Method Article

תהליך של הפיכת Microstructures תלת ממדי באמצעות אידוי של רכיב של קורבן

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

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

האידוי של רכיב תהליך של קורבן (VaSC) משמש לפברק מבני כלי הדם. הליך זה נעשה שימוש בסיבי חומצה לקטית (הקרבת פולי) כדי ליצור microchannels חלול עם מיצוב גיאומטרי 3D מדויק המסופק על ידי צלחות ספר micromachined לייזר.

Abstract

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

מבני כלי דם במערכות טבעיות מסוגלים לספק תחבורה המונית גבוהה דרך שטח פנים גבוה ומבנה אופטימלי. טכניקות ייצור חומר סינטטי מעטים מסוגלים לחקות את המורכבות של מבנים אלה, תוך שמירה על יכולת הרחבה. האידוי של רכיב תהליך של קורבן (VaSC) הוא מסוגל לעשות זאת. תהליך זה משתמש בסיבי ההקרבה כתבנית ליצירת microchannels חלול, גלילי מוטבעים בתוך מטריצה. טין (השני) אוקסלט (SnOx) מוטבע בתוך פולי (לקטית) חומצה (PLA) סיבים המאפשר את השימוש בתהליך זה. SnOx מזרז depolymerization של סיבי PLA בטמפרטורות נמוכות יותר. את מונומרים החומצה לקטית הם גזים בטמפרטורות אלה וניתן להסיר מהמטריצה ​​מוטבעת בטמפרטורות שלא לפגוע במטריקס. כאן אנו מציגים שיטה ליישור סיבים אלה באמצעות צלחות micromachined ומכשיר מתיחה ליצור תבניות מורכבות של תלת ממד microchannels ערוך.התהליך מאפשר הבדיקה של כמעט כל הסדר של סיבי טופולוגיות ומבנים.

Introduction

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

מערכות טבעיות להשתמש ברשתות כלי דם נרחבות כדי להקל על תפקודים ביולוגיים רבים. תחבורה המונית ניתן להשיג יעילות במערכות כאלה בשל שטח פנים גבוה ליחסי נפח אריזה ומבנים אופטימליים. בעוד רבים טכניקות ייצור סינטטיים יכולות לייצר מבני כלי הדם, אף אחד יכול לייצר microvasculature בקנה מידה גדול, תוך שמירה על תאימות עם מורכבות ושיטות ייצור קיימות 1-5. מבנים כגון ריאות עופות לספק השראה. איך אפשר לפברק מבנים של מורכבות זו לשיפור תחבורה המונית?

האידוי של רכיב של קורבן (VaSC) יכול לייצר מבנים בקנה מידה גדול ומורכבים, כלי הדם 6-7. שיטה זו משתמשת depolymerization התרמית והסרת אידוי של פולי (לקטית) סיבי חומצה כדי ליצור ערוצים חלולים שההופכי של תבנית הסיבים. זוהי טכניקת ההקרבה תואמת את ייצור הקייםשיטות. יכולים להיווצר דפוסי מטר ארוכים, גליליים microchannel באמצעות תהליך ייצור זה. זה יכול לשמש כדי ליצור התקני vascularized כגון פולימרים ריפוי עצמי ויחידות לכידת פחם כלי הדם 3D 7-10.

יחידות לכידת פחמן נוצרו בהשראת ריאות עופות המספקת בשל יחס גז לבורסה למשקל יעיל לשימוש בו בטיסה. Parabronchus מורכב מmicrochannels בדוגמת משושים, המספק שערי חליפין דלק גבוהים ויחידות חילוף גזים יציבים מבחינה מבנית. על מנת ליצור יחידות מחליפות עם תכונות microscale מיושרות בשלושה ממדים, שפתחנו שיטה למתיחת סיבים באופן עצמאי באמצעות לוח מתח מעוצב אישית עם מקלטי גיטרה וצלחות לייזר micromachined. כל סיבים מתקיימים במקום על ידי מתח חיצוני ואת התבנית מוגדרת על ידי המיקום של חורים בצלחת דרכו את הסיבים לרוץ.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1. Catalyzing סיבים של קורבן

  1. עטוף את הכמות הרצויה של סיבי פולי (לקטית) חומצה ברחבי נמוך ¾ מציר מותאם אישית. להפחית חפיפה סיבים כדי לספק חשיפת פני השטח המקסימלי.
  2. מערבבים deionized H 2 O עם 40 מ"ל של Disperbyk 130 בבקבוק סגור ולנער עד לפתרון הומוגנית מתקבל. אז במקום כוס מ"ל 1,000 באמבט מים ב 37 מעלות צלזיוס ויוצקים trifluoroethanol לתוך הכוס. הסכום של H 2 O וTFE להשתמש תלוי בקוטר סיבי PLA בשימוש.
    קוטר סיב הסכום של H 2 O (מ"ל) כמות TFE (מ"ל)
    200 400 400
    300 360 440
    500 320 480
  3. להוסיףפתרון H 2 O / Disperbyk 187 לכוס ומערבבים עד אחיד.
  4. הוסף 1 גרם של מלכיט גרין לתערובת ומערבבים עד שהיא נמסה.
  5. הנח את הציר המותאם אישית עם סיבים בכוס ½ סנטימטר מחלקו התחתון ולצרף את הציר למיקסר דיגיטלי. לאחר מכן הפעילו את המיקסר הדיגיטלי ב 400 סל"ד.
  6. לאט לאט מוסיף 1.3 גרם של פח זרז (השני) אוקסלט (SnOx) לתערובת. התוספת של SnOx חייבת להיות הדרגתית על מנת למנוע agglomerations גדול של חומר ממתרסק מהפתרון.
  7. התאם את ה-pH בתערובת באמצעות NaOH עד pH ~ הוא 6.8-7.2.
  8. הבטחת מכסה לכוס ולהגדיל את סיבוב הציר ל500 סל"ד במשך 24 שעות. אם מסכת של SnOx הוא ציין, באופן ידני לשבור אותו תוך 2 שעות הראשונה.
  9. הסר את הציר ויבש בתנור בחום של 35 מעלות צלזיוס למשך הלילה.
  10. לגולל ולהסיר זרז עודף מסיבי PLA catalyzed.

2. כלי הדם הגז exchanייצור יחידת ge

  1. להשיג זוג צלחות נחושת דפוסים פליז בחיתוך לייזר עם דפוס כלי הדם הרצוי ולהדביק את הצלחות על מחזיקי קליפ.
  2. גזור אורך 10 סנטימטר של סיבי קטליזאטור לmicrochannel ולהסיר כל זרז שנותר באמצעות צלחת עבה חתכה לקוטר הסיב (תיקו צלחת).
  3. פיד את הקצוות של הסיבים על ידי שימוש בקצה אקדח דבק חם ללאט extrude את הטיפים הסיבים.
  4. השחל את הסיבים באמצעות התאמת חורים בזוגות צלחת דפוסים פליז.
  5. הברג את הלוחות על גבי תיבת דפוס. ודא את הסיבים אינם מעוות כאשר מצרפים את הצלחות.
  6. מחרוזת את הטיפים הסיבים באמצעות כוונון יתדות של לוח tensioning המותאם אישית.
  7. מתח סיבי PLA עד מתוח. היזהר שלא על המתח ולהצמיד את הסיבים.
  8. הסר חלקיקים עודפים מדפוס הסיבים באמצעות אוויר דחוס.
  9. בסיס תמהיל polydimethylsiloxane (PDMS) עם סוכן ריפוי ב10:01, V: יחס v.
  10. דגה התערובת תחת ואקום בצנצנת ייבוש למשך 10 דקות.
  11. יוצקים את תערובת PDMS לתוך תיבת העובש. אין לשפוך ישירות על הסיבים על מנת להפחית את ההשמנה של בועות אוויר.
  12. באמצעות 26 G מחט, להסיר בועות בתוך תיבת דפוס או בין הסיבים.
  13. לרפא את תערובת PDMS על 85 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
  14. להתיר את הצלחות נחושת מתיבת העובש, כדי לוודא שלא לכופף את הצלחות או למשוך יותר מדי קשה. הסר את שלב 1 st נרפא מתיבת העובש.
  15. השחל את הסיבים באמצעות קצה כובע RTV על ידי ניקוב חורים בקצה הכובע עם מזרק. בהתאם לגודל סיבים, השתמש במד מחט שיש לו לפחות 2x הקוטר הפנימי של הקוטר החיצוני של הסיבים שלך. לשמור על דפוס דומה כמו צלחת פליז הדפוסים, אבל באופן נרחב יותר פרוש.
  16. הדקו את הפקקים מקצה לקצה תיבת עובש גדול ויוצקים שלב 2 nd של PDMS.
  17. הסר את כל בועות גז שנותרו ולרפא על 85 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
  18. לחתוך כל סיבים עודפים PLA מהמדגם ומכניס לתנור בואקום 210 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות, או עד שסיבי PLA פונו ברובם.
  19. אם לא ניתן להסיר את כל PLA, בעדינות לפזר מתוך microchannels באמצעות הזרקה של 1 מ"ל של כלורופורם.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

הליך זה מספק שיטה של ​​בודה מבני כלי הדם מוטבע בתוך שרף. מבנים אלה יכולים להתאים למגוון רחב של תבניות (איור 2). המבנה של רשת כלי הדם מוגבל רק על ידי המבנים שיכולים להיוצר עם סיבי ההקרבה.

באמצעות הסדר מקביל של ערוצי כלי הדם, הובלת גז בין זרמי נוזל הוא הקל כגזים לעבור בין ערוץ קרום חדיר. יכולים להיות מפוברקים מכשירים אלה באופן מדרגי, ללא צורך בליתוגרפיה (איור 3). את microchannels נ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

כניסתה של זרז SnOx לתוך סיבי PLA מאפשרת סיבי depolymerize בטמפרטורה נמוכה יותר. זה מונע את הפירוק של שרף ההטבעה, במקרה זה PDMS. ציר מותאם אישית נדרש לערבב את פתרון הטיפול (איור 5 א) כמו שצריך. הציר מורכב משש מוטות תמיכה המקיפות ליבה מרכזית המתחברת למיקסר דיגיטלי. הסיבים הם עוטפים את מוטות התמיכה, כך ששטח הפנים של סיבי גלישה במגע עם פתרון קטליטי היה מוגדל. החלק התחתון של הציר הכיל סט של להבים להציג את הזרימה כאוטית. הזרימה כאוטית מונעת הצטברות של הזרז.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

יש לנו גישת בקשה לפטנט זמני על טכנולוגית und יישום זה בארה"ב הפטנט בארה"ב זמני סידורי מספר 61/590, 086.

Acknowledgements

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

עבודה זו נתמכה על ידי תכנית חוקר צעיר AFOSR תחת פקולטה פרס ללא מניין 3M FA9550-12-1-0352 ו. המחברים מבקשים להודות לLalisa Stutts וג'נין טום לדיון מועיל הנוגע לפרויקט זה. המחברים מודים למרכז Calit2 מיקרוסקופית ומתקן לייזר ספקטרוסקופיה באוניברסיטת קליפורניה, אירווין הלמאפשרים שימוש במתקניה. חנות מכונת UCI המדעים הפיזיקליים הודג' הרלנד, ושיוכרו עבור הייצור של כלים. פולי (לקטית) סיבי חומצה סופקו בנדיבות על ידי Monofilament Teijin.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
<חזק>ריאגנט
פח (II) אוקסלטסיגמא-אולדריץ'402761
Disperbyk 130BYK Additives Devices
TrifluoroethanolHalocarbon
Malachite Green (דרגה טכנית)Sigma-AldrichM6880
נתרן הידרוקסיד (≥ 98%, כדורים)סיגמא-אולדריץ'S5881
פולידימתילסילוקסן (PDMS)Dow Corning3097358-1004מופץ מדבקים של אלסוורת'
סיבי חומצה פולי (לקטית)Teijin Monofilament
<חזק>חומר
RW 20 מיקסר דיגיטליIKA3593001
צנצנתייבושתנור ואקום פיירקס
פישר מדעי
יד שלישיתJameco אלקטרוניקה26690מחזיק צלחת
אקדח דבקסטנליGR20L
PLA צירבהתאמה אישית
לוחבהתאמה אישית
מתיחה

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).
  2. 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).
  3. Borenstein, J. T., Weinberg, E. J., Orrick, B. K., Sundback, C., Kaazempur-Mofrad, M. R., Vacanti, J. P. Microfabrication of three-dimensional engineered Scaffolds. Tissue Eng. 13 (8), 1837-1844 (2007).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Esser-Kahn, A. P., Thakre, P. R., et al. Three-dimensional microvascular fiber-reinforced composites. Adv. Mater. 23 (32), 3654-3658 (2011).
  8. White, S. R., Blaiszik, B. J., Kramer, S. L. B., Olugebefola, S. C., Moore, J. S., Sottos, N. R. Self-healing polymers and composites. Am. Sci. 99 (5), 392(2011).
  9. 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).
  10. 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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Vaporization of Sacrificial ComponentSacrificial FibersTin Oxalate CatalystPolylactic Acid FibersThree dimensional PatterningEmbedding ResinPDMS CastingHeat Vacuum EvacuationMicrovascular StructuresFiber Alignment

Related Articles