Summary
Испарение жертвенный компонент (VASC) процесс используется для изготовления микрососудистые структур. В этой процедуре используется жертвенной поли (молочной) волокон кислотой с образованием полых микроканалов с точными геометрическими 3D позиционирования предоставляемые лазерной микромеханический направляющих пластин.
Abstract
Сосудистых структур в природных системах в состоянии обеспечить высокие транспортные массы через районы с высокой поверхности и оптимизированной структурой. Мало синтетические методы изготовления материала способны имитировать сложность этих структур, сохраняя при этом масштабируемость. Испарение жертвенный компонент (VASC) процесс в состоянии сделать это. Этот процесс использует жертвенный волокон в качестве шаблона для формирования полый цилиндрический микроканалов, внедренного в матрицу. Олова (II) оксалат (SnOx) встроен в поли (молочная) кислота (PLA) волокон, которые облегчает использование этого процесса. SnOx катализирует деполимеризации PLA волокна при более низких температурах. Молочную кислоту мономеров являются газообразными при этих температурах и могут быть удалены из встроенного матрицы при температурах, которые не повреждают матрицы. Здесь мы показываем, метод для ориентации этих волокон с использованием микромеханический пластин и натяжным устройством для создания сложных моделей трехмерно выстроил микроканалов.Этот процесс позволяет исследование практически любое расположение волокон топологии и структуры.
Introduction
Природные системы используют обширные сосудистые сети для облегчения многих биологических функций. Массопереноса могут быть достигнуты эффективно в таких системах из-за большой площади поверхности к объему и оптимизированной упаковки структур. В то время как многие синтетические методы изготовления может производить микрососудистые структур, никто не может производить крупномасштабные микрососудов, сохраняя при этом сложность и совместимость с существующими методами производства 1-5. Структуры, такие как птичий легких обеспечивают вдохновения. Как мы можем изготовить структуры этой сложности для повышения общественного транспорта?
Испарение жертвенный компонент (VASC) может привести к крупномасштабной, сложных структур микрососудистые 6-7. Этот метод использует тепловой деполимеризации и испарительного удаления поли (молочная) кислота волокон для образования полых каналов, которые являются обратными по отношению волокно шаблона. Это жертвенный техники совместимы с существующими производствеметодами. Метр длины, цилиндрические микроканальной шаблоны могут быть сформированы с помощью этого процесса изготовления. Это может быть использовано для создания васкуляризированной устройств, таких как самовосстановления полимеров и 3D микрососудистых единиц улавливания 7-10.
Углеродных единиц захвата были вдохновлены птичьего легких, который обеспечивает эффективный газообмен-к весу вследствие использования устройства в самолете. Parabronchus состоит из гексагональной узорные микроканалов, что обеспечивает высокую газа обменные курсы и грубых единиц газообмен. Для того чтобы создать обмен единиц с функциями микромасштабной выровнены в трех измерениях, мы разработали метод независимо натяжения волокон с использованием специально созданных напряженности доска с гитарой тюнеров и лазерной микромеханический пластин. Каждое волокно удерживается на месте с помощью внешнего напряжения и шаблон установлен на размещение отверстий в пластине, через которое волокна идут.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Катализатор Жертвенный Волокна
- Обертка желаемое количество поли (молочная) кислота волокон вокруг нижней ¾ специализированных шпинделя. Уменьшите волокна перекрытия предоставить максимальный размер площади поверхности.
- Смешать деионизированной Н 2 O 40 мл Disperbyk 130 в закрытой бутылке и встряхивают до гомогенного раствора не будет получен. Затем поместите 1000 мл стакане на водяной бане при 37 ° С и залить трифторэтанола в мензурку. Количество H 2 O и ТФЭ использовать, зависит от диаметра волокна, используемого PLA.
Диаметр волокна Количество H 2 O (мл) Количество ТФЭ (мл) 200 400 400 300 360 440 500 320 480 - ДобавлятьH 2 O / Disperbyk 187 решения в стакан и перемешать до однородности.
- Добавить 1 г малахитовой зелени к смеси и размешать до полного растворения.
- Поместите пользовательские шпиндель с волокнами в стакане ½ дюйма от дна и прикрепите шпинделя до цифрового микшера. Затем запустите цифрового микшера при 400 оборотах в минуту.
- Медленно добавляют 1,3 г олова (II) оксалат (SnOx) в качестве катализатора в смесь. Добавление SnOx должно быть постепенным во избежание больших агломератов материала от падения из раствора.
- Доводят рН в смеси с использованием NaOH до рН составляет ~ 6,8-7,2.
- Закрепить крышку в химический стакан и увеличить вращение шпинделя до 500 оборотов в минуту в течение 24 часов. Если агломерации SnOx наблюдается, вручную разбить его в течение первых 2 часов.
- Удалить шпиндель и сухие в печи при 35 ° С в течение ночи.
- Разверните и удаления избытка катализатора из волокон катализируемом НОАК.
2. Микрососудистой газа ExchanGE изготовление единицы
- Получается пара лазерной резки медных листах паттернов латуни с желаемой структуре микро-и прикрепить пластины на клип владельцам.
- Вырезать 10 дюймов длиной волокна в катализируемой микроканальным и удалите оставшуюся катализатора с использованием более толстой пластинке, вырезанной на диаметр волокна (фильеры).
- Конические края волокон с помощью иглы горячее оружие клея медленно выдавливать волокна советы.
- Заправьте волокон через соответствующие отверстия в латунной пластине пары паттернов.
- Винт пластины на опоки. Убедитесь, что волокна не перекручены при креплении плит.
- Струнный волокна советы по настройке колья заказ доска натяжения.
- Напряжение PLA волокон до тех пор натянута. Будьте осторожны, чтобы не натяжение и оснастки волокон.
- Удалите излишки частиц из рисунка волокон с использованием сжатого воздуха.
- Смешивания полидиметилсилоксана (ПДМС) основания с отвердителем в 10:01, об: об отношении. Смесь дегазируют в вакуумном эксикаторе сосуд в течение 10 мин.
- Вылейте смесь PDMS в форму коробки. Не выливать непосредственно над волокон для того, чтобы уменьшить захват пузырьков воздуха.
- С помощью 26 G иглы, удалить пузырьки внутри формовочной коробки или между волокнами.
- Лечение смесь PDMS при 85 ° С в течение 30 мин.
- Ослабить медные листы из формы коробки, убедившись, чтобы не погнуть пластины или тянуть слишком сильно. Снимите вылечить 1-й этап из опоки.
- Пропустите через волокна RTV крышке путем прокалывания отверстий в крышке иглой для подкожных инъекций. В зависимости от размера волокон, используют иглой, который имеет по крайней мере 2 раза внутреннего диаметра наружного диаметра вашей волокна. Поддерживать Аналогичная картина как структурирование латунные пластины, но более широко распространено.
- Закрепите заглушки на концах больших опоки и залить 2-й этап PDMS.
- Удалите все оставшиеся пузырьки газа иотверждение при 85 ° С в течение 30 мин.
- Отрежьте излишки волокна PLA из образца и место в вакуумной печи при температуре 210 ° C в течение 24 часов, или пока PLA волокна не были по большей части эвакуированы.
- Если PLA не могут быть удалены, осторожно растворить из микроканалов использованием инъекции 1 мл хлороформа.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Эта процедура обеспечивает способ изготовления микрососудистых структур встроенных в смоле. Эти структуры могут соответствовать различные узоры (рис. 2). Структура микрососудистой сети ограничен только те структуры, которые могут быть сформированы с жертвенного волокон.
Использование параллельного расположения микрососудистые каналов, газотранспортных потоков жидкости между способствует как газы проходят проницаемой межканальную мембраны. Эти устройства могут быть изготовлены в масштабируемой способом без необходимости литографии (рис. 3). Микроканалов сформирована полностью полыми и могут быть разделены менее чем 50 мкм.
Это возможно как для утечки и пробки появляться в микроканалов (рис. 4). Образования пробки предотвратит поток текучей среды через микроканальной и должны быть удалены вручную. Утечка между каналами может Форму Wкурица волокна не тщательно очищены и натянут.
Рисунок 1. VASC процесс изготовления обзор. Жертвенный PLA волокна пропускаются через микромеханический направляющих пластин. Волокна не нанизываются, пока тугие создать параллельное расположение. Затем волокна внедрены в матрицу. Тепло-и вакуум затем используются для деполимеризоваться волокон в газообразных мономеров. Конечным результатом является полым набор микроканалов, где волокна были раньше.
Рисунок 2. Примеры узоров. (A) SEM изображение одного гексагональной структуры оF 200 мкм и 300 мкм в диаметре каналов. (B) Направляющая пластина для шестиугольника упакованная структура 200 мкм и 300 мкм в диаметре микроканалов.
Рисунок 3. Представитель газообмена блока. Центральная часть устройства содержит гексагональную расположение 200 мкм и 300 мкм в диаметре микроканалов. Вторичная структура распространяется и позволяет с легкостью доступа к микроканалов. Микроканалы загружаются с синего и оранжевого красителя для четкости.
Рисунок 4. Представитель неисправный блок газообмен.
Рисунок 5. Пользовательские устройства для изготовления. () Пользовательских шпинделя. Шесть несущих стержней окружают центральный сердечник. PLA волокна обернут вокруг поддерживающих стержней максимального контакта со каталитического раствора. Лопастной мешалки расположен в нижней части шпинделя ввести хаотическим потоком. (B) Пользовательские натяжения борту. Guitar тюнеров расположены по краям акриловой доски для натяжения PLA волокон. Опорные точки расположены так, тхаT угол между волокнами и направляющие пластины остается близкой к перпендикулярны.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Введение катализатора в SnOx PLA волокна позволяет волокнам деполимеризации при более низкой температуре. Это предотвращает деградацию вложение смолы, в данном случае PDMS. Пользовательских шпиндель необходимо правильно смешивать раствор для обработки (фиг.5А). Шпиндель состоит из шести несущих стержней, окружающих центральную сердцевину, которая подключается к цифровой смеситель. Волокна обернута вокруг опорных стержней таким образом, что площадь поверхности упаковки волокон в контакт с каталитическим раствор максимальным. В нижней части шпинделя содержит ряд лопаток ввести хаотическим потоком. Хаотический поток предотвращает агломерацию катализатора.
Заказ доска натяжения используется для создания параллельный набор волокон (фиг. 5В). Он состоит из доски с гитарой колков по краям платы. Размеры доски имеют значения пока достаточно колышки тюнинга Preseщ напряжение всех волокон, используемых в шаблоне. Добавление опорные точки для волокон является полезным для предотвращения волокон от изгиба на слишком большой угол на границе пластину. Наиболее сложной частью процедуры изготовления, вероятно Threading волокон для увеличения узоров. Важно, чтобы оставаться организована при заправке волокна, гарантируя, что есть достаточно места в заправке нити в следующем волокна.
Для моделей с микроканальной разделений до 50 мкм, можно разорвать направляющими пластинами. Следует соблюдать осторожность при удалении избыточного катализатора из волокон, как избыток часто больший диаметр, чем отверстие пластины узором. При удалении плиты, PDMS, что произошла утечка через пластины также должны быть удалены, поскольку это может привести к дополнительной нагрузке на пластинах, когда они удалены.
Направляющие пластины были изготовлены с использованием лазерной микрообработке. Этот процесс приводит к небольшой конусностью в холе пластины, в результате чего одна сторона имеет немного больший открытия, чем другой. Важно иметь меньшее отверстие, обращенный к форме коробки. При меньшем конце обращена в сторону от опоки, повышенную устойчивость в процессе удаления также может нарушить пластины.
Вполне возможно, для клемм PLA оставаться в микроканалов после длительного периода эвакуации. Частые печь и пылесос может помочь облегчить это. Остальные пробки могут быть удалены с хлороформом тех пор, пока пробка имеет короткую длину. Дольше микрососудистые структуры может также помочь уменьшить вилку образований, поскольку они часто появляются ближе к концам микроканальном. Дополнительная длина может позволить вилку быть отрезанными от устройства.
Этот процесс изготовления не является литографических и может быть адаптирован к различным существующих методов производства. Использование жертвенный шаблон допускает создание сложные трехмерные Микрожидкостныхустройствами. Близкое расположение микрососудистых образец был использован для транспортировки газа между микроканалы в матрице газопроницаемые, но это не единственное возможное применение. С тесный контакт между микроканалов, Микрожидкостных теплообмена в трех измерениях также становится доступным в больших масштабах с помощью этого процесса изготовления. Возможно также, чтобы преднамеренно присоединиться микроканалов, чтобы вызвать химическую реактивность. Этот процесс изготовления позволило создать биомиметических системы и может быть использован как для широкого от различных приложений, которые выполняются на природный микрососудистых систем.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Мы подали на получение предварительного патента на эту технологию унд патент США предварительной заявке США № 61/590, 086.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана AFOSR Программа молодых следователя под FA9550-12-1-0352 и 3M Номера для штатных преподавателей Award. Авторы хотели бы поблагодарить Lalisa Stutts Джанин и Тома за полезные обсуждения, связанные с этим проектом. Авторы благодарят Calit2 центр микроскопии и спектроскопии лазерной установки в Университете Калифорнии в Ирвине, позволяющего их использование для своих объектов. Ходж Харланд энд физических наук UCI Machine Shop признаны для изготовления инструментов. Поли (молочная) кислота волокна были любезно предоставлена мононити Teijin.
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).
