Name: Proceso de fabricación microestructuras tridimensionales mediante vaporización de un componente de sacrificio (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-02T17:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 31 s
Description: Aprende a fabricar microestructuras vasculares tridimensionales mediante el proceso VaSC utilizando fibras de ácido poliláctico como componentes de sacrificio. Este método permite crear microcanales huecos con geometría precisa para aplicaciones en ingeniería biomédica.

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Este trabajo fue apoyado por el Programa de Jóvenes Investigadores AFOSR bajo FA9550-12-1 hasta 0352 y un Premio Facultad no permanentes 3M. Los autores desean agradecer a Lalisa Stutts y Janine Tom útil para el debate en relación con este proyecto. Los autores agradecen al Centro de Microscopía Calit2 y el Fondo Espectroscopía Láser de la Universidad de California, Irvine para permitir el uso de sus instalaciones. Hodge Harland y la UCI Física Ciencias de máquinas son reconocidos para la fabricación de herramientas. Poli (ácido láctico) fibras de ácido fueron generosamente proporcionadas por Teijin monofilamento.

1. Catalizar Fibras de sacrificio <ol><li> Envolver la cantidad deseada de fibras de ácido poli (láctico) alrededor de la parte inferior de ¾ de husillo personalizado. Reducir la superposición de fibra para proporcionar la máxima área de superficie de exposición. </li><li> Mezclar H2O desionizada con 40 ml de Disperbyk 130 en una botella cerrada y agitar hasta que se obtiene una solución homogénea. A continuación, coloque un vaso de precipitados de 1000 ml en un baño de agua a 37 ° C y se vierte en el vaso de precipitados de trifluoroetanol. La cantidad de H 2 O y TFE utilizar depende del diámetro de las fibras PLA utilizado. <table border="1"><tbody><tr><td> Diámetro de fibra </td><td> Cantidad de H 2 O (ml) </td><td> Cantidad de TFE (ml) </td></tr><tr><td> 200 </td><td> 400 </td><td> 400 </td></tr><tr><td> 300 </td><td> 360 </td><td> 440 </td></tr><tr><td> 500 </td><td> 320 </td><td> 480 </td></tr></tbody></table></li><li> Añadir2 O / H 187 Disperbyk solución al vaso de precipitados y mezclar hasta que sea uniforme. </li><li> Añadir 1 g de verde de malaquita a la mezcla y revuelva hasta que se disuelva. </li><li> Coloque el eje de encargo con fibras en el vaso de precipitados de ½ pulgadas desde la parte inferior y adjuntar el husillo a un mezclador digital. A continuación, iniciar el mezclador digital a 400 rpm. </li><li> Lentamente añadir 1,3 g de estaño (II) de oxalato de catalizador (snox) a la mezcla. La adición de snox debe ser gradual con el fin de evitar que las grandes aglomeraciones de material de estrellarse fuera de la solución. </li><li> Ajustar el pH en la mezcla con NaOH hasta que el pH es de ~ 6.8 a 7.2. </li><li> Asegure una tapa al vaso de precipitados y aumentar la rotación del husillo a 500 rpm durante 24 horas. Si se observa una aglomeración de snox, romper manualmente como máximo durante las primeras 2 horas. </li><li> Retire husillo y seca en el horno a 35 ° C durante la noche. </li><li> Separar y eliminar el exceso de catalizador de las fibras catalizadas PLA. </li></ol> 2. Microvascular Exchan Gasge Fabricación Unidad <ol><li> Obtener un par de corte por láser de metal planchas de bronce de modelado con el patrón microvascular deseada y fijar las placas a los titulares de clip. </li><li> Cortar una longitud de 10 pulgadas de fibra catalizada por microcanales y eliminar cualquier catalizador restante con una placa más gruesa cortada al diámetro de la fibra (placa de tracción). </li><li> Taper los bordes de las fibras mediante el uso de la punta de una pistola de pegamento caliente lentamente a la extrusión de las puntas de las fibras. </li><li> Pase las fibras a través de los agujeros correspondientes en los pares de placas de modelado de bronce. </li><li> Atornille las placas sobre una caja de moldeo. Asegúrese de que las fibras no se tuercen cuando fije las placas. </li><li> Cuerda las puntas de las fibras a través del ajuste las clavijas de la placa de tensión personalizado. </li><li> La tensión de las fibras de PLA hasta tensa. Tenga cuidado de no sobre-tensión y romper las fibras. </li><li> Eliminar el exceso de partículas a partir del patrón de fibra utilizando aire comprimido. </li><li> Mezcla base de polidimetilsiloxano (PDMS) con un agente de curado en 10:01, v: v relación. </li&gt; <li> Desgasifica la mezcla en vacío en un frasco desecador durante 10 min. </li><li> Vierta la mezcla de PDMS en la caja de molde. No vierta directamente sobre las fibras con el fin de reducir el atrapamiento de burbujas de aire. </li><li> Usando una aguja de 26 G, eliminar las burbujas dentro de la caja de moldeo o entre las fibras. </li><li> Curar la mezcla de PDMS a 85 ° C durante 30 min. </li><li> Afloje las planchas de bronce de la caja del molde, teniendo cuidado de no doblar las placas o tire demasiado fuerte. Retire la 1 ª fase curado de la caja de molde. </li><li> Pase las fibras a través de un tapón terminal RTV perforando agujeros en el tapón terminal con una aguja hipodérmica. Dependiendo del tamaño de la fibra, utilizar una aguja de calibre que tiene al menos 2 veces el diámetro interior del diámetro exterior de la fibra. Mantener un patrón similar a la placa del patrón de bronce, pero más ampliamente extendido. </li><li> Fije las tapas finales de los extremos de una caja de molde grande y vierta una 2 ª etapa de PDMS. </li><li> Eliminar las burbujas de gas que quedan ycurado a 85 ° C durante 30 min. </li><li> Corte cualquier exceso de fibras PLA a partir de la muestra y colocar en un horno de vacío a 210 ° C durante 24 horas, o hasta que las fibras PLA han sido en su mayoría evacuados. </li><li> Si cualquier PLA no se puede extraer, disolver suavemente hacia fuera de los microcanales utilizando una inyección de 1 ml de cloroformo. </li></ol>

<ol><li>Bellan, L. M., Singh, S. P., Henderson, P. W., Porri, T. J., Craighead, H. G., Spector, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+an+artificial+3-dimensional+vascular+network+using+sacrificial+sugar+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Fabrication of an artificial 3-dimensional vascular network using sacrificial sugar structures.</a> Soft Matter. 5 (7), 1354(2009).</li>
<li>Bellan, L. M., Strychalski, E. A., Craighead, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nano-channels+fabricated+in+polydimethylsiloxane+using+sacrificial+electrospun+polyethylene+oxide+nanofibers%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vac.+Sci.+Technol.+B+Microelectron.+Nanometer+Struct.+Process.+Meas.+Phenom%22%5BJournal%5D)">Nano-channels fabricated in polydimethylsiloxane using sacrificial electrospun polyethylene oxide nanofibers.</a> J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanometer Struct. Process. Meas. Phenom. 26 (5), 1728(2008).</li>
<li>Borenstein, J. T., Weinberg, E. J., Orrick, B. K., Sundback, C., Kaazempur-Mofrad, M. R., Vacanti, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfabrication+of+three-dimensional+engineered+Scaffolds%5BTitle%5D)+AND+%22Tissue+Eng%22%5BJournal%5D)">Microfabrication of three-dimensional engineered Scaffolds.</a> Tissue Eng. 13 (8), 1837-1844 (2007).</li>
<li>Wu, H., Odom, T. W., Chiu, D. T., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+complex+three-dimensional+microchannel+systems+in+PDMS%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Fabrication of complex three-dimensional microchannel systems in PDMS.</a> J. Am. Chem. Soc. 125 (2), 554-559 (2003).</li>
<li>Trask, R. S., Bond, I. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomimetic+self-healing+of+advanced+composite+structures+using+hollow+glass+fibres%5BTitle%5D)+AND+%22Smart+Mater.+Struct%22%5BJournal%5D)">Biomimetic self-healing of advanced composite structures using hollow glass fibres.</a> Smart Mater. Struct. 15 (3), 704-710 (2006).</li>
<li>Dong, H., Esser-Kahn, A. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemical+treatment+of+poly%28lactic+acid%29+fibers+to+enhance+the+rate+of+thermal+depolymerization%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl.+Mater.+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Chemical treatment of poly(lactic acid) fibers to enhance the rate of thermal depolymerization.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 503-509 (2012).</li>
<li>Esser-Kahn, A. P., Thakre, P. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+microvascular+fiber-reinforced+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional microvascular fiber-reinforced composites.</a> Adv. Mater. 23 (32), 3654-3658 (2011).</li>
<li>White, S. R., Blaiszik, B. J., Kramer, S. L. B., Olugebefola, S. C., Moore, J. S., Sottos, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-healing+polymers+and+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+Sci%22%5BJournal%5D)">Self-healing polymers and composites.</a> Am. Sci. 99 (5), 392(2011).</li>
<li>Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+three-dimensional+microvascular+gas+exchange+unit+for+carbon+dioxide+capture%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">A three-dimensional microvascular gas exchange unit for carbon dioxide capture.</a> Lab Chip. 12 (7), 1246(2012).</li>
<li>Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+membrane+thickness+on+a+microvascular+gas+exchange+unit%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">The effect of membrane thickness on a microvascular gas exchange unit.</a> Adv. Funct. Mater. , (2012).</li>
</ol>

Hemos solicitado una patente provisional en esta und EE.UU. La solicitud de patente provisional de EE.UU. la tecnología de serie N º 61/590, 086.

La introducción del catalizador en el snox fibras de PLA permite que las fibras se despolimerizan a una temperatura inferior. Esto evita la degradación de la resina de la incrustación, en este caso PDMS. Se requiere un husillo de encargo para mezclar adecuadamente la solución de tratamiento (Figura 5A). El husillo se compone de seis barras de soporte que rodean un núcleo central que se conecta a un mezclador digital. Las fibras se envuelven alrededor de las varillas de soporte de modo que el área de sup...

Los sistemas naturales utilizan redes vasculares extensas para facilitar muchas funciones biológicas. Transporte masivo se puede lograr de manera eficiente en estos sistemas debido a elevada área superficial de relaciones de volumen y estructuras de embalaje optimizado. Mientras que muchas técnicas de fabricación sintéticos pueden producir estructuras microvasculares, ninguno puede producir microvasculatura a gran escala manteniendo al mismo tiempo la complejidad y la compatibilidad con los métodos de fabricación existentes 1-5. Estructuras como los pulmones de las aves constituyen una fuente de inspiración. ¿Cómo elaborar estructuras de esta complejidad para mejorar el transporte de masas? La vaporización de un componente de sacrificio (VASc) puede producir estructuras microvasculares a gran escala, complejos 6-7. Este método utiliza la despolimerización térmica y la eliminación por evaporación de poli (láctico) fibras de ácido para formar canales huecos que son la inversa de la plantilla de la fibra. Esta es una técnica de sacrificio compatibles con la fabricación existentemétodos. Metro de largo patrones de microcanales, cilíndricos se pueden formar usando este proceso de fabricación. Esto puede ser usado para crear dispositivos vascularizados tales como polímeros de autocuración y unidades de captura de carbono microvasculares 3D 7-10. Las unidades de captura de carbono se inspiraron en el pulmón de las aves que proporciona una relación gas-cambio peso-eficiente debido a su uso durante el vuelo. El parabronchus se compone de microcanales hexagonal estampados, que proporciona tipos de cambio más elevados de la gasolina y las unidades de intercambio gaseoso estructuralmente estables. Con el fin de crear unidades de intercambio con características microescala alineados en tres dimensiones, se desarrolló un método de tensado de forma independiente utilizando un tablero de fibras de tensión de diseño personalizado con sintonizadores de la guitarra y las placas por láser micromecanizadas. Cada fibra se mantiene en su lugar por la tensión externa y el patrón está establecido por la colocación de los agujeros en la placa a través del cual las fibras se ejecutan.

<table><tbody><tr><td colspan="4"><fuerte>Reactivo</fuerte></td></tr><tr><td>Estaño (II) oxalato</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>402761</td><td></td></tr><tr><td>Disperbyk 130</td><td>BYK Aditivos Instrumentos</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Trifluoroetanol</td><td>Halocarbono</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Verde de malaquita (grado técnico)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M6880</td><td></td></tr><tr><td>Hidróxido de sodio (&ge; 98%, pellets)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5881</td><td></td></tr><tr><td>Polidimetilsiloxano (PDMS)</td><td>Dow Corning</td><td>3097358-1004</td><td>Distribuido a partir de Ellsworth Adhesives</td></tr><tr><td>Fibras de ácido poliláctico</td><td>Teijin Monofilamento</td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">Material</td></tr><tr><td>RW 20 Mezclador digital</td><td>IKA</td><td>3593001</td><td></td></tr><tr><td>Tarro</td> <td>desecador</td> Horno de vacío Pyrex <td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Fisher Scientific</td><td></td><td></td></tr> de <tr><td>tercera mano</td><td>Jameco Electronics</td><td>26690</td><td>Soporte de placa</td></tr><tr><td>Pistola de pegamento</td><td>Stanley</td><td>GR20L</td><td></td></tr><tr><td>PLA Husillo</td><td></td><td></td><td>Tablero</td></tr><tr><td>tensor</td><td></td><td></td><td></td></tr> hecho a medida</tbody></table>

proceso de fabricación microestructuras tridimensionales mediante vaporización de un componente de sacrificio

Process of Making Three-dimensional Microstructures using Vaporization of a Sacrificial Component

Estructuras vasculares en los sistemas naturales son capaces de proporcionar transporte de alta masa a través de las zonas elevadas de la superficie y la estructura optimizada. Pocas técnicas de fabricación de materiales sintéticos son capaces de imitar la complejidad de estas estructuras, mientras que el mantenimiento de escalabilidad. La vaporización de un proceso de componentes de sacrificio (VASc) es capaz de hacerlo. Este proceso utiliza fibras de sacrificio como una plantilla para formar micro-canales cilíndricos huecos, incrustados dentro de una matriz. Estaño (II) oxalato (snox) está incrustado dentro de poli (láctico) fibras de ácido (PLA) que facilita el uso de este proceso. El snox cataliza la despolimerización de las fibras de PLA a temperaturas más bajas. Los monómeros de ácido láctico son gaseosos a estas temperaturas y se pueden eliminar de la matriz incrustada a temperaturas que no dañen la matriz. Aquí se muestra un método para alinear estas fibras utilizando placas micromecanizadas y un dispositivo tensor para crear patrones complejos de tres dimensiones microcanales dispuestos.El proceso permite la exploración de virtualmente cualquier disposición de fibra de topologías y estructuras.

Este procedimiento proporciona un método de fabricación de estructuras microvasculares incrustados dentro de una resina. Estas estructuras pueden ajustarse a una variedad de patrones (Figura 2). La estructura de la red microvascular sólo está limitada por las estructuras que se pueden formar con las fibras de sacrificio. Con una disposición paralela de canales microvasculares, el transporte de gas entre corrientes de fluido se facilita en forma de gases atraviesan una membra...

La vaporización de un proceso de componentes de sacrificio (VASc) se utiliza para fabricar estructuras microvasculares. Este procedimiento utiliza fibras de ácido poli (láctico sacrificio) para formar micro-canales huecos con la posición geométrica en 3D precisa proporcionada por láser de placas de guía micromecanizadas.

Proceso de fabricación microestructuras tridimensionales mediante vaporización de un componente de sacrificio

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material ...

El objetivo general de este procedimiento es fabricar estructuras microvasculares tridimensionales. Esto se logra primero creando fibras sacrificables mediante la incorporación de oxalato de estaño en fibras de ácido poliláctico. El segundo paso consiste en configurar tridimensionalmente las fibras utilizando placas de configuración.A continuación, las fibras se moldean en una resina de inclusión. El paso final consiste en extraer las fibras de la resina mediante calor y vacío. En última instancia, el sistema microvascular puede utilizarse para múltiples fines, incluyendo intercambio de calor, transporte de masa y sistemas de autorreparación.Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades debido al alto grado de destreza manual y percepción visual necesarios para trabajar con las fibras. La demostración visual de este método es fundamental, ya que el tratamiento químico de las fibras y la colocación en series de placas de patrones son difíciles de aprender porque requieren coordinación ojo-mano y equipo especializado. Inicie el proceso de infusión de catalizador en la fibra con un huso personalizado y una fuente de fibras de ácido poliláctico de diámetro con

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