Dibujo y el patrón de hidrofobicidad largos filamentos de silicona polidimetilsiloxano
7 de enero de 2019
Aquí, presentamos un protocolo para producir los filamentos largos de silicona polidimetilsiloxano (PDMS) por gravedad-dibujo a través de un horno. Filamentos son del orden de cientos de micrómetros de diámetro y decenas de centímetros de longitud y hydrophobically patternable mediante un sistema controlado por Arduino descarga de corona.
El polidimetilsiloxano es un material versátil que hasta ahora no se podía formar en filamentos largos. Mientras que los filamentos de silicona pueden tener aplicaciones en el tejido o la fabricación aditiva, estamos particularmente interesados en ellos como un modelo de foldamer. La producción escalable se activa dibujando silicona de curado ya a través de un horno de tubo.
También demostramos una manera de modificar la superficie de los filamentos de silicona utilizando un descargador corona controlado por computadora. El tiempo en este procedimiento es crucial porque el polímero se está curando continuamente. Mantenga un temporizador cerca y prepárese para el siguiente paso con antelación.
Sin una demostración visual, el proceso dinámico de fabricación de filamentos no se reproduciría fácilmente. El proceso implica varios pasos sensibles al tiempo que requieren que se adapte a las condiciones en evolución. Para comenzar, conecte tubos de silicona de alta temperatura de 1/8 de pulgada de diámetro interior al aire comprimido a través de una válvula dosificadora.
Conecte el otro extremo del tubo a un adaptador de extrusión de latón con una abertura de 2,15 milímetros de diámetro. A continuación, fijar el horno de tubo de cerámica cilíndrico verticalmente en una campana de humo, dos pies por encima del suelo de la campana. Ponga papel de aluminio debajo del horno para detectar el exceso de PDMS durante la extrusión.
Monte el adaptador de extrusión por encima del horno de tubo con la abertura centrada en la abertura del horno. Asegúrese de que el horno no esté en un ángulo para que los filamentos extruidos no entren en contacto con el horno. A continuación, fije un troquel con un corte circular a un extrusor y utilice una corbata de cremallera para conectar el tubo de goma de silicona de alta temperatura a la broca del extrusor.
Conecte el otro extremo del tubo al adaptador de extrusión. Dirija un termómetro infrarrojo hacia el horno y luego caliente el horno hasta que la temperatura interior sea de aproximadamente 250 grados centígrados. A continuación, mueva el horno desde debajo del adaptador de extrusión para que el adaptador no se caliente antes de que comience la producción de filamentos.
A continuación, comience a precalentar un tubo de muestra desechable a 65 grados centígrados en un viscosímetro que pueda medir de 200 a 10 mil segundos milipascales. Compruebe la balanza, establezca la velocidad de giro en cinco RPM y establezca la velocidad de medición en una vez por minuto. Mientras el tubo de muestra se calienta, mezcle 18 gramos de base PDMS con 1,8 gramos de agente de curado, en un bote de pesaje.
Desgasar la mezcla PDMS en un desecador de vacío a temperatura ambiente durante 15 minutos, o hasta que no quede burbujas en la mezcla. Ventile periódicamente el desecador para hacer estallar burbujas cerca de la superficie. A continuación, retire el tubo de muestra precalentado del viscosímetro.
Vierta la mezcla de PDMS desgasificación en ella, y vuelva a colocar el tubo en el viscosímetro. Inicie inmediatamente la secuencia de medición. Cuando la viscosidad dinámica DE PDMS alcance los cuatro mil segundos milipascales, observe el tiempo y, a continuación, utilice alicates para extraer el tubo de muestra del viscosímetro.
Vierta inmediatamente la mezcla PDMS en el extrusor de temperatura ambiente. Confirme que el horno está a 250 grados centígrados y espere hasta que el PDMS haya estado fuera del viscosímetro durante unos cuatro minutos. A continuación, mueva el horno debajo del adaptador de extrusión y alinee la aguja interna del adaptador con el horno de tubo.
Gire el tornillo del extrusor por medio revolucion y comience a recoger el filamento en un palo de madera. Cada tres a cinco segundos, gire el extrusor otra media revolución para mantener el flujo constante de PDMS. La ventana de viscosidad para dibujar filamentos es muy estrecha.
Si la viscosidad es demasiado baja, espere 30 segundos e inténtelo de nuevo. PdmS continuará reticulando a temperatura ambiente. Poner los filamentos dibujados a través de estantes de madera para curar.
Deje que los filamentos se curen a temperatura ambiente durante 12 horas cuando estén terminados. Para comenzar el proceso de modelado, configure el ensamblaje de patrón en una campana de humo y envíe el patrón deseado al microprocesador. A continuación, lave un filamento PDMS curado con 1% de sulfato de dodecil sódico.
Y enjuáguelo bien con agua ultra pura. Retire las gotas visibles de agua con aire comprimido y deje que el filamento termine de secarse en el aire ambiente. A continuación, ate la línea de pesca no conductora al corte circular de la bandeja de filamentos no conductores.
Coloque el filamento PDMS seco sobre el corte central de la bandeja y fíjelo en su lugar con cinta adhesiva de doble cara. Inserte la bandeja en una caja de descarga corona ventilada y asegúrese de que esté nivelada. Coloque una losa metálica debajo de la bandeja de filamento para que el filamento esté alineado a lo largo del borde de la losa.
Monte el electrodo de descarga corona unos tres milímetros por encima del filamento, y conecte el descargador corona al microcontrolador. Fije el extremo libre de la línea no conductora al husillo montado en el motor paso a paso, asegurando que la línea esté tensa. Ejecute el programa de microcontrolador para modelar el filamento con secciones hidrófilas.
Los filamentos PDMS producidos por este método tenían aproximadamente 200 micrómetros de diámetro y hasta 0,5 metros de largo. Extracción de los PDMS del calor antes de que su viscosidad era lo suficientemente alta para dibujar filamentos, y dejarlo cruzar a temperatura ambiente durante cuatro minutos y medio, extendió la ventana de tiempo en la que los filamentos se pueden girar a unos cuatro minutos. El éxito del patrón corona se confirmó mediante mediciones de ángulo de contacto con gotas.
El agua formaba gotas simétricas en forma de barril en la corona tratadas PDMS hidrófilas, y gotas asimétricas en forma de concha en los PDMS hidrófobos no tratados. La clave de este procedimiento es que está manipulando la viscosidad de PDMS con tiempo y temperatura. La viscosidad aumenta con el tiempo a medida que cruza y el curado se acelera a temperaturas más altas.
El enfoque de curar parcialmente un polímero y extraerlo a través de un horno de tubo, puede adaptarse a otros polímeros curados a temperatura. Estos filamentos son lo suficientemente flexibles como para adoptar a muchas conformaciones, y las regiones hidrófobas se adhieren afectivamente en el agua. Estamos estudiando cómo el patrón de hidrofobicidad de los filamentos afecta sus vías de plegado.
PDMS puede gotear sobre el horno y producir una pequeña llama. Alinee cuidadosamente el extrusor con el horno y limpie rápidamente los restos del horno con una espiga de madera.
Descripción general
Este artículo presenta un protocolo para producir filamentos largos de silicona de polidimetilsiloxano (PDMS) utilizando una técnica de estirado por gravedad a través de un horno. Los filamentos, que miden cientos de micrómetros de diámetro y hasta medio metro de longitud, pueden ser patroneados hidrofóbicamente mediante un sistema de descarga por corona controlado por Arduino.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Ciencia de Materiales
- Ingeniería de Polímeros
- Modificación de Superficies
Antecedentes
- El polidimetilsiloxano (PDMS) es un material de silicona versátil.
- La producción de filamentos largos ha sido un desafío hasta ahora.
- Los filamentos tienen aplicaciones potenciales en tejidos y fabricación aditiva.
- Las técnicas de modificación de superficie pueden mejorar la funcionalidad.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un método escalable para la producción de filamentos de PDMS.
- Explorar el patrón superficial de PDMS para aplicaciones específicas.
- Investigar los efectos de la hidrofobicidad en las vías de plegamiento de los filamentos.
Métodos Utilizados
- Conectar tubos de silicona a un sistema de extrusión y horno.
- Mezclar la base de PDMS con un agente de curado y desgasificar la mezcla.
- Controlar la temperatura y la viscosidad durante el estirado de filamentos.
- Utilizar descarga por corona para el patrón superficial de los filamentos.
Resultados principales
- Los filamentos producidos tenían aproximadamente 200 micrómetros de diámetro y hasta 0,5 metros de longitud.
- Se confirmó con éxito el patrón superficial mediante mediciones del ángulo de contacto de gotas.
- La manipulación de la viscosidad fue clave para la producción de filamentos.
- El método podría adaptarse para otros polímeros curados por temperatura.
Conclusiones
- El protocolo desarrollado permite la producción de filamentos largos de PDMS.
- Los patrones de hidrofobicidad influyen significativamente en las vías de plegamiento.
- Este enfoque abre nuevas vías para investigaciones futuras en aplicaciones de polímeros.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este método permite la producción a escala de filamentos largos de PDMS que pueden ser estructurados, abordando una limitación clave de materiales en sistemas biomiméticos y microingenierizados. Al proporcionar una vía para ajustar la hidrofobicidad a lo largo del eje principal de los filamentos, facilita la reducción de riesgos en estudios mecanicistas sobre plegamiento y autoensamblaje similares a péptidos. El enfoque ofrece una plataforma reproducible para generar componentes basados en silicona con propiedades superficiales controladas, útiles en la validación temprana de objetivos y en el desarrollo de ensayos.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar los efectos de la secuencia anfifílica en la dinámica conformacional de sistemas modelo de plegamientos.
- Valor operativo: Proporciona filamentos estandarizados y largos con propiedades de superficie definidas para ensayos de unión o ensamblaje reproducibles.
Desarrollo de Pruebas y Cribado
- Valor científico: Genera filamentos de silicona consistentes y permeables a gases, adecuados para interfaces de sensores microfluídicos o estudios del microentorno celular.
- Valor operativo: Permite la fabricación de elementos reutilizables con patrones hidrófilos/hidrófobos para la integración en placas de múltiples pocillos o plataformas de órgano-en-un-chip.
Investigación Traductiva y Preclínica
- Valor científico: Facilita el análisis estructura-función de los patrones de hidrofobicidad en la guía de las vías de plegamiento de péptidos miméticos, relevantes para la interacción con el blanco.
- Valor operativo: Permite la producción de filamentos largos y flexibles para la prototipificación preclínica de componentes de sensores implantables o portátiles que requieren permeabilidad a los gases.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
El método se integra en flujos de trabajo de descubrimiento temprano donde se requiere una química de superficie controlada y flexibilidad mecánica para modelar interacciones biomoleculares o evaluar respuestas ambientales.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre cómo el patrón superficial influye en la autoensamblaje o en la cinética de unión en ambientes acuosos.
- Selección: Proporciona filamentos listos para ensayos con contraste hidrofóbico cuantitativo para evaluar los efectos de compuestos sobre la estabilidad o agregación de filamentos.
- Análisis: Permite mediciones del ángulo de contacto como lectura cuantitativa del éxito de la modificación superficial y la consistencia entre lotes.
- Investigación Traducional: Relaciona el comportamiento de plegamiento de los filamentos con modelos preclínicos de agregación de péptidos o interacción con membranas.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma reutilizable para generar filamentos de silicona en múltiples proyectos que requieran propiedades superficiales ajustables.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Mejora la confianza predictiva en la modelización de plegamientos inducidos por anfifilos e interacciones similares a las diana.
- Valor operativo: Asegura la reproducibilidad mediante estirado controlado por viscosidad y patrones automatizados de corona.
- Valor estratégico: Reduce los plazos de desactivación de riesgos biológicos al permitir una rápida iteración sobre patrones de hidrofobicidad en análogos de plegámeros.
- Impacto en la cartera: Apoya decisiones de avance o interrupción en proyectos de etapa inicial que exploran materiales biomiméticos basados en silicona o interfaces de sensores.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en reología de polímeros y monitoreo de viscosidad durante el entrecruzamiento.
- Necesita acceso a un horno de tubo, viscosímetro, equipo de extrusión y sistema de descarga por corona con control mediante microcontrolador.
- Exige la estandarización de los protocolos de tiempo debido al curado continuo y a las ventanas estrechas de viscosidad.
- Incluye consideraciones de adaptación al transferir el método a otros polímeros curados por temperatura con cinéticas de entrecruzamiento diferentes.
- Comprende limitaciones prácticas, como restricciones en el diámetro del filamento y sensibilidad a la humedad ambiental durante el trazado de patrones.
