Summary
La vaporisation d'un processus de composant sacrificiel (VASC) est utilisé pour fabriquer des structures microvasculaires. Cette procédure utilise des fibres d'acide poly (lactique sacrificielles) pour former des microcanaux creuses avec un positionnement géométrique 3D précises fournies par des plaques de guidage laser micro-usinés.
Abstract
Structures vasculaires dans les systèmes naturels sont en mesure d'assurer le transport de masse élevée à travers des zones de surface élevée et une structure optimisée. Peu de techniques de fabrication de matière synthétique sont capables d'imiter la complexité de ces structures tout en conservant l'évolutivité. La vaporisation d'un processus de composant sacrificiel (VASC) est en mesure de le faire. Ce processus utilise des fibres sacrificielles comme modèle pour former creux, microcanaux cylindriques incorporées dans une matrice. Tin (II) oxalate (SnOx) est incorporé dans le poly (lactique) fibres acide (PLA) qui facilite l'utilisation de ce processus. Le SnOx catalyse la dépolymérisation des fibres PLA à des températures plus basses. Les monomères d'acide lactique sont gazeux à ces températures, et peuvent être retirées de la matrice incorporé à des températures qui ne nuisent pas à la matrice. Ici, nous montrons une méthode pour aligner ces fibres à l'aide de plaques de micro-usinés et un dispositif de tension pour créer des motifs complexes en trois dimensions des microcanaux disposés.Le processus permet l'exploration de pratiquement n'importe quel arrangement de fibres topologies et structures.
Introduction
Les systèmes naturels utilisent de vastes réseaux vasculaires de faciliter de nombreuses fonctions biologiques. le transport de masse peut être réalisé efficacement dans de tels systèmes en raison d'une grande surface de rapports de volume et les structures d'emballage optimisés. Alors que de nombreuses techniques de fabrication synthétiques peuvent produire des structures microvasculaires, nul ne peut produire microvasculature à grande échelle tout en maintenant la complexité et la compatibilité avec les procédés de fabrication existants 1-5. Des structures telles que le poumon aviaire fournissent une source d'inspiration. Comment pouvons-nous fabriquer des structures de cette complexité pour améliorer le transport de masse?
La vaporisation d'un composant sacrificiel (VASC) peut produire des structures microvasculaires de grande envergure, complexes 6-7. Cette méthode utilise la dépolymérisation thermique par évaporation et l'élimination de poly (lactique), des fibres d'acide pour former des canaux creux qui sont l'inverse de la matrice de fibres. Il s'agit d'une technique de sacrifice compatible avec la fabrication existanteméthodes. Mètres de long, les modèles de microcanaux cylindriques peuvent être formées en utilisant ce procédé de fabrication. Ceci peut être utilisé pour créer des dispositifs vascularisés tels que les polymères auto-guérison et d'unités de capture du carbone microvasculaires 3D 7-10.
Les unités de capture du carbone ont été inspirés par le poumon aviaire qui fournit un moyen efficace d'échange de gaz à rapport poids en raison de son utilisation en vol. Le parabronchus est composé de microcanaux hexagonale à motifs, qui fournit des taux de change élevé de l'essence et des unités d'échange de gaz structurellement stables. Afin de créer des unités d'échange avec des caractéristiques micrométriques alignés en trois dimensions, nous avons développé une méthode de mise en tension indépendamment fibres en utilisant une planche de tension conçu sur mesure avec tuners de guitare et de plaques au laser micro-usinés. Chaque fibre est maintenue en place par la tension externe et le motif est défini par l'emplacement des trous de la plaque à travers laquelle les fibres s'exécutent.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Catalyser fibres sacrifiées
- Enrouler la quantité désirée de fibres de poly (lactique), d'acide près de la partie inférieure de la broche ¾ personnalisée. Réduire le chevauchement de fibres pour fournir l'exposition maximale de la surface.
- Mélanger déminéralisée H 2 O avec 40 ml de Disperbyk 130 dans une bouteille fermée et secouer jusqu'à ce qu'une solution homogène. Ensuite, placez un bécher de 1000 dans un bain d'eau à 37 ° C et verser trifluoréthanol dans le bécher. La quantité de H 2 O et TFE à utiliser dépend du diamètre de la fibre PLA utilisé.
Diamètre de la fibre Quantité de H 2 O (ml) Montant de TFE (ml) 200 400 400 300 360 440 500 320 480 - Ajouterl'O / Disperbyk 187 solution H 2 dans le bécher et remuer jusqu'à homogénéité.
- Ajouter 1 g de vert de malachite dans le mélange et remuer jusqu'à dissolution.
- Placez la broche sur mesure avec des fibres dans le bécher ½ pouce du fond et fixer la broche à une console de mixage numérique. Puis, vous lancez le mélangeur numérique à 400 rpm.
- Ajouter lentement 1,3 g de catalyseur à l'étain (II) oxalate (SnOx) au mélange. L'ajout de SnOx doit être progressive afin d'éviter les grandes agglomérations de matériel de s'écraser sur la solution.
- Ajuster le pH dans le mélange avec du NaOH jusqu'à pH ~ 6,8-7,2.
- Fixer un couvercle sur le bécher et augmenter la rotation de la broche à 500 tours par minute pendant 24 heures. Si une agglomération de SnOx est observée, casser manuellement vers le haut dans les 2 premières heures.
- Retirer la broche et sèche au four à 35 ° C pendant la nuit.
- Déballer et enlever l'excès de catalyseur à partir des fibres de PLA catalysées.
2. Microvasculaire gaz Exchange Unité Fabrication
- Procurez-vous une paire de cuivre plaques de laiton de motifs découpés au laser avec le motif de microvasculaire souhaitée et fixer les plaques sur les détenteurs de clip.
- Couper une longueur de 10 pouces de fibre catalysée par micro-canal et supprimer n'importe quel catalyseur restant à l'aide d'une plaque plus épaisse pour réduire le diamètre des fibres (plaque nuls).
- Cône les bords des fibres à l'aide de la pointe d'un pistolet à colle chaude pour extruder lentement les bouts de fibre.
- Passer les fibres à travers des trous correspondant à des paires de plaques de mise en forme de laiton.
- Visser les plaques sur une boîte de moulage. Assurez-vous que les fibres ne sont pas tordus lors de la fixation des plaques.
- Enchaîner les conseils de fibre à travers le tuning pegs du conseil de tension personnalisé.
- Tendre les fibres PLA jusqu'à tendue. Faites attention de ne pas trop la tension et enclenchez les fibres.
- Enlever les particules en excès à partir du motif de la fibre à l'aide d'air comprimé.
- Mix polydiméthylsiloxane base (PDMS) avec durcisseur en 10:1, v: rapport v. Degas le mélange sous vide dans un bocal en dessiccateur pendant 10 min.
- Verser le mélange PDMS dans la boîte de moule. Ne pas verser directement sur les fibres, afin de réduire le piégeage de bulles d'air.
- Utilisation d'une aiguille de calibre 26, éliminer les bulles à l'intérieur de la boîte de moulage, ou entre les fibres.
- Durcir le mélange PDMS à 85 ° C pendant 30 min.
- Détachez les plaques d'airain de la boîte de moule, en veillant à ne pas plier les plaques ou tirer trop fort. Retirez la 1 ère étape guéri de la boîte de moule.
- Passer les fibres à travers un bouchon RTV en perforant des trous dans le bouchon avec une aiguille hypodermique. En fonction de la taille des fibres, en utilisant une jauge d'aiguille qui a au moins 2 fois le diamètre intérieur du diamètre externe de la fibre. Maintenir une configuration similaire à celle de la plaque de formation de motifs en laiton, mais plus largement étalé.
- Fixer les embouts aux extrémités d'une boîte de moule plus grand et verser une 2 ème étape du PDMS.
- Retirez toutes les bulles de gaz restants etdurcir à 85 ° C pendant 30 min.
- Coupez les fibres PLA excès de l'échantillon et le placer dans un four sous vide à 210 ° C pendant 24 heures, ou jusqu'à ce que les fibres de PLA ont été pour la plupart évacués.
- Si l'APL ne peut être retiré, dissoudre doucement sur les microcanaux en utilisant une injection de 1 ml de chloroforme.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Cette procédure concerne un procédé de fabrication de structures microvasculaires incorporées dans une résine. Ces structures peuvent se conformer à une variété de modèles (Figure 2). La structure du réseau microvasculaire est seulement limité par les structures qui peuvent être formés avec les fibres sacrificielles.
Utilisation d'un agencement parallèle de canaux microvasculaires, le transport du gaz entre les courants de fluide est facilitée que les gaz traversent une membrane perméable à l'inter-canaux. Ces dispositifs peuvent être fabriqués de façon évolutive, sans la nécessité pour la lithographie (figure 3). Les micro-canaux formés sont entièrement creuses et peuvent être séparées par moins de 50 um.
Il est possible pour les fuites et les bouchons apparaissent dans les microcanaux (Figure 4). La formation d'un bouchon permettra d'éviter tout écoulement de fluide dans le canal et doivent être supprimés manuellement. Une fuite entre canaux peut former wpoule les fibres ne sont pas nettoyés et tendues.
Figure 1. VASC aperçu du processus de fabrication. Des fibres PLA sacrificielles sont enfilés à travers des plaques de guidage micro-usinés. Les fibres sont enfilées jusqu'à tendu pour créer un montage en parallèle. Les fibres sont ensuite incorporées dans une matrice. La chaleur et du vide sont ensuite utilisés pour dépolymériser les fibres en monomères gazeux. Le résultat final est un ensemble creux de microcanaux où les fibres étaient autrefois.
Figure 2. modèles de démonstration. (A) image MEB d'un motif hexagonal unique oF 200 um et 300 chaînes um de diamètre. (B) Plaque de guidage pour un motif hexagonal emballé de 200 um et 300 microcanaux um de diamètre.
Figure 3. Unité d'échange de gaz représentatif. La partie centrale de l'appareil contient un agencement hexagonal de 200 um et 300 des microcanaux pm de diamètre. Une structure secondaire s'étale et facilite l'accès à des microcanaux. Microcanaux sont chargées avec un colorant bleu et orange pour la clarté visuelle.
Figure 4. Représentative échoué unité d'échange de gaz.
Figure 5. Dispositifs sur mesure pour la fabrication. (A) de la broche personnalisée. Six tiges de support autour d'une âme centrale. PLA fibres sont enroulées autour des tiges de support pour maximiser le contact avec la solution catalytique. Ailette de mélange est positionnée à la partie inférieure de la broche à introduire le flux chaotique. (B) le Conseil de tension personnalisée. tuners de guitare sont positionnés le long des bords d'un conseil acrylique à tendre les fibres de PLA. Points de pivot sont positionnés de façon that l'angle entre les fibres et les plaques de guidage reste proche de la perpendiculaire.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
L'introduction du catalyseur SnOx dans les fibres PLA permet aux fibres de dépolymérisent à une température inférieure. Ceci permet d'éviter la dégradation de la résine d'enrobage, dans ce cas, le PDMS. Une broche de commande est nécessaire de bien mélanger la solution de traitement (figure 5A). L'axe est composé de six tiges de support autour d'un noyau central qui se fixe à un mélangeur numérique. Les fibres sont enroulés autour des tiges de support de telle sorte que l'aire de surface des fibres d'emballage en contact avec la solution catalytique a été maximisée. La partie inférieure de la tige contient un ensemble de lames d'introduire le flux chaotique. Le flux chaotique empêche l'agglomération du catalyseur.
Un conseil de tension personnalisé est utilisé pour créer le jeu parallèle de fibres (figure 5B). Il se compose d'un conseil d'administration avec la guitare chevilles le long des bords de la carte. Les dimensions de la carte sont sans importance tant que suffisamment de chevilles sont present à la tension de toutes les fibres utilisées dans le modèle. L'addition de points de pivotement pour les fibres est utile pour empêcher les fibres de se plier à une trop grande d'un angle à l'interface de la plaque de guidage. La partie la plus difficile de la procédure de fabrication est probable que le filetage des fibres pour les modèles plus grands. Il est important de rester organisé lors de l'enfilage des fibres, s'assurer qu'il ya suffisamment d'espace dans le filetage de la prochaine fibre.
Pour modèles avec des séparations microcanaux de moins de 50 um, il est possible de briser les plaques de guidage. Il faut veiller à éliminer les excès de catalyseur à partir des fibres en tant que l'excès est souvent plus grande en diamètre que les trous du motif de la plaque. Lors du retrait des plaques, PDMS qui a fui à travers les plaques doit également être supprimée car elle peut produire une pression supplémentaire sur les plateaux lorsqu'ils sont retirés.
Les plaques de guidage ont été fabriqués en utilisant le micro-usinage au laser. Ce processus produit un léger rétrécissement de la hole de la plaque, ce qui entraîne d'un côté ayant une ouverture légèrement plus grande que l'autre. Il est important d'avoir la plus petite ouverture tournée vers la boîte de moule. Si l'extrémité inférieure tournée à l'opposé de la zone de moulage, la résistance accrue au cours du processus de suppression peut également briser la plaque.
Il est possible pour les prises de PLA à rester dans les microcanaux après une longue période d'évacuation. Frequent four et un aspirateur peuvent aider à atténuer ce. Fiches restantes peuvent être enlevées avec du chloroforme tant que la fiche est de courte durée. Structures plus microvasculaires peuvent aussi aider à réduire les formations de bougies car ils apparaissent souvent vers les extrémités d'un micro-canal. La longueur supplémentaire peut permettre la prise doit être coupée de l'appareil.
Ce processus de fabrication est non lithographique et peut être adapté à une variété de méthodes de fabrication existantes. L'utilisation d'un modèle sacrificiel permet la création de micro-fluidique tridimensionnelle complexedispositifs. Le positionnement de près le modèle microvasculaire a été utilisé pour le transport de gaz entre microcanaux dans une matrice perméable au gaz, mais elle n'est pas la seule application possible. Avec le contact intime entre les micro-canaux, l'échange de chaleur microfluidique en trois dimensions est également accessible sur une grande échelle, en utilisant ce procédé de fabrication. Il est également possible de rejoindre volontairement les microcanaux pour induire une réactivité chimique. Ce processus de fabrication a permis la création de systèmes biomimétiques et peut être utilisé pour la plus large d'une variété d'applications que celles effectuées par les systèmes naturels microvasculaires.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Nous avons déposé une demande de brevet provisoire sur cette technologie und brevet américain US application provisoire de série n ° 61/590, 086.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par le programme Young Investigator AFOSR sous FA9550-12-1-0352 et un Prix 3M de la faculté non permanent. Les auteurs tiennent à remercier lalisa Stutts et Janine Tom de discussion utile relative à ce projet. Les auteurs remercient le Centre de Microscopie Calit2 et pour la spectroscopie laser à l'Université de Californie, Irvine pour permettre l'utilisation de ses installations. Hodge Harland et l'UCI Sciences physiques Atelier d'usinage sont reconnus pour la fabrication d'outils. Poly (lactique) de fibres d'acide a été généreusement fourni par 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).
