Method Article

Processus de fabrication de microstructures tridimensionnelles en utilisant la vaporisation d'un composant sacrificiel

DOI:

10.3791/50459

⸱

November 2nd, 2013

 ,  , 
1Department of Physics, University of California, Irvine, 2Department of Chemistry, University of California, Irvine

In This Article

Summary

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

La vaporisation d'un processus de composant sacrificiel (VASC) est utilisé pour fabriquer des structures microvasculaires. Cette procédure utilise des fibres d'acide poly (lactique sacrificielles) pour former des microcanaux creuses avec un positionnement géométrique 3D précises fournies par des plaques de guidage laser micro-usinés.

Abstract

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

Structures vasculaires dans les systèmes naturels sont en mesure d'assurer le transport de masse élevée à travers des zones de surface élevée et une structure optimisée. Peu de techniques de fabrication de matière synthétique sont capables d'imiter la complexité de ces structures tout en conservant l'évolutivité. La vaporisation d'un processus de composant sacrificiel (VASC) est en mesure de le faire. Ce processus utilise des fibres sacrificielles comme modèle pour former creux, microcanaux cylindriques incorporées dans une matrice. Tin (II) oxalate (SnOx) est incorporé dans le poly (lactique) fibres acide (PLA) qui facilite l'utilisation de ce processus. Le SnOx catalyse la dépolymérisation des fibres PLA à des températures plus basses. Les monomères d'acide lactique sont gazeux à ces températures, et peuvent être retirées de la matrice incorporé à des températures qui ne nuisent pas à la matrice. Ici, nous montrons une méthode pour aligner ces fibres à l'aide de plaques de micro-usinés et un dispositif de tension pour créer des motifs complexes en trois dimensions des microcanaux disposés.Le processus permet l'exploration de pratiquement n'importe quel arrangement de fibres topologies et structures.

Introduction

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Les systèmes naturels utilisent de vastes réseaux vasculaires de faciliter de nombreuses fonctions biologiques. le transport de masse peut être réalisé efficacement dans de tels systèmes en raison d'une grande surface de rapports de volume et les structures d'emballage optimisés. Alors que de nombreuses techniques de fabrication synthétiques peuvent produire des structures microvasculaires, nul ne peut produire microvasculature à grande échelle tout en maintenant la complexité et la compatibilité avec les procédés de fabrication existants 1-5. Des structures telles que le poumon aviaire fournissent une source d'inspiration. Comment pouvons-nous fabriquer des structures de cette complexité pour améliorer le transport de masse?

La vaporisation d'un composant sacrificiel (VASC) peut produire des structures microvasculaires de grande envergure, complexes 6-7. Cette méthode utilise la dépolymérisation thermique par évaporation et l'élimination de poly (lactique), des fibres d'acide pour former des canaux creux qui sont l'inverse de la matrice de fibres. Il s'agit d'une technique de sacrifice compatible avec la fabrication existanteméthodes. Mètres de long, les modèles de microcanaux cylindriques peuvent être formées en utilisant ce procédé de fabrication. Ceci peut être utilisé pour créer des dispositifs vascularisés tels que les polymères auto-guérison et d'unités de capture du carbone microvasculaires 3D 7-10.

Les unités de capture du carbone ont été inspirés par le poumon aviaire qui fournit un moyen efficace d'échange de gaz à rapport poids en raison de son utilisation en vol. Le parabronchus est composé de microcanaux hexagonale à motifs, qui fournit des taux de change élevé de l'essence et des unités d'échange de gaz structurellement stables. Afin de créer des unités d'échange avec des caractéristiques micrométriques alignés en trois dimensions, nous avons développé une méthode de mise en tension indépendamment fibres en utilisant une planche de tension conçu sur mesure avec tuners de guitare et de plaques au laser micro-usinés. Chaque fibre est maintenue en place par la tension externe et le motif est défini par l'emplacement des trous de la plaque à travers laquelle les fibres s'exécutent.

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Protocol

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1. Catalyser fibres sacrifiées

  1. Enrouler la quantité désirée de fibres de poly (lactique), d'acide près de la partie inférieure de la broche ¾ personnalisée. Réduire le chevauchement de fibres pour fournir l'exposition maximale de la surface.
  2. Mélanger déminéralisée H 2 O avec 40 ml de Disperbyk 130 dans une bouteille fermée et secouer jusqu'à ce qu'une solution homogène. Ensuite, placez un bécher de 1000 dans un bain d'eau à 37 ° C et verser trifluoréthanol dans le bécher. La quantité de H 2 O et TFE à utiliser dépend du diamètre de la fibre PLA utilisé.
    Diamètre de la fibre Quantité de H 2 O (ml) Montant de TFE (ml)
    200 400 400
    300 360 440
    500 320 480
  3. Ajouterl'O / Disperbyk 187 solution H 2 dans le bécher et remuer jusqu'à homogénéité.
  4. Ajouter 1 g de vert de malachite dans le mélange et remuer jusqu'à dissolution.
  5. Placez la broche sur mesure avec des fibres dans le bécher ½ pouce du fond et fixer la broche à une console de mixage numérique. Puis, vous lancez le mélangeur numérique à 400 rpm.
  6. Ajouter lentement 1,3 g de catalyseur à l'étain (II) oxalate (SnOx) au mélange. L'ajout de SnOx doit être progressive afin d'éviter les grandes agglomérations de matériel de s'écraser sur la solution.
  7. Ajuster le pH dans le mélange avec du NaOH jusqu'à pH ~ 6,8-7,2.
  8. Fixer un couvercle sur le bécher et augmenter la rotation de la broche à 500 tours par minute pendant 24 heures. Si une agglomération de SnOx est observée, casser manuellement vers le haut dans les 2 premières heures.
  9. Retirer la broche et sèche au four à 35 ° C pendant la nuit.
  10. Déballer et enlever l'excès de catalyseur à partir des fibres de PLA catalysées.

2. Microvasculaire gaz Exchange Unité Fabrication

  1. Procurez-vous une paire de cuivre plaques de laiton de motifs découpés au laser avec le motif de microvasculaire souhaitée et fixer les plaques sur les détenteurs de clip.
  2. Couper une longueur de 10 pouces de fibre catalysée par micro-canal et supprimer n'importe quel catalyseur restant à l'aide d'une plaque plus épaisse pour réduire le diamètre des fibres (plaque nuls).
  3. Cône les bords des fibres à l'aide de la pointe d'un pistolet à colle chaude pour extruder lentement les bouts de fibre.
  4. Passer les fibres à travers des trous correspondant à des paires de plaques de mise en forme de laiton.
  5. Visser les plaques sur une boîte de moulage. Assurez-vous que les fibres ne sont pas tordus lors de la fixation des plaques.
  6. Enchaîner les conseils de fibre à travers le tuning pegs du conseil de tension personnalisé.
  7. Tendre les fibres PLA jusqu'à tendue. Faites attention de ne pas trop la tension et enclenchez les fibres.
  8. Enlever les particules en excès à partir du motif de la fibre à l'aide d'air comprimé.
  9. Mix polydiméthylsiloxane base (PDMS) avec durcisseur en 10:1, v: rapport v.
  10. Degas le mélange sous vide dans un bocal en dessiccateur pendant 10 min.
  11. Verser le mélange PDMS dans la boîte de moule. Ne pas verser directement sur les fibres, afin de réduire le piégeage de bulles d'air.
  12. Utilisation d'une aiguille de calibre 26, éliminer les bulles à l'intérieur de la boîte de moulage, ou entre les fibres.
  13. Durcir le mélange PDMS à 85 ° C pendant 30 min.
  14. Détachez les plaques d'airain de la boîte de moule, en veillant à ne pas plier les plaques ou tirer trop fort. Retirez la 1 ère étape guéri de la boîte de moule.
  15. Passer les fibres à travers un bouchon RTV en perforant des trous dans le bouchon avec une aiguille hypodermique. En fonction de la taille des fibres, en utilisant une jauge d'aiguille qui a au moins 2 fois le diamètre intérieur du diamètre externe de la fibre. Maintenir une configuration similaire à celle de la plaque de formation de motifs en laiton, mais plus largement étalé.
  16. Fixer les embouts aux extrémités d'une boîte de moule plus grand et verser une 2 ème étape du PDMS.
  17. Retirez toutes les bulles de gaz restants etdurcir à 85 ° C pendant 30 min.
  18. Coupez les fibres PLA excès de l'échantillon et le placer dans un four sous vide à 210 ° C pendant 24 heures, ou jusqu'à ce que les fibres de PLA ont été pour la plupart évacués.
  19. Si l'APL ne peut être retiré, dissoudre doucement sur les microcanaux en utilisant une injection de 1 ml de chloroforme.

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Results

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Cette procédure concerne un procédé de fabrication de structures microvasculaires incorporées dans une résine. Ces structures peuvent se conformer à une variété de modèles (Figure 2). La structure du réseau microvasculaire est seulement limité par les structures qui peuvent être formés avec les fibres sacrificielles.

Utilisation d'un agencement parallèle de canaux microvasculaires, le transport du gaz entre les courants de fluide est facilitée que les gaz traversent une memb...

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Discussion

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L'introduction du catalyseur SnOx dans les fibres PLA permet aux fibres de dépolymérisent à une température inférieure. Ceci permet d'éviter la dégradation de la résine d'enrobage, dans ce cas, le PDMS. Une broche de commande est nécessaire de bien mélanger la solution de traitement (figure 5A). L'axe est composé de six tiges de support autour d'un noyau central qui se fixe à un mélangeur numérique. Les fibres sont enroulés autour des tiges de support de telle sorte que l'aire de...

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Disclosures

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Nous avons déposé une demande de brevet provisoire sur cette technologie und brevet américain US application provisoire de série n ° 61/590, 086.

Acknowledgements

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

Ce travail a été soutenu par le programme Young Investigator AFOSR sous FA9550-12-1-0352 et un Prix 3M de la faculté non permanent. Les auteurs tiennent à remercier lalisa Stutts et Janine Tom de discussion utile relative à ce projet. Les auteurs remercient le Centre de Microscopie Calit2 et pour la spectroscopie laser à l'Université de Californie, Irvine pour permettre l'utilisation de ses installations. Hodge Harland et l'UCI Sciences physiques Atelier d'usinage sont reconnus pour la fabrication d'outils. Poly (lactique) de fibres d'acide a été généreusement fourni par Teijin monofilament.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
réactif
oxalate d’étain (II)Sigma-Aldrich402761
Disperbyk 130BYK Additifs Instruments Trifluoroéthanol
Halocarbure
Malachite Vert (qualité technique)Sigma-AldrichM6880
Hydroxyde de sodium (&ge ; 98 %, granulés)Sigma-AldrichS5881
Polydiméthylsiloxane (PDMS)Dow Corning3097358-1004Distribué par Ellsworth Adhesives
Fibres d’acide poly(lactique)Teijin Monofilament
Material
RW 20 Mélangeur numériqueIKA3593001
Potde dessiccateurFour à vide Pyrex
Fisher Scientific
Troisième mainJameco Electronics26690Porte-plaque
Pistolet à colleStanleyGR20L
PLA BrocheSur mesure
Planchesur mesure
de tension

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
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Vaporization of Sacrificial ComponentSacrificial FibersTin Oxalate CatalystPolylactic Acid FibersThree dimensional PatterningEmbedding ResinPDMS CastingHeat Vacuum EvacuationMicrovascular StructuresFiber Alignment

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