape fra formen kassen.
- Før fibrene gennem en RTV endekappe ved at punktere huller i endekappe med en kanyle. Afhængig fiber størrelse, en nåletykkelse der har mindst 2x den indre diameter af den ydre diameter af din fiber bruge. Opretholde et lignende mønster som messing mønster plade, men mere bredt spredt ud.
- Fastgør enden-caps til enderne af et større formkasse og hæld en 2 nd etape af PDMS.
- Fjern eventuelle resterende gasbobler oghærde ved 85 ° C i 30 min.
- Skær overskydende PLA fibre fra prøven og sted i et vakuum ovn ved 210 ° C i 24 timer, eller indtil PLA fibre er blevet meste evakueret.
- Hvis nogen PLA ikke kan fjernes, forsigtigt opløse ud af mikrokanaler hjælp af en indsprøjtning af 1 ml chloroform.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Denne fremgangsmåde tilvejebringer en fremgangsmåde til fremstilling af mikrovaskulære strukturer indlejret i en harpiks. Disse strukturer kan være i overensstemmelse med en række forskellige mønstre (figur 2). Strukturen af det mikrovaskulære netværk er kun begrænset af de strukturer, der kan dannes med rituelle fibre.
Anvender et parallelt arrangement af mikrovaskulære kanaler, gas transport mellem fluidstrømme lettes som gasser krydse en gennemtrængelig inter-kanal membran. Disse enheder kan fremstilles på en skalerbar måde uden behov for litografi (figur 3). De dannede mikrokanaler er fuldstændig hul og kan være adskilt af mindre end 50 um.
Det er muligt for både lækager og stik til at blive vist inden for de microchannels (Figur 4). Dannelsen af en prop vil forhindre enhver væskestrøm gennem mikrokanalen og skal fjernes manuelt. En lækage mellem kanalerne kan danne whøne fibrene ikke grundigt rengjort og spændt.
Figur 1. Vasc produktionsprocessen overblik. Opofrende PLA fibre føres igennem micromachined styreplader. Fibrene er trukket indtil stram til at skabe en parallel arrangement. Fibrene indlejres derefter i en matrix. Varme og vakuum anvendes derefter til at depolymerisere fibrene i gasformige monomerer. Slutresultatet er et hul sæt mikrokanaler hvor fibrene engang var.
Figur 2. Prøvemønstre. (A) SEM-billede af et enkelt sekskantet mønster of 200 um og 300 um diameter kanaler. (B) Guide plade for en Hexagonal pakket mønster af 200 um og 300 um diameter mikrokanaler.
Figur 3. Repræsentativ gasudveksling enhed. Den centrale del af enheden indeholder et hexagonalt arrangement af 200 um og 300 um diameter mikrokanaler. En sekundær struktur breder sig og giver mulighed for lettere adgang til microchannels. Microchannels er fyldt med blå og orange farve til visuel klarhed.
Figur 4.. Repræsentant mislykkedes gasudveksling enheden.
Figur 5. Tilpassede anordninger til fabrikation. (A) Brugerdefineret spindel. Seks bærestængerne omgiver en central kerne. PLA fibre viklet omkring de bærende stænger til at maksimere kontakt med den katalytiske opløsning. En blanding blad er placeret i bunden af spindlen at indføre kaotisk strøm. (B) Brugerdefineret spænding bord. Guitar tunere er placeret langs kanterne af en akryl bord spænding PLA fibre. Pivot punkter er placeret, så that vinklen mellem fibrene og vejledning plader forbliver tæt på vinkelret.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Indførelsen af SNOX katalysator i PLA fibre tillader fibrene at depolymerisere ved en lavere temperatur. Dette forhindrer nedbrydningen af indlejring harpiks, i dette tilfælde PDMS. En brugerdefineret spindlen kræves til korrekt blande behandlingen opløsning (figur 5A). Spindlen er sammensat af seks bærestængerne omkring en central kerne, der er knyttet til en digital mixer. Fibrene er viklet omkring støttestængerne således at overfladearealet af emballagens fibre i kontakt med den katalytiske opløsning blev maksimeret. Bunden af spindlen indeholdt et sæt vinger til at indføre kaotisk strøm. Den kaotiske flow forhindrer byområdet katalysatoren.
En brugerdefineret spænding board bruges til at oprette den parallelle sæt fibre (figur 5B). Denne består af en bestyrelse med guitar tuning pinde langs kanten af brættet. Dimensionerne af bestyrelsen er uden betydning, så længe nok tuning pinde er present til spænding alle de fibre, der anvendes i mønstret. Tilsætningen af drejepunkter for fibrene er nyttigt at forhindre fibrene i at bøje ved for stor en vinkel på ledepladen interface. Den mest udfordrende del af fremstillingen fremgangsmåde kan gevindet af fibrene for større mønstre. Det er vigtigt at forblive organiseret når tråde fibrene, der sikrer, at der er rigelig plads i trådning næste fiber.
For mønstre med mikrokanalplader separationer under 50 um, er det muligt at bryde styrepladerne. Der skal udvises forsigtighed med at fjerne overskydende katalysator fra fibrene som den overskydende er ofte større i diameter end Plademønstret huller. Når du fjerner pladerne skal PDMS, der har lækket gennem pladerne også fjernes, da det kan producere yderligere stress på pladerne, når de er fjernet.
Ledepladerne blev fremstillet ved hjælp af laser micromachining. Denne proces producerer en svag tilspidsning til hole af pladen, hvilket resulterer i den ene side med en lidt større åbning end den anden. Det er vigtigt at have den mindre åbning vender mod formkassen. Hvis den mindste ende vender væk fra formkassen, kan den øgede modstand under fjernelsesprocessen også bryde pladen.
Det er muligt for propper af PLA at forblive i mikrokanaler efter længere tids evakuering. Hyppig ovn og støvsugning kan bidrage til at afhjælpe dette. Øvrige stik kan fjernes med chloroform, så længe stikket er af en kort længde. Længere mikrovaskulære strukturer kan også hjælpe med at reducere plug formationer, som de ofte synes imod enderne af en mikrokanalplade. Den ekstra længde kan tillade stikket skal afskæres fra enheden.
Denne fremstillingsproces er ikke litografisk og kan tilpasses til en række eksisterende fremstillingsmetoder. Anvendelsen af en opofrende skabelon muliggør skabelsen af komplekse tredimensionelle mikrofluidenheder. Den tætte placering af mikrovaskulære mønster blev anvendt til transport af gas mellem mikrokanaler i en gasgennemtrængelig matrix, men det er ikke den eneste potentielle anvendelse. Med den intime kontakt mellem mikrokanaler, også mikrofluid varmeveksling i tre dimensioner bliver tilgængelig i stor skala ved hjælp af denne fremstillingsproces. Det er også muligt at bevidst slutte sig microchannels at fremkalde kemisk reaktivitet. Denne fabrikationsproces tilladt for skabelsen af biomimetiske systemer og kan bruges til så bred en vifte af applikationer, som dem, der udføres af fysiske mikrovaskulære-systemer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har indgivet en foreløbig patent på denne teknologi und US patent US foreløbig ansøgning serienr 61/590, 086.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af AFOSR Young Investigator Program under FA9550-12-1-0352 og et 3M Non-tenured Faculty Award. Forfatterne vil gerne takke Lalisa Stutts og Janine Tom for nyttige drøftelser vedrørende dette projekt. Forfatterne takker Calit2 Microscopy Center og Laser spektroskopi Facility på University of California, Irvine for at tillade brug af sine faciliteter. Hodge Harland og UCI Physical Sciences Machine Shop er anerkendt til fremstilling af værktøj. Poly (mælkesyre) syre fibre blev generøst leveret af Teijin Monofilament.
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
- Bellan, L. M., Singh, S. P., Henderson, P. W., Porri, T. J., Craighead, H. G., Spector, J. A. Fabrication of an artificial 3-dimensional vascular network using sacrificial sugar structures. Soft Matter. 5 (7), 1354 (2009).
- Bellan, L. M., Strychalski, E. A., Craighead, H. G. Nano-channels fabricated in polydimethylsiloxane using sacrificial electrospun polyethylene oxide nanofibers. J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanometer Struct. Process. Meas. Phenom. 26 (5), 1728 (2008).
- Borenstein, J. T., Weinberg, E. J., Orrick, B. K., Sundback, C., Kaazempur-Mofrad, M. R., Vacanti, J. P.
- Wu, H., Odom, T. W., Chiu, D. T., Whitesides, G. M. Fabrication of complex three-dimensional microchannel systems in PDMS. J. Am. Chem. Soc. 125 (2), 554-559 (2003).
- Trask, R. S., Bond, I. P. Biomimetic self-healing of advanced composite structures using hollow glass fibres. Smart Mater. Struct. 15 (3), 704-710 (2006).
- Dong, H., Esser-Kahn, A. P., et al. Chemical treatment of poly(lactic acid) fibers to enhance the rate of thermal depolymerization. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 503-509 (2012).
- Esser-Kahn, A. P., Thakre, P. R., et al.
- White, S. R., Blaiszik, B. J., Kramer, S. L. B., Olugebefola, S. C., Moore, J. S., Sottos, N. R.
- Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. A three-dimensional microvascular gas exchange unit for carbon dioxide capture. Lab Chip. 12 (7), 1246 (2012).
- Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. The effect of membrane thickness on a microvascular gas exchange unit. Adv. Funct. Mater. , (2012).
