Artículo de método

Patrones e injertos inducidos por la luz para superficies resbaladizas basadas en estructuras nanoporosas recubiertas de silano

DOI:

10.3791/69270

⸱

14 de noviembre de 2025

 ,  ,  ,  ,  , 
1Global Institute for Advanced Nanoscience & Technology, Changwon National University, 2Department of Smart Manufacturing Engineering, Changwon National University

* These authors contributed equally

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este protocolo presenta un método inducido por la luz para fabricar estructuras tridimensionales resbaladizas mediante patrones digitales secuenciales e injertos en superficies nanoporosas recubiertas de silano. Este enfoque permite la formación espacialmente controlada de regiones resbaladizas, lo que permite la repelencia a líquidos con patrones y el análisis cuantitativo del deslizamiento interfacial, con aplicaciones en manipulación de fluidos e ingeniería de superficies.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este protocolo describe un método inducido por la luz para fabricar superficies resbaladizas con patrones espaciales mediante el procesamiento digital de la luz (DLP) y la separación de fases inducida por polimerización. Una resina de acrilato de poliuretano fotocurable (PUA) se mezcla con un porogen soluble en agua (PEG-200) y se expone selectivamente a la luz ultravioleta (UV) mediante un sistema de proyección DLP. Este proceso induce simultáneamente la reticulación de polímeros y la separación de fases de porogen. Después de la eliminación de porógenos, queda una estructura nanoporosa, que se modifica químicamente mediante la activación del ozono UV y la silanización en fase de vapor para mejorar la hidrofobicidad. Luego, el aceite de silicona se infunde e injerta covalentemente en la superficie utilizando luz ultravioleta de múltiples longitudes de onda, formando una capa de cepillo estable de polidimetilsiloxano (PDMS). La superficie resultante exhibe una fuerte repelencia a los líquidos, histéresis de ángulo de contacto bajo y alta transparencia óptica. La humectabilidad se evalúa cuantitativamente utilizando mediciones de ángulo de contacto e histéresis con agua, octanaje, miel y saliva humana artificial. Este método permite el deslizamiento selectivo, demostrado al dirigir las gotas a base de agua lejos de los dominios resbaladizos hacia regiones hidrofílicas no tratadas, formando patrones líquidos bien definidos. El enfoque admite la fabricación de alta resolución y sin máscara en sustratos flexibles y patrones escalables para aplicaciones en microfluídica, transporte de gotas, recolección de agua y dispositivos biomédicos.

Introducción

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Las superficies porosas resbaladizas con infusión de líquidos (SLIPS)1 son interfaces bioinspiradas que repelen una amplia gama de líquidos al bloquear los fluidos lubricantes dentro de estructuras sólidas microestructuradas o nanoestructuradas 2,3. A diferencia de las superficies superhidrofóbicas inspiradas en el loto4, SLIPS utiliza una interfaz líquido-líquido estabilizada, lo que permite que las gotas se muevan con una fricción mínima. Exhiben omnifobicidad, histéresis de ángulo de contacto bajo y comportamiento de autocuración 3,5 impulsado por la redistribución del lubricante inducida por capilaridad6. Estas propiedades hacen que SLIPS sea atractivo para aplicaciones en microfluídica7, antiincrustante 6,8, antihielo 9,10,11, recolección de agua 12,13,14 y superficies autolimpiantes 15.

Sin embargo, extender SLIPS a superficies geométricamente complejas o con patrones espaciales sigue siendo un desafío. Las técnicas de fabricación convencionales para andamios porosos, como la fotolitografía16,17, el anodizado18, la gelificación 6,19 y el electrohilado20, requieren mucho tiempo y múltiples pasos de procesamiento. El modelado por deposición fundida (FDM)21,22, un enfoque estándar de impresión 3D, también se ha utilizado para crear SLIPS mediante la impresión de polímeros porosos y su infusión de lubricantes. Si bien es más accesible, FDM tiene una deposición lenta punto por punto y una resolución limitada, lo que dificulta la fabricación de características de superficie fina o patrones de área grande de manera eficiente. Además, los SLIPS producidos por estas técnicas suelen ser uniformemente resbaladizos, lo que limita su utilidad en aplicaciones que requieren un control selectivo de líquidos.

Para abordar estas limitaciones, se introduce un método inducido por la luz para fabricar superficies resbaladizas estampadas mediante el procesamiento digital de la luz (DLP)23. DLP permite la proyección rápida y de alta resolución de imágenes diseñadas en materiales fotocurables. Al combinar DLP con separación de fases inducida por polimerización, se forman microestructuras nanoporosas con capacidad de retención de lubricante. Una resina de acrilato de poliuretano fotocurable (PUA) se mezcla con un porogen soluble en agua y se expone a la luz ultravioleta (UV) estampada, lo que induce la reticulación y la separación de la fase de porogen. El lavado posterior elimina el porógeno, dejando una matriz porosa.

Posteriormente, la superficie se silaniza con octadeciltriclorosilano (OTS) para mejorar la hidrofobicidad24 y se infunde con aceite de silicona. La breve exposición a los rayos UV induce el injerto covalente de una capa de cepillo de polidimetilsiloxano (PDMS) 6,19,25 sobre el sustrato, anclando químicamente el lubricante y mejorando la estabilidad interfacial a largo plazo. Las características de las superficies fabricadas, incluido el ángulo de contacto estático, la histéresis del ángulo de contacto, el ángulo de deslizamiento, la velocidad de deslizamiento y la transmitancia óptica, se evalúan cuantitativamente. Además, una prueba de patrón líquido demuestra un deslizamiento selectivo al guiar las gotas de agua a regiones no tratadas. En este trabajo, se introduce una fabricación de SLIPS con patrón inducido por la luz a través de DLP, que permite el control espacial de dominios resbaladizos sin necesidad de fotolitografía, anodizado o gelificación complejos. Al unir químicamente el lubricante mediante injertos fotoinducidos en superficies nanoporosas diseñadas, el método propuesto produce superficies resbaladizas estables y de alta resolución adecuadas para la manipulación selectiva de gotas en microfluídica13, sistemas de recolección de agua 12,13,14 y dispositivos biomédicos 26,27.

Protocolo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

NOTA: En la Figura 1 aparece una descripción general esquemática de este proceso. Los materiales y equipos utilizados en este estudio se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. Superficie nanoporosa

  1. Mezclar la resina PUA fotocurable con polietilenglicol-200 (PEG-200) como poógeno en una proporción de peso del 50 % en peso. Revuelva la mezcla a 500 rpm durante 5 minutos con un agitador magnético.
  2. Dispense la solución mezclada en una película de tereftalato de polietileno (PET) en forma de gotas sésiles. Cubra las gotas con una película de etileno propileno fluorado (FEP) y aplique una presión uniforme con un sistema de rollo a placa28 para garantizar una distribución uniforme.
  3. Exponga la resina PUA a la luz UV (365 nm) a una dosis de energía de 180 mJ/cm2 con un sistema de curado UV LED para inducir la polimerización. Después del curado, retire las películas de FEP.
  4. Sumerja la muestra curada en agua desionizada (DI) durante 1 h para extraer PEG-200 sin reaccionar. Seque la muestra porosa en un horno a 70 °C durante 1 h para eliminar el agua residual y finalizar la fabricación de la superficie nanoporosa (Figura 2).
    NOTA: Después del secado, una apariencia blanquecina y mate indica que PEG-200 se ha eliminado por completo y existen nanoporos.

2. Superficie tratada con OTS

  1. Realice un tratamiento con ozono UV en longitudes de onda de 185 y 254 nm con una intensidad UV de 25 mW / cm2 durante 20 min para introducir grupos hidroxilo en la superficie como pretratamiento para la formación de monocapa autoensamblada (SAM) OTS. Realice este proceso en condiciones ambientales de laboratorio estándar a temperatura ambiente y presión atmosférica.
    CAUTELA: El tratamiento con ozono UV genera ozono (O3) y especies reactivas de oxígeno (ROS) tras la exposición a la luz UV de 185 nm y 254 nm. Estos subproductos son perjudiciales para la salud humana y pueden irritar el sistema respiratorio. Asegúrese de que el sistema de ozono UV esté conectado a un sistema funcional de extracción de gases o gases de escape.
    La exposición prolongada al ozono UV más allá de 20 minutos puede dañar la superficie del polímero y causar deformación estructural.
  2. Coloque una placa caliente dentro de una guantera llena de nitrógeno. Coloque un vaso de precipitados limpio en la placa caliente y dispense 1 ml de solución de OTS en el fondo del vaso de precipitados como una gota sésil.
    CAUTELA: El octadeciltriclorosilano es altamente reactivo con la humedad y genera gas corrosivo de cloruro de hidrógeno (HCl) tras la hidrólisis. Puede irritar la piel, los ojos y el sistema respiratorio. Manipule OTS solo en una guantera llena de nitrógeno y use el equipo de protección personal (EPP) adecuado, incluidos guantes, gafas de seguridad y una bata de laboratorio.
  3. Asegure las muestras de película de PET en portaobjetos de vidrio. Invierta los portaobjetos y colóquelos boca abajo sobre el vaso de precipitados para realizar la deposición de OTS en fase de vapor. Calienta la configuración a 120 °C durante 40 min.
    NOTA: El recubrimiento excesivo de OTS debido a un calentamiento excesivo o una exposición prolongada puede causar defectos en la superficie.
  4. Retire las muestras de la guantera y limpie el vaso de precipitados con una toallita sin pelusa.
    NOTA: Si el vaso de precipitados no se limpia correctamente, el OTS residual puede solidificarse y aparecer blanco, lo que afecta las condiciones de procesamiento repetido.

3. Injerto inducido por la luz

  1. Realice un tratamiento con ozono UV en longitudes de onda de 185 y 254 nm con una intensidad UV de 25 mW/cm2 durante 20 min en la superficie recubierta de OTS para introducir grupos hidroxilo como paso de pretratamiento para el injerto covalente de la capa de cepillo PDMS. Este proceso se lleva a cabo en condiciones ambientales estándar de laboratorio a temperatura ambiente y presión atmosférica.
    NOTA: Este paso es fundamental. Sin la activación del hidroxilo, la capa de cepillo PDMS no se forma y no se desarrollará una interfaz resbaladiza.
  2. Aplique 20 μL/cm2 de aceite de silicona 10 cS a la superficie mediante la deposición de gotas sésiles para garantizar un recubrimiento uniforme.
  3. Irradie la muestra durante 15 min con una lámpara UV de alta intensidad colocada a 15 cm de la superficie. Utilice una fuente de longitud de onda múltiple con picos prominentes a 207 nm (149 mW/cm2), 214 nm (155 mW/cm2), 296 nm (125 mW/cm2), 317 nm (93 mW/cm2) y 321 nm (89 mW/cm2). La irradiación produce calor y el sustrato alcanza los 103,3 ± 5,2 °C, lo que facilita la formación de cepillos covalentes.
    PRECAUCIÓN: Durante la irradiación UV de alta intensidad, el aceite de silicona puede alcanzar temperaturas elevadas (>100 °C). Aunque el aceite de silicona en sí mismo tiene una toxicidad aguda baja, la inhalación de neblina de aceite puede causar irritación respiratoria. A temperaturas elevadas, su volatilidad aumenta, y la exposición prolongada en espacios mal ventilados o cerrados puede suponer riesgos para la salud. Use gafas que bloqueen los rayos UV y asegúrese de que la ventilación de escape sea adecuada para ventilar el ozono. Mantenga los materiales inflamables o volátiles alejados de la configuración para evitar riesgos de incendio por la exposición al calor y a los rayos UV.
  4. Incline la muestra en un ángulo de 30° y manténgala durante 5 minutos para permitir que el exceso de aceite de silicona se drene de la superficie.
    NOTA: El drenaje exitoso se confirma cuando la superficie muestra una película delgada y uniforme de aceite de silicona sin acumulación ni gotas grandes visibles.

4. Fabricación de estructuras resbaladizas estampadas

  1. Diseñe las formas deseadas con software CAD (por ejemplo, CATIA) y expórtelas como archivos STL (engranaje, laberinto y texto JoVE; Archivo Suplementario 1, Archivo Suplementario 2, Archivo Suplementario 3 y Archivo Suplementario 4). Cargue los archivos STL en un software de corte (por ejemplo, Carima Slicer) para generar imágenes de proyección 2D compatibles con la impresora 3D DLP. Envíe los archivos resultantes a la impresora para la proyección de luz digital.
  2. Coloque la película recubierta de solución de polímero (desde el paso 1.2) en la ventana de la impresora DLP. Exponga la muestra a luz ultravioleta de 365 nm a una intensidad de 180 mJ/cm2 con el patrón digital proyectado para curar selectivamente la resina.
  3. Sumerja la muestra expuesta en agua desizada durante 1 h para extraer PEG-200. Seque la muestra en un horno a 70 °C durante 1 h para eliminar el agua residual y producir la estructura nanoporosa. Realice el tratamiento superficial OTS y el injerto inducido por la luz para completar la fabricación de superficies resbaladizas estampadas.

Resultados

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Las superficies nanoporosas fabricadas mediante separación de fases inducida por polimerización exhibieron una distribución dominante del tamaño de poro de 60-100 nm, como se muestra en la Figura 2. Esta distribución fue confirmada por tres mediciones replicadas utilizando imágenes SEM de alta resolución. Las imágenes SEM se procesaron mediante análisis de imágenes basado en píxeles en MATLAB para determinar los diámetros de los poros, asumiendo una sección transversal circular.

El ángulo de contacto estático con el agua medido en la superficie porosa fue de 84,4 ± 1,4°, basado en cinco pruebas replicadas con gotas de agua sésil de 5 μL (Figura 3A). Para evaluar los cambios en la humectabilidad de la superficie, se monitoreó el ángulo de contacto a través de los pasos de modificación de la superficie, incluida la formación de estructuras nanoporosas, la activación del ozono UV, la silanización y el injerto de PDMS inducido por la luz. Después de la silanización, la superficie se volvió hidrofóbica; sin embargo, un segundo tratamiento con ozono UV, realizado antes del injerto de PDMS, redujo temporalmente el ángulo de contacto porque se introdujeron grupos hidroxilo. Esta reducción fue revertida por la formación de una capa de cepillo PDMS unida covalentemente, restaurando la hidrofobicidad de la superficie29. A diferencia de los recubrimientos de aceite de silicona libres, que pueden agotarse fácilmente, el cepillo PDMS atado proporciona una capa molecular estable y flexible que retiene el lubricante y permite un comportamiento resbaladizo a largo plazo11. Si el proceso de injerto no se completa, las gotas permanecen clavadas en la superficie y no se deslizan, lo que indica que el paso del injerto es esencial para lograr un comportamiento resbaladizo.

Para validar el comportamiento resbaladizo de cuatro líquidos representativos (Figura 3B) -agua desionizada, octanaje (baja tensión superficial), miel (alta viscosidad) y saliva humana artificial (una solución sintética comercial imitadora de biofluidos)- su ángulo de contacto (Figura 3C), ángulo de deslizamiento (Figura 3D), velocidad de deslizamiento (Figura 3E) e histéresis del ángulo de contacto (CAH) (Figura 3F). Para cada líquido, se utilizó una gota sésil de 5 μL para medir los ángulos de contacto y deslizamiento (velocidad de inclinación: 0,8°/s), y se colocó otra gota de 5 μL sobre una superficie inclinada de 30° para medir la velocidad de deslizamiento en una distancia de 8,5 mm. La HSC se cuantificó en cada caso. Todas las pruebas de comportamiento resbaladizo se realizaron por quíntuplice. En cada experimento, los ángulos de deslizamiento permanecieron por debajo de 3°. La velocidad de deslizamiento de la miel fue notablemente menor porque su alta viscosidad provoca una mayor disipación viscosa interna, que resiste fuertemente el movimiento de las gotas bajo la misma fuerza impulsora. Además, la CAH se mantuvo por debajo de 10° (Figura 3F), lo que indica una interfaz resbaladiza robusta y omnifóbica.

Antes de implementar el protocolo de patrones resbaladizos con proyección DLP, se evaluó la resolución de impresión de la resina PEG-PUA utilizando patrones de prueba de línea y espacio (Figura 4). Dada la resolución de píxeles nativa del chip DMD (50 μm x 50 μm), el ancho de línea mínimo se estableció en 50 μm, con aumentos incrementales de hasta 300 μm. Cada ancho de línea se fabricó y analizó cinco veces. Las características de 50 μm exhibieron una alta fidelidad a la geometría diseñada (50,3 ± 6,3 μm). Sin embargo, las desviaciones dimensionales aumentaron ligeramente con características más amplias, probablemente debido a la dispersión de la luz y la difusión lateral durante la exposición de áreas más amplias, lo que llevó a un sobrecurado más allá de los límites del patrón previsto. Estos efectos de sobrecurado se observan comúnmente en resinas de fotopolímeros que no están diseñadas específicamente para la fabricación aditiva. En este estudio, la resina PEG-PUA se desarrolló inicialmente para fotopatrones y no se optimizó para la impresión 3D, lo que probablemente contribuyó a este comportamiento. No obstante, tales limitaciones pueden mitigarse optimizando la composición de la resina y las características de fotopolimerización.

Con el proceso DLP se fabricaron con éxito superficies nanoporosas estampadas con diseños en forma de letra (JoVE) y gráficos (laberinto, engranaje) (Figura 5A). Después de completar todos los pasos de modificación de la superficie, incluida la silanización, la activación del ozono UV, el injerto de PDMS y la infusión de aceite de silicona, los patrones se volvieron ópticamente transparentes (Figura 5B). Esta transición es el resultado del desajuste del índice de refracción entre el aire (na = 1,0) y la matriz polimérica (np = 1,5), lo que provoca la dispersión en las estructuras porosas sin relleno. Después de la infiltración con aceite de silicona (ns = 1,4), se redujo el contraste del índice de refracción, produciendo una superficie visiblemente transparente con una transmitancia superior al 90% (Figura 5C). Cuando se aplicó tinta que contenía agua, las gotas migraron selectivamente hacia regiones hidrófilas no tratadas (por ejemplo, la película de PET), evitando los dominios resbaladizos (Figura 5D), formando así patrones líquidos bien definidos (Figura 5E). Estos resultados demuestran que el protocolo permite el control espacial efectivo de la humectabilidad de la superficie.

figure-results-1
Figura 1: Esquema del proceso de fabricación de una superficie resbaladiza con patrón digital construida sobre una estructura nanoporosa recubierta de silano. (A) Proceso de rollo a placa para recubrir uniformemente la resina PEG-PUA entre una película de PET y una película de FEP, seguido de un patrón inducido por la luz con un sistema de proyección DLP. (B) Secuencia de fabricación de la superficie resbaladiza: (paso 1) formación de una superficie nanoporosa por separación de fases; (paso 2) Tratamiento con ozono UV para generar grupos hidroxilo en la superficie nanoporosa; (paso 3) deposición de vapor OTS para formar un SAM hidrofóbico; (paso 4) segundo tratamiento con ozono UV para introducir grupos hidroxilo en la superficie SAM; (paso 5) infiltración de aceite de silicona; (paso 6) injerto superficial inducido por la luz para formar una capa de cepillo PDMS. Abreviaturas: PEG-PUA = Acrilato de polietilenglicol-poliuretano; PET = Tereftalato de polietileno; FEP = etileno propileno fluorado; DLP = Procesamiento digital de la luz; OTS = Octadeciltriclorosilano; SAM = monocapa autoensamblada; PDMS = Polidimetilsiloxano. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-2
Figura 2: Superficie nanoporosa fabricada. (A) Imagen SEM y pasos de procesamiento de imágenes para el análisis del tamaño de nanoporos: (i) imagen SEM original; (ii) mapa de profundidad que muestra la profundidad relativa de los poros con una escala de pseudocolor derivada del brillo; (iii) imagen binarizada para la segmentación de la región de los poros; (iv) etiquetado de poros, donde a cada poro se le asigna un color distinto. Barra de escala = 500 nm. (B) Distribución de tamaño de los nanoporos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-3
Figura 3: Análisis de humectabilidad de la superficie. (A) Mediciones del ángulo de contacto con el agua (5 μL) después de cada paso de fabricación: superficie porosa (paso 1), superficie tratada con ozono UV (paso 2), superficie recubierta de OTS (paso 3), SAM tratada con ozono UV (paso 4), superficie recubierta de aceite de silicona (paso 5) y superficie injertada con luz (paso 6). (B) Tensión superficial de varios líquidos: octanaje (28,7 ± 0,5 mN/m), agua (70,6 ± 4,4 mN/m), miel (51,0 ± 0,2 mN/m), saliva humana artificial (66,7 ± 0,4 mN/m) (C) Ángulo de contacto estático, (D) Ángulo de deslizamiento (5 μL), (E) Velocidad de deslizamiento (5 μL) y (F) Histéresis del ángulo de contacto (CAH) medida para las gotas de estos líquidos. Todos los experimentos se realizaron a temperatura ambiente y una humedad relativa del 40 ± 5%. Las barras y los puntos representan valores medios, y las barras de error indican la media ± SD (n = 5 experimentos independientes). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-4
Figura 4: Estructuras de microlíneas impresas para pruebas de resolución del sistema DLP, con anchos de línea medidos en el punto medio de cada línea (cinco repeticiones). Barra de escala = 500 μm. Los puntos representan valores medios y las barras de error indican ± media DE (n = 5 experimentos independientes). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-5
Figura 5: Superficies estampadas fabricadas a partir de imágenes diseñadas digitalmente a través de la proyección DLP. (A) Superficies nanoporosas antes de la infiltración de aceite de silicona, que muestran opacidad. Patrones: (i) equipo, (ii) laberinto, (iii) texto JoVE. Barra de escala: 10 mm. (B) Superficies resbaladizas después de la infiltración de aceite de silicona, que parecen transparentes. Patrones: (i) equipo, (ii) laberinto, (iii) texto JoVE. (C) Comparación de transmitancia óptica entre las superficies resbaladizas y porosas. (D) Eliminación selectiva de gotas de agua dirigidas a regiones hidrofílicas designadas (película de PET) en la superficie resbaladiza. (E) Patrón guiado por líquido con gotas de agua en la superficie resbaladiza. Patrones: (i) equipo, (ii) laberinto, (iii) texto JoVE. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discusión

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Un paso crítico en este protocolo es la formación de una estructura nanoporosa a través de la separación de fases inducida por polimerización durante el curado UV basado en DLP. La mezcla de PEG-200 con una resina PUA fotocurable y la posterior irradiación de la mezcla con luz UV estampada produce redes porosas reticuladas y estructuras espacialmente definidas que retienen eficazmente los lubricantes1. Para permitir el posterior injerto de una capa de cepillo PDMS11, formando la base de una interfaz resbaladiza estable, se realizó un tratamiento con ozono UV dos veces durante el proceso: primero, para introducir grupos hidroxilo en la superficie porosa del polímero antes de la silanización, y segundo, para reactivar la superficie silanizada antes del injerto de PDMS.

Se requiere precaución durante ambos pasos de ozono UV, ya que la exposición a condiciones de alta energía, como la luz UV de longitud de onda corta y las temperaturas elevadas, puede dañar el sustrato polimérico o deformar la estructura de la superficie25. Después del segundo paso de ozono UV, se depositó aceite de silicona sobre la superficie activada. La exposición posterior a los rayos UV de múltiples longitudes de onda inicia el injerto de cadenas PDMS. Si bien la reacción es impulsada principalmente por la luz ultravioleta, la energía térmica que la acompaña apoya las interacciones moleculares y promueve una unión superficial robusta. Este proceso de injerto conduce a la formación de una capa de cepillo PDMS anclada covalentemente, lo que da como resultado interfaces resbaladizas estables caracterizadas por ángulos de deslizamiento bajos, CAH bajos y velocidad de deslizamiento rápida. Sin embargo, la hidroxilación insuficiente durante cualquiera de los pasos de ozono UV puede resultar en un injerto deficiente y un rendimiento resbaladizo reducido. Además, si la intensidad UV utilizada durante el paso de curado para fabricar la superficie nanoporosa cae por debajo del valor recomendado, la superficie tiende a volverse excesivamente rugosa y el tamaño de los poros muy irregular, y la capa nanoporosa puede incluso deslaminarse del sustrato de PET durante el enjuague23. Además, aunque las superficies nanoporosas se pueden fabricar aumentando el contenido de PEG-200 por encima del 50% en peso, las estructuras resultantes a menudo exhiben poros dilatados y una mayor rugosidad de la superficie, lo que puede dificultar el comportamiento resbaladizo a medida que las gotas quedan atrapadas dentro de los poros grandes. Por lo tanto, los parámetros de fabricación deben mantenerse cuidadosamente dentro de los rangos prescritos.

Una limitación de este protocolo se refiere a la fabricación de estructuras resbaladizas grandes o totalmente en 3D (escala milimétrica) utilizando formulaciones de resina transparente en la fabricación aditiva. Debido a la alta transmitancia óptica de la resina PEG-PUA, la luz ultravioleta puede penetrar más allá de la capa de exposición prevista e iniciar el curado en regiones empotradas o cóncavas. Esto puede causar una solidificación involuntaria y una pérdida de fidelidad estructural, particularmente dentro de las cavidades internas. Por lo tanto, extender este método a arquitecturas 3D volumétricas resbaladizas sigue siendo un desafío sin un mayor ajuste de las propiedades de absorbancia óptica de la resina23.

A pesar de esta limitación, el protocolo ofrece claras ventajas sobre los métodos convencionales de fabricación de SLIPS. A diferencia de los enfoques basados en FDM22, que están limitados por la baja resolución y la deposición lenta punto por punto, o las técnicas de anodización y gelificación20, que requieren procedimientos de varios pasos y plantillas rígidas, el método propuesto basado en DLP permite la fabricación directa de sustratos porosos infundidos con lubricante a través de un proceso de proyección de un solo paso, sin máscara y programable digitalmente. Este enfoque no solo reduce el tiempo de fabricación, sino que también simplifica el procedimiento y aumenta sustancialmente el rendimiento del patrón, lo que permite la producción eficiente de superficies estampadas. Además, el proceso es compatible con sustratos flexibles como las películas de PET. Además, la estrategia de separación de fases inducida por la luz proporciona alta resolución, flexibilidad de patrones y formación simplificada de andamios porosos capaces de retener lubricantes. El uso de procesos fotoinducidos también facilita la integración con sustratos estampados, permite el deslizamiento selectivo y apoya la fabricación escalable de estructuras multiescala. En conjunto, estas ventajas hacen que el método sea particularmente adecuado para aplicaciones como el transporte direccional de gotas, la microfluídica de canal abierto, los recubrimientos antiincrustantes8 y los sistemas de recolección de agua13,14, donde el control espacial preciso de la humectabilidad de la superficie es esencial.

Divulgaciones

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores no tienen conflictos de intereses que declarar.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este trabajo recibió el apoyo de las subvenciones de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiadas por el gobierno coreano (MSIT) (No. 2023R1A2C3006499 y RS-2023-00238462). Esta investigación también fue apoyada por la iniciativa LAMP (Global Learning & Academic Research Institution for Master's and PhD Students and Postdocs) de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el Ministerio de Educación (No. RS-2024-00444460).

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Sistema LED UV de 365 nmLichtzenLZL-FL-220220-CEquipo de curado UV
Artificial SalivaTMABIOTB0924Saliva humana artificial (un biofluido que imita; solución sintética comercial)
Carima SlicerCARIMAV2.0Software de corte
CATIASistemas DassaultV5R20Software CAD
Agua desionizada (DI)QUÍMICA DE LIMPIEZA DE COREAKCU-PW3Enjuague y eliminación de porógenos
Impresora 3D DLP (365 nm UV)CARIMAIMD-CEquipos de patronado digital
Película de etileno propileno fluorado (FEP)ALFAFLONFEP0250Película de estreno
GuanteraMADE LABG801Utilizado para manipular materiales peligrosos de forma segura
Agitador de placa calienteCorningPC-420DPlaca eléctrica y placa eléctrica Equipo de agitador magnético (5" x 7")
Sistema de lámpara UV de múltiples longitudes de ondaRaynicsRX-H1000SEquipo de injerto inducido por luz
Octadeciltriclorosilano (OTS)Sigma-Aldrich104817Recubrimiento superficial hidrofóbico
HornoSH ScientificSH-VDO-30NHUtilizado para secar muestras
Resina fotocurableTecnología MinutaMINS-311RMResina basada en acrilato de poliuretano (PUA)
Polietilenglicol (PEG) 200Industria Química de TokioP0840Porogen
Película de polietileno tereftalato (PET)DP azulSustrato para la impresión
Aceite de siliconaPolímero Shin-EtsuKF-96-10CS10cS
SmartDropFemtobiomedMedición del ángulo de contacto
Limpiador UV de ozonoJaesung EngineeringUVC-30Equipos de tratamiento UV de ozono
Espectrofotómetro UV-visible/NIRJascoV-770Medición de la transmitancia de la luz

Referencias

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wong, T. S., et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature. 477 (7365), 443-447 (2011).
  2. Yao, X., et al. Adaptive fluid-infused porous films with tunable transparency and wettability. Nat Mater. 12 (6), 529-534 (2013).
  3. Kreder, M. J., Alvarenga, J., Kim, P., Aizenberg, J. Design of anti-icing surfaces: smooth, textured or slippery. Nat Rev Mater. 1 (1), 1-15 (2016).
  4. Latthe, S. S., Terashima, C., Nakata, K., Fujishima, A. Superhydrophobic surfaces developed by mimicking hierarchical surface morphology of lotus leaf. Molecules. 19 (4), 4256-4283 (2014).
  5. Xiang, T., et al. Slippery liquid-infused porous surface for corrosion protection with self-healing property. Chem Eng J. 345, 147-155 (2018).
  6. Lee, S. H., et al. Implementation of a large-area slippery surface using a transparent organogel. Mater Today Chem. 39, 102187(2024).
  7. Wang, X., Zhuang, Z., Li, X., Yao, X. Droplet manipulation on bioinspired slippery surfaces: from design principle to biomedical applications. Small Methods. 8 (4), 2300253(2024).
  8. Tesler, A. B., et al. Extremely durable biofouling-resistant metallic surfaces based on electrodeposited nanoporous tungstite films on steel. Nat Commun. 6 (1), 8649(2015).
  9. Yuan, Y., et al. Self-repairing performance of slippery liquid infused porous surfaces for durable anti-icing. Adv Mater Interfaces. 9 (10), 2101968(2022).
  10. Eder, T., et al. Transparent PDMS surfaces with covalently attached lubricants for enhanced anti-adhesion performance. ACS Appl Mater Interfaces. 16 (8), 10942-10952 (2024).
  11. Zhao, X., et al. Macroscopic evidence of the liquidlike nature of nanoscale polydimethylsiloxane brushes. ACS Nano. 15 (8), 13559-13567 (2021).
  12. Dai, X., et al. Hydrophilic directional slippery rough surfaces for water harvesting. Sci Adv. 4 (3), eaaq0919(2018).
  13. Lv, P., Zhang, Y. L., Han, D. D., Sun, H. B. Directional droplet transport on functional surfaces with superwettabilities. Adv Mater Interfaces. 8 (12), 2100043(2021).
  14. Lian, Z., et al. Recent progress in bio-inspired macrostructure array materials with special wettability-from surface engineering to functional applications. Int J Extreme Manuf. 6 (1), 012008(2023).
  15. Yin, J., et al. Self-cleaning and antibiofouling enamel surface by slippery liquid-infused technique. Sci Rep. 6 (1), 25924(2016).
  16. Ucuncuoglu, R., Erbil, H. Y. Water drop evaporation on slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS): effect of lubricant thickness, viscosity, ridge height, and pattern geometry. Langmuir. 39 (18), 6514-6528 (2023).
  17. Zhang, P., Zhang, L., Chen, H., Dong, Z., Zhang, D. Surfaces inspired by the Nepenthes peristome for unidirectional liquid transport. Adv Mater. 29 (45), 1702995(2017).
  18. Song, T., et al. Fabrication of super slippery sheet-layered and porous anodic aluminium oxide surfaces and its anticorrosion property. Appl Surf Sci. 355, 495-501 (2015).
  19. Yoon, S. M., et al. Photo-induced liquid-based slippery materials for highly efficient particle aggregation. Appl Surf Sci. 682, 161638(2025).
  20. Mahmut, T. A. S., Memon, H., Xu, F., Ahmed, I., Hou, X. Electrospun nanofibre membrane based transparent slippery liquid-infused porous surfaces with icephobic properties. Colloids Surf A Physicochem Eng Asp. 585, 124177(2020).
  21. Mazzanti, V., Malagutti, L., Mollica, F. FDM 3D printing of polymers containing natural fillers: a review of their mechanical properties. Polymers. 11 (7), 1094(2019).
  22. Shams, H., Basit, K., Khan, M. A., Mansoor, A., Saleem, S. Scalable wear-resistant 3D printed slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS). Addit Manuf. 48, 102379(2021).
  23. Quan, H., et al. Photo-curing 3D printing technique and its challenges. Bioact Mater. 5 (1), 110-115 (2020).
  24. Belgardt, C., Graaf, H., Baumgärtel, T., Borczyskowski, C. V. Self-assembled monolayers on silicon oxide. Phys Status Solidi C. 7 (2), 227-231 (2010).
  25. Tesler, A. B., et al. A one-pot universal approach to fabricate lubricant-infused slippery surfaces on solid substrates. Adv Funct Mater. 31 (27), 2101090(2021).
  26. Huang, W. P., et al. Patterned slippery surface through dynamically controlling surface structures for droplet microarray. Chem Mater. 31 (3), 834-841 (2019).
  27. Sun, L., et al. Tailoring materials with specific wettability in biomedical engineering. Adv Sci. 8 (19), 2100126(2021).
  28. Kim, W. Y., et al. Quasi-seamless stitching for large-area micropatterned surfaces enabled by Fourier spectral analysis of moiré patterns. Nat Commun. 14 (1), 2202(2023).
  29. Pupillo, D., et al. Corrosion resistance of biodegradable zinc surfaces enhanced by UV-grafted polydimethylsiloxane coating. ACS Biomater Sci Eng. 10 (8), 4891-4900 (2024).

Reimpresiones y permisos

Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este artículo de JoVE

Solicitar permiso

Etiquetas

Slippery SurfacesDigital Light ProcessingNanoporous StructuresPolymerization Induced Phase SeparationSurface SilanizationUV Ozone TreatmentSilicone Oil GraftingContact Angle MeasurementDroplet TransportMicrofluidic Devices

Artículos relacionados