Summary
Gözden çıkarılabilir bir bileşeni (vasküler) işleminin bir buharlaşma mikrovasküler yapılar imal etmek için kullanılır. Bu işlem lazer Mikroişlenmiş kılavuzu plakaları tarafından sağlanan hassas 3D geometrik konumlandırma ile içi boş mikro oluşturmak için kurban poli (laktik) asit lifleri kullanır.
Abstract
Doğal sistemlerde vasküler yapıların yüksek yüzey alanları ve optimize edilmiş yapısı ile yüksek toplu taşıma sağlayabiliyoruz. Birkaç sentetik madde üretim teknikleri ölçeklenebilirlik korurken bu yapıların karmaşıklığı taklit edebilme yeteneğine sahiptirler. Bir Kurban Bileşen (vasküler) sürecinin buharlaşma bunu yapabiliyor. Bu işlem, bir matris içine gömülü, içi boş, silindirik bir mikro oluşturmak için bir şablon olarak kurban lifler kullanılır. Kalay (II)-oksalat (snox) poli (laktik) bu sürecin kullanımı kolaylaştıran asit (PLA) lifleri içine yerleştirilmiştir. Snox düşük sıcaklıklarda PLA liflerin depolimerizasyon katalize eder. Laktik asit monomer, bu sıcaklıklarda gaz ve matris zarar vermeyecek sıcaklıklarda gömülü matris kaldırılabilir. Burada üç boyutlu dizilmiş mikro karmaşık desenleri oluşturmak için Mikroişlenmiş plakaları ve germe cihazı kullanarak bu liflerin hizalanması için bir yöntem göstermektedir.Süreci, lif hemen hemen herhangi bir düzenlemenin keşif topolojileri ve yapılar sağlar.
Introduction
Doğal sistemleri birçok biyolojik fonksiyonları kolaylaştırmak için kapsamlı damar ağları kullanın. Toplu taşıma hacim oranları ve optimize edilmiş ambalaj yapılara yüksek bir yüzey alanı nedeniyle bu tür sistemlerde verimli bir şekilde elde edilebilir. Birçok sentetik üretim teknikleri mikrovasküler yapılar üretmek mümkün olmakla birlikte mevcut üretim yöntemleri 1-5 karmaşıklığı ve uyumluluk korurken, hiçbiri büyük ölçekli mikrovasküler üretebilir. Bu kuş akciğer gibi yapıların bir ilham kaynağı. Nasıl toplu taşıma geliştirmek için bu karmaşıklık yapılar imal musunuz?
Bir Kurban bileşeni Buharlaşma (vasküler) büyük ölçekli, karmaşık mikrovasküler yapılar 6-7 üretebilir. Bu yöntem, ısıl depolimerizasyonu yapılarak ve poli buharlaştırmalı çıkarılması (laktik) fiberin şablonunun ters olan içi boş bir kanal oluşturmak için lifleri asit kullanır. Bu mevcut üretim ile uyumlu bir kurban tekniktiryöntemleri. Metre uzun, silindirik mikrokanal desenler bu imalat işlemi kullanılarak oluşturulabilir. Bu, 7-10 kendi kendini iyileştirme polimerler ve 3D mikrovasküler karbon tutma birimi olarak vaskülarize cihazlar oluşturmak için de kullanılabilir.
Karbon yakalama birimleri uçuş kullanımı için etkin bir gaz-döviz-ağırlık oranı sayesinde sağlar kuş akciğer ilham edildi. Parabronchus yüksek gaz döviz kurları ve yapısal olarak stabil gaz değişimi birimleri sağlar altıgen desenli mikro, oluşmaktadır. Üç boyutlu uyumlu mikro özellikleri ile değişim birimleri oluşturmak için, biz bağımsız gitar tuner ve lazer Mikroişlenmiş plakalı özel tasarlanmış gerilim kartı kullanarak lifleri germe bir yöntem geliştirdi. Her fiber dış gerginlik yerinde tutulur ve desen lifler çalıştırmak, üzerinden plaka delik yerleştirme ile ayarlanır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Kurban Elyaf katalizör
- Alt etrafında poli (laktik) asit lifleri ¾ özel mili istenilen miktarda sarın. Maksimum yüzey alanı maruz sağlamak için fiber örtüşme azaltın.
- Kapalı bir şişe içinde Disperbyk 130, 40 ml deiyonize H2O karıştırın ve homojen bir çözelti elde edilene kadar çalkalanmaktadır. Daha sonra 37 ° C'de bir su banyosu içinde bir 1.000 ml beher yerleştirmek ve beher içine trifloroetanol dökün. Kullanmak için H2O ve TFE nin miktarı, kullanılan PLA elyaf çapına bağlıdır.
Fiber Çapı H2O (ml) miktarı TFE nin miktarı (ml) 200 400 400 300 360 440 500 320 480 - EklemekH2O / Disperbyk 187 behere çözeltisi ve üniform olana kadar karıştırın.
- Karışım Malachite Green 1 g ekleyin ve çözülene kadar karıştırın.
- Beher lifleri ½ alttan inç ile özel mili yerleştirin ve bir dijital mikser için mili takın. Daha sonra 400 rpm dijital mikser başlar.
- Karışıma yavaş yavaş kalay (II) oksalat (snox) katalizörü 1.3 g ekleyin. Snox ilavesi çözeltiden çökmesini malzemenin büyük aglomerasyonlar önlemek için yavaş yavaş olmalıdır.
- PH ~ 6.8-7.2 olana kadar NaOH kullanılarak karışımın pH 'ı ayarlayınız.
- Beher bir kapak elde edin ve 24 saat boyunca 500 rpm dönme mili artar. Snox bir yığılma gözlenirse, elle ilk 2 saat içinde bunu kırmak.
- 35 ° C gecede fırında mili ve kuru çıkarın.
- Katalize PLA liflerden aşırı katalizör açmak ve çıkarın.
2. Mikrovasküler Gaz Exchange Birim Fabrikasyon
- Klip sahipleri üzerinde istediğiniz mikrovasküler desen ve yapıştırın plakalı lazer kesim pirinç desen pirinç levha bir çift alın.
- Mikrokanallı başına katalize lif bir 10 inç uzunluğunda kesin ve elyaf çapı (hadde levhası) kesilmiş kalın bir plaka kullanarak kalan katalizör çıkarın.
- Yavaş yavaş bir sıcak tutkal silahın ucunu kullanarak Konik liflerin kenarları fiber uçları a'ya.
- Pirinç desen plaka çift delik eşleştirilmesi yoluyla elyaf iplik.
- Bir döküm kutu üzerine plakaları vida. Plakaları takarken lifleri bükülmüş olmadığından emin olun.
- String ayarlama ile lif ipuçları özel germe kurulu mandal.
- Gergin kadar gerilim PLA lifleri. Değil aşırı gerginliğe dikkat ve lifleri oturtun.
- Basınçlı hava ile elyaf desenin aşırı parçacık çıkarın.
- Bir 10:1 sertleştirici, v ile Mix polidimetilsiloksan (PDMS) taban: v oranı. 10 dakika boyunca bir kurutucuda kavanoza vakumda gazdan karışım.
- Kalıp kutusuna PDMS karışımı dökün. Hava kabarcıklarının bindirme azaltmak için, liflerin doğrudan üzerinde akıtılmamalıdır.
- Bir 26 G iğne kullanarak, döküm kutu içinde veya lifleri arasındaki boşlukları giderilir.
- 30 dakika boyunca 85 ° C'de PDMS karışımı Cure.
- Plakaları bükmeyin veya çok sert çekmek için emin olarak, kalıp kutusundan pirinç levhalar sökün. Kalıp kutusundan tedavi 1. aşamada çıkarın.
- Bir derialtı iğne ile son kapağı delik batırılarak bir RTV son kapak ile elyaf iplik. Fiber ebadı ile ilgili olarak, en azından fiberin dış çapı iç çapı 2 x sahip bir iğne manometre. Pirinç desen plaka olarak benzer bir model koruyun, ama daha yaygın yayılmış.
- Daha büyük bir kalıp kutusunun ucuna son kapaklar bağlayın ve PDMS bir 2. aşama dökün.
- Kalan gaz kabarcıkları ve30 dakika boyunca 85 ° C'de tedavi.
- PLA lifleri, çoğunlukla boşaltılmıştır 24 saat boyunca ° C kadar ya da 210 ° C'de bir vakum fırın içinde numune ve yerden herhangi bir aşırı PLA lifler kesin.
- Herhangi bir PLA kaldırılamaz, hafifçe kloroform 1 ml bir enjeksiyon kullanılarak mikro dışında çözülür.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Bu prosedür, bir reçine içinde gömülü mikrovasküler yapıların imal edilmesi için bir yöntem sağlar. Bu yapılar desen çeşitli (Şekil 2) uygun olabilir. Mikrovasküler ağ yapı, sadece geçici lifleri ile oluşturulabilir yapıları ile sınırlıdır.
Gazlar geçirgen arası kanal membran hareket olarak mikrovasküler kanalları, sıvı akarsuları arasında gaz taşıma paralel bir düzenleme kullanarak kolaylaştırılır. Bu cihazlar, litografi için ihtiyaç (Şekil 3) olmayan bir ölçeklenebilir şekilde imal edilebilir. Oluşan mikro tamamen içi boş ve en az 50 um ile ayrılabilmektedir.
Sızıntıları ve fişler hem mikro (Şekil 4) içinde görünmesi mümkündür. Bir fiş oluşumu Mikrokanallı üzerinden herhangi bir sıvı akışını engeller ve elle kaldırılmalıdır. Kanallar arasında bir sızıntı w oluşabilirtavuk lifler iyice temizlendi ve gerilirler.
Şekil 1. Vasc üretim sürecine genel bakış. Kurban PLA lifler Mikroişlenmiş kılavuzu plakalar ile diziliyor. Lifleri paralel bir düzenleme oluşturmak için gergin kadar dizilmiştir. Bundan sonra fiberler, bir matris içinde yerleştirilmiştir. , Isı ve vakum daha sonra gaz halinde monomerleri içine elyaf depolimerize edilmesi için kullanılır. Sonuç lifleri zamanlar mikro içi boş bir kümesidir.
Şekil 2. Tek bir altıgen desen o örnek modelleri. (A) SEM görüntüsüf 200 mikron ve 300 mikron çapında kanalları. 200 mikron ve 300 mikron çapında mikro bir altıgen dolu deseni için (B) Kılavuz plakası.
Şekil 3,. Temsilcisi gaz değişimi ünitesi. Birimin orta bölümünü 200 mikron ve 300 mikron çapında mikro bir altıgen düzenleme içerir. Bir ikincil yapı yayılır ve mikro daha kolay erişim sağlar. Mikro görsel netlik için mavi ve turuncu boya ile yüklenir.
Şekil 4. Temsilcisi gaz değişimi birimi başarısız oldu.
Şekil 5,. Üretim için özel cihazlar. (A) Özel mili. Altı Destek çubukları bir merkezi çekirdeği çevreleyen. PLA lifler katalitik çözeltisi ile temasını maksimize etmek için destek çubukları etrafında sarılır. Bir karıştırma bıçağı kaotik akış tanıtmak mil altındaki konumlandırılmış. (B) Özel germe kurulu. Gitar tuner gerilim PLA lifleri bir akrilik kurulu kenarları boyunca konumlandırılmış. Pivot noktaları çok konumlandırılmış that lifler ve kılavuz plakaları arasındaki dik açı yakın kalır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
PLA liflerinin içine snox katalizör giriş elyaf düşük bir sıcaklıkta depolimerize sağlar. Bu bu durumda PDMS yılında, gömme reçine bozulmayı önler. Özel bir mili düzgün muamele çözeltisi (Şekil 5A) karıştırmak için gereklidir. Mil, bir dijital mikser bağlanan bir merkezi çekirdeği çevreleyen altı Destek çubukları oluşmaktadır. Fiberler, katalitik çözeltisi ile temas sarma elyafların yüzey alanı maksimize edildi, böylece destek çubukları etrafında sarılır. Mili alt kaotik akış tanıtmak için bıçaklar bir dizi içeriyordu. Kaotik akış katalizörün topaklaşmasım önler.
Özel bir germe tahta fiberler (Şekil 5B) paralel bir dizi oluşturmak için kullanılır. Bu kurulu kenarları boyunca gitar burgu ile bir yönetim kurulu oluşur. Yeterli burgu prese olarak yönetim kurulu boyutları sürece önemsizgerginlik model kullanılan tüm elyaf nt. Lifler için pivot noktaları ilave kılavuz plakası arabiriminden bir açı çok geniş bükülmesini lifler önlemek için yararlıdır. Imalat işlemi en zor kısmı muhtemelen daha büyük bir desen için liflerin parçacığı olup. Bu geniş alan bir sonraki fiber diş var sağlamak, lifleri diş zaman organize kalması önemlidir.
50 mikron altında Mikrokanallı ayrımları ile desen için, bu kılavuz plakaları kırmak mümkündür. Bakım aşan plaka tipi delik daha çapı genellikle daha büyük olduğu gibi fiberlerden fazla katalizör giderilmesinde alınmalıdır. Onlar kaldırılır zaman plakalar üzerinde ek yük üretebilir olarak plakalar çıkarırken, plakalar sayesinde kaçak PDMS da çıkarılmalıdır.
Kılavuz plakaları lazer mikro kullanılarak imal edilmiştir. Bu işlem, ho hafif konik üretirDiğer biraz daha büyük bir açıklığa sahip olan bir tarafı ile sonuçlanan plaka, le. Bu kalıp kutusuna doğru bakacak şekilde daha küçük açıklığın olması önemlidir. Küçük ucunu uzak kalıp kutusundan karşı karşıya kalırsa, kaldırma işlemi sırasında artan direnci de plaka zarar verebilir.
PLA fişler tahliye daha uzun süre sonra mikro kalması için mümkündür. Sık fırın ve vakumlu temizlik bu hafifletmeye yardımcı olabilir. Fişi kısa bir uzunlukta olduğu gibi kalan fişler sürece kloroform ile temizlenebilir. Daha uzun mikrovasküler yapılar genellikle bir mikrokanalın sonlarına doğru göründükleri gibi fiş oluşumları azaltmaya yardımcı olabilir. Ekstra uzunluk fişi cihazdan kesilebilir izin verebilirsiniz.
Bu imalat süreci olmayan litografik ve mevcut üretim çeşitli yöntemler için adapte edilebilir. Bir kurban şablonun kullanımı karmaşık üç boyutlu mikroakışkan oluşturulması için izin verircihazlar. Mikrovasküler desen yakın konumlandırma bir gaz geçirgen matris mikro arasındaki gaz taşımak için kullanılan, ancak sadece potansiyel uygulama değildir. Mikro arasındaki yakın temas ile, üç boyutlu olarak mikroakışkan ısı değişimi aynı zamanda bu üretim süreci kullanılarak büyük bir ölçekte, erişilebilir hale gelir. Bu, kasıtlı olarak kimyasal reaktivite sebep olmak için mikro katılması da mümkündür. Bu imalat süreci biyomimetiği sistemlerinin oluşturulması için bırakıldı ve doğal mikrovasküler sistemleri tarafından yapılan bu gibi uygulamalar çeşitli gibi geniş için kullanılabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Biz bu teknolojiyi und ABD patent ABD Geçici Başvuru Seri No 61/590, 086 bir geçici patent başvurusunda var.
Acknowledgments
Bu çalışma FA9550-12-1-0352 ve 3M Sigara Tenured Fakültesi Ödülü altında AFOSR Genç Araştırmacı Programı tarafından desteklenmiştir. Yazarlar bu proje ile ilgili yararlı tartışma Lalisa Stutts ve Janine Tom teşekkür etmek istiyorum. Yazarlar tesislerinde kullanımı izin verdiği için California Üniversitesi, Irvine Calit2 Mikroskopi Merkezi ve Laser Spektroskopisi Tesisi teşekkür ederim. Hodge Harland ve UCI Fizik Bilimleri Makine Atölyesi araçları imalatı için kabul edilmiştir. Poli (laktik) asit lifleri cömertçe Teijin Monofilament tarafından sağlandı.
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).
