מאמר שיטה

נקבעה 3-D ישיר כתיבה של / מבנים תת-מיקרון מיקרון מושעה סיבי קנה מידה באמצעות מערכת רובוטית חלוקה

9.6K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/52834

⸱

12 ביוני 2015

 ,  , 
1Bioengineering Department, University of Louisville

במאמר זה

סיכום

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לפברק בחופשיות-מושעים, מיקרון / סיבים תת-מיקרון בקנה מידה פולימר ומבנים ", כמו אינטרנט" שנוצרו באמצעות הליך כתיבה ישיר אוטומטי באמצעות מערכת מחלק 3-ציר.

תקציר

מערכת חלוקה תלת-צירית משמשת לשליטה במיקומי הסיבים המתחילים והסופיים באמצעות תוכנת החלוקה. אורך וכיוון סיבי הפולימר מוגדרים על ידי המיקום המרחבי של שלבי 3 הצירים של מערכת החלוקה. קוטר הסיבים מוגדר על ידי זמן החלוקה שנקבע של שסתום מערכת החלוקה, קצב ההזנה (המהירות שבה השלב עובר ממצב התחלה למצב סיום), קוטר המד של קצה החלוקה, הצמיגות ומתח הפנים של תמיסת הפולימר ואורך הציור המתוכנת. קצב הזנת השלב משפיע על קצב האידוי של תמיסת הפולימר ועל פירוק הנימים של החוטים. מערכת החלוקה מורכבת מבקר שסתומים פנאומטי, שסתום חלוקת טיפות וקצה חלוקה. אפיון תהליך הכתיבה הישירה לקביעת השילוב האופטימלי של גורמים מוביל לרכישה חוזרת ונשנית של הטווח הרצוי של קוטר הסיבים. היתרון של מערכת חלוקה רובוטית זו הוא הקלות של השגת טווח מדויק של סיבים מיקרון/תת-מיקרון למיקום רצוי ומתוכנת באמצעות בקרת תהליכים אוטומטית. כאן, המבנים התלת-ממדיים הנידונים בהרכבה עצמית בקנה מידה מיקרון/תת-מיקרון שימשו לייצור מבנים תלויים ליצירת התקנים נוזליים של מיקרון/תת-מיקרון ופיגומים מהונדסים ביולוגית.

מבוא

במהלך העשורים האחרונים, מגוון רחב של טכניקות ייצור, כגון ספינינג הרטוב, ספינינג היבש וelectrospinning, להיות מועסק כדי ליצור מבני פולימר סיבי רומן עם תכונות מגוונות וחזקים ביולוגיות, כימית, חשמליות ומכאניות 1-12. למרות טכניקות ספינינג אלה הן מסוגלים לייצר מושעים סיבים תלת-ממדיים, שהם מוגבלים ביכולתם לשלוט במדויק כיוון סיבים בשלושה ממדים מאז תצהיר סיבים באמצעות תהליכים אלה הם אקראיים בטבע. בנוסף, טכניקות אלה מוגבלים בטווח ממדים שלהם לייצור סיבים; במיוחד, סיבים מיוצרים באמצעות ספינינג הרטוב והיבש שונים בקוטר בין עשרות למאות מיקרונים, ואילו electrospinning סיבי תשואות בקטרים ​​הנעים בין עשרות ננומטרים למיקרון בודד 13.

כדי לספק שליטה מדויקת יותר של נטייה סיבים בחלל 3-D, הקבוצה שלנו פותחה עצמית-assemble או תהליך "ישיר לכתוב" סיבי ייצור ישירות פולט חומר פולימרים מנימים חלולות ולאחר מכן מושך חוטים בודדים שדקים והופכים לקטרי סיבים צפויים על ידי ניצול מכניקה מונע מתח פן נוזל 14. המערכת ישירה לכתוב הראשונית שלנו להגדלת רמת השליטה של עמדת סיבים וקוטר כלל מערכת מחלק המזרק מותאמת אישית מפוברקת קפיץ המחובר לראשו של מנהג עשה אולטרה-דיוק גבוה Micromilling מכונת (איור 1). היה לי UHPMM במה עם רזולוציה positional של 1.25 ננומטר בכיווני X ו- Y ו- 20 ננומטר בכיוון Z שתיכנותי מבוקר כדי ליצור מיקרון וחוטים בקנה מידה תת-מיקרון ומבנים. מגבלה אחת של מערכת כותב את זה בפרט ישיר הייתה חוסר בקרת זרימה של פתרון הפולימר באמצעות קצה המחט. למרות שהמערכה מחלק הקפיץ נוצרה פלו מתמיד בהצלחהw דרך הקצה, חרוז כדורי הולכים ומתרחב של פתרון פולימר נוצר בנקודת היציאה של קצה המזרק, שהיה שונה בגודל ובנפח בהתאם לתנאים סביבתיים.

figure-introduction-1
איור 1. תמונה של מכונת גבוהה Precision Micromilling Ultra:. מערכת הכתיבה הישירה הראשונה מועסקות בבודת מבנים בקנה מידה מיקרון / תת-מיקרון אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

חוסר העקביות של חרוז מקור זה השפיע על היכולת של המערכת לפברק שוב ושוב חוטים בקוטר שנקבע. אם כי, מבנים שנוצרו בהצלחה באמצעות תהליך כתיבה ישיר זה, שיפור של התהליך על ידי הגדלת שליטה של ​​זרימת פתרון פולימר יאפשר ליותר preciSE, שנקבע בקטרים ​​סיבים באמצעות רגולציה של גודל חרוז בקצה המזרק. כך, עבודה זו מתארת ​​היישום של מערכת מחלק אוטומטי 3 ציר עם שסתום מונע פניאומטית מתקן דווקא לשלוט על גודל קצב זרימת פתרון פולימר וחרוז הקצה ליצור נקבע, מיקרון מבנים מושעים / תת-מיקרון.

פרוטוקול

1. ציוד Set-up

  1. להרכיב מחלק מערכת ולהתחבר בקר שסתום וחבית מזרק למקור פנאומטי, באמצעות ווסת לחץ, כדי להגדיר את הלחץ בגיל 15 psi לוותר פתרון הפולימר מקצה המחט בקצב זרימה של 2.45 μl / דקה.
  2. הכנס את מערכת מחלק הרובוט ו 3-ציר למארז תרמי על מנת להבטיח סביבת עבודה יציבה (איור 2).
  3. התקן נקודות משותפת-רובוט בקרה (נקודות JR-C) תוכנה המסופקות על ידי יצרן המערכת ולהתחבר רובוט 3-ציר למחשב דרך יציאת תקשורת טורית.
  4. הר מחלק שסתום לרובוט 3 ציר ולהתקין קצה מחט על השסתום.
  5. רמת גליל דיו השלב רובוטית על פי ההנחיות של היצרן כדי להבטיח שטיחות ביחס לגובה של קצה השסתום 15.
  6. להרכיב דוד-נשלט משוב במתחם כדי להוסיף איכות סביבה.
תוכן "FO: לשמור-together.within עמודים =" תמיד "> figure-protocol-1
איור 2. (א) 3-ציר מחלק רובוט עם אבזרים דרושים שוכנים בתוך מתחם; ו, (ב) לסגור את התמונה של שסתום מחלק עם מיקרוסקופ USB המצורף להדמיה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

2. חומרים ניסיוניים וגורמי שליטה

  1. שליטה גורמים ושילובם.
    1. משתנה להאכיל שיעור ממהירות 1% (5 מ"מ / sec) עד 100% (500 מ"מ / sec), על ידי תוכנת C-נקודות JR. ליישום זה, להשתמש במהירות של 2% (10 מ"מ / sec) לפברק מבני סיבים הוצגו בעבודה זו.
    2. להשתנות ריכוזי פתרון פולימר להשיג צמיגות מסוימת, מתח פנים ופרמטרי תנודתיות הנדרשתליישום רצוי. לבקשה זו, להשתמש polymethylmethacrylate 24% (PMMA) בפתרון Chlorobenzene לפברק מבני הסיבים הוצגו בעבודה זו.
    3. להשתנות זמן לוותר שסתום בקרה מ0.02 שניות עד 1 שניות כדי להוציא פתרונות באמצעות אוויר פנאומטי. לבקשה זו, להשתמש 0.02 שניות לפברק מבני הסיבים הוצגו בעבודה זו.
    4. בחר גודל של מד טיפים מחט דיוק גבוה לוותר פתרונות פולימר. לבקשה זו, השתמש 30 G (קוטר פנימי (ID) = 152.4 מיקרומטר) טיפ לפברק מבני הסיבים הוצגו בעבודה זו.
    5. הגדר את טווח טמפרטורת הפעלה בין 70 ° F עד 100 ° F בתיבה מבודדת תרמית כדי לשמור על קצב אידוי מתמיד של מדגם הפולימר. לבקשה זו, השתמש בטמפרטורה של 70 מעלות לפברק מבני הסיבים הוצגו בעבודה זו.
  2. הכנה של פתרונות פולימר.
    1. מערבביםשרף פולימרים של methacrylate polymethyl (PMMA; 0.72 גר ') עם Chlorobenzene הממס (2.28 גר') תחת זרם כימי מכסה המנוע.
    2. לחשב את המשקל של הפולימר (PMMA) והממס (chlorobenzene) כדי להשיג את הריכוז הרצוי של פולימר בתמיסה. לבקשה זו, להשתמש polymethylmethacrylate 24% (PMMA) בפתרון Chlorobenzene לפברק מבני הסיבים הוצגו בעבודה זו.
    3. מניחים כמות רצויה של אבקת פולימר / שרף לתוך בקבוקון זכוכית. לבקשה זו, להשתמש 0.72 גרם של שרף PMMA להשיג ריכוז 24% מPMMA.
    4. העבר ממס על פולימר בתוך בקבוקון על ידי פיפטה עד שיגיע למשקל הכולל של 3 גרם.
    5. מערבבים את בקבוקון דקות 1 באמצעות שייקר מערבולת וultrasonically לעבד אותם במשך 5 שעות כדי לפזר את אבקת פולימר / השרף לחלוטין.
    6. בדוק את השקיפות של פתרונות, אם יש עננות או אטימות למדגם ממשיכות sonicate עד ברור.
  3. מדידת צמיגות של פתרונות פולימר.
    1. צמיגויות פתרון מידה באמצעות viscometer חרוט וצלחת (למשל, LVDV-השני + וRVDV-II +) 16.
    2. טען 0.5 מיליליטר של מדגם צמיגות ידועה סטנדרטי (תערובת מבוססת גליצרין ומים) המסופק על ידי יצרן viscometer לכייל viscometer כדי למזער טעויות במדידות הצמיגות. היצרן סיפק מגוון רחב של דגימות סטנדרטי לכיול viscometer. השתמש במדגם הסטנדרטי מבוסס גליצרין עם צמיגות של 100,000 CP.
    3. חבר ז'קט מים לviscometer לשמור על נוזל הבדיקה בטמפרטורת הפעלה קבועה.
    4. התחל מדידת נוזל בדיקה על ידי הזזת מתג ההפעלה / כיבוי למצב בליזום סיבוב של הציר. ברגע שהערך של המומנט בלוח התצוגה התייצב, להקליט המומנט ולחשב את הצמיגות הסופית באמצעות הקשר בין המומנט, קבוע מכפיל ציר ומהירות של ציר 16
      figure-protocol-2
      שבו היא צמיגות, RPM הוא המהירות של הציר המודבק קונוס, TK הוא המומנט (.09373 לLVDV-השני +, 1 לRVDV-II +), SMC הוא קבוע מכפיל ציר שתלוי על הציר הספציפי שבשימוש בצמיגות מדידה. במחקר זה, ציר CP-52 שימש בה יש קבוע מכפיל ציר של 9.83.
  4. מדידת מתח פנים של פתרונות פולימר.
    1. שיטת מדידה מתייחסת לטכניקת Wilhelmy. 14
    2. מניחים פתרונות בדיקה 1 מיליליטר בבקבוקון זכוכית על איזון ברזולוציה גבוהה (רזולוציה בקנה מידה = 0.001 גרם). טובלים מוט זכוכית בקוטר ידוע לפתרונות בדיקה.
    3. לשלוט על המיקום של מוט באמצעות סרוו או מפעיל ליניארי צעד מבוקר לגעת פני השטח וחלקו לטבול את סוללה בפתרונות בדיקה עם אפס מגע.
    4. לנטר ולהקליט את השינוי במדידת מסה על האיזון כאשרהסרת מוט ממשטח פתרון.
    5. חישוב מתח פנים בכוח השינוי, המערכת של זווית מוט וקשר של נוזל על המוט.
      figure-protocol-3
      שבו למתחם הרטוב של מוט (L = 10.05 מ"מ עם קוטר = 3.2 מ"מ), θ הוא זווית מגע של נוזל על המוט, F הוא כוח שינוי בשל מתח פנים של נוזל בדיקה על קצה המוט.
  5. מדידה מקדם העברה המונית של פתרונות.
    1. למדוד מקדמי העברה המוניים של פתרונות פולימר ידי ניתוח טרמוגרווימטריים. 14
    2. 30 μl העומס של פתרון פולימר PMMA 24% (לפי משקל) על צלחת פלטינה לפני מורח חמאת האיזון.
    3. Vent קאמרי התכנית, המכשיר לפעול בטמפרטורה רצויה הפעלה (70 ° F) לשעה 2 כדי לפקח על מסה של פתרונות יעד.
    4. לחשב את מקדמי ההעברה ההמונית על ידי שינויים במסה של הפתרון,אזור של פתרון / ממשק אוויר וצפיפות.
      figure-protocol-4

      שבו מ '(t) הוא המסה של פתרונות PMMA, הוא האזור של ממשק פתרון / אוויר (שווה 78.5 מ"מ 2 לצלחת סטנדרטית), mPOLYMER היא מסת הפולימר בתמיסה והצפיפות של הפתרון.

נוהל ניסוי 3. כתיבה ישירה

  1. מחלק מדגם מערכת פרוטוקול טעינה.
    1. טען 3 מיליליטר של תמיסת פולימר לתוך חבית המזרק, מקום בוכנה לתוך חבית מזרק לחסל הפצת לחץ פנאומטי עולה בקנה אחד.
    2. לסובב את מתאם קו כניסה על חבית המזרק, לחבר אותו לצינור אוויר קו המקור.
    3. בחר את הגודל רצוי של מד קצה מחט הדיוק לבצע ניסוי.
    4. בלוח בקר לוותר, לעבור לטהר מדינה ולחץ על "מחזור" כדי למלא את השסתום לוותר פולימר כךlution עד השתחרר מקצה המחט.
    5. נגב פתרון פולימר שייר מהקצה בהכנת הליך כתיבת סיבים מתוכנת.
  2. סיבים ישירים לכתוב פולימר עם מערכת מחלק רובוט ו 3-ציר.
    1. לקבוע את שלב הרובוט לקזז כדי למקם מחדש את קצה המחט מחלק מעמדת בית ברירת המחדל לנקודת מיקרו / מבנה סיבים תת-מיקרון נקבע הייזום להיגרר. הר מיקרוסקופ USB (הגדלה = 200X) לתושבת שסתום מערכת מחלק, המתרגמת לאורך ציר Z-. ידני להתמקד בקצה המתקן על ידי התאמת ידית ההתמקדות במיקרוסקופ USB המסייע במיצוב בדיוק קצה השסתום למיקום הרצוי, המצע טרומי או המכשיר.
    2. צור / לעצב את תבנית מבנה סיבים הרצויה (איורים 3 א, 4 א, ​​ו5A) באמצעות חבילת תוכנות CAD. קלט קואורדינטות מרחביות (x, y, z) ברובולא JR-C שליטה תוכנה עבור כל נקודות הייזום וסיום בסדר רציף ביחס לתבנית הרצויה שנוצרה במסגרת תכנית CAD (איור 3, 4 ב, ו5B). 15
    3. העבר את תכנית עיצוב מבנה סיבים הושלמו מהמחשב לרובוט על ידי לחיצה על "שלח C & T נתונים" תחת תפריט הרובוט בתוך תוכנת JR-C 15.
    4. טען 3 מיליליטר של מדגם פתרון PMMA ריכוז ידוע (24%) לחבית מזרק, שסתום טיהור ומחט, להגדיר את כל הפרמטרים מחלק עבור בקר השסתום ורובוט שליטה תוכנה.
    5. מניחים מצע טרומי על גליל דיו שלב הרובוט, לסגור את דלתות מארז התרמית כדי למנוע זרימת אוויר סביבה, אשר יכול לגרום לאידוי יציב של פתרון הפולימר.
    6. התחל לכתוב את הסיבים על גבי המצע על ידי לחיצה על תפריט הרובוט מהתוכנה JR-C ובחירה באפשרות "בדיקה פועלת" 15.
    7. מעיל גמגום DC שכבת זהב מוליך מתכת למשך 2 דקות עד ששכבה עבה 2 ננומטר של זהב מופקד על הסיבים נמשכים לאפשר הדמיה של הסיבים במיקרוסקופ האלקטרונים הסורקים.
    8. מדוד את הקוטר ומבנה של סיבים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק 17. פרמטרים מיקרוסקופ: רמת מתח גבוהה: 2.00 קילו וולט; מטרה: InLens, עבודה מרחק (9.0 מ"מ).
  3. בצע את הליך ניקוי מערכת מחלק תחת זרימה כימית מכסה המנוע.
    1. הנח את המערכת מחלק בזרימה כימית מכסה המנוע כדי לבצע את הליך הניקוי.
    2. לפרק שסתום מחט על פי הפרוטוקול של היצרן.
    3. מניחים את כל חלקי המתכת לתוך כוס, לשפוך אצטון לתוך הכוס עד שכל החלקים שקועים.
    4. מניחים כוס באמבטיה קולית במשך 30 דקות כדי להסיר את כל שרידי הפולימר.
    5. יש לשטוף את כל החלקים מתחת למים זורמים DI, ולאחר מכן להשתמש רובה אוויר לפוצץ אותם יבש.
    li>

figure-protocol-5
איור 3. (א) דוגמא של מבנה שנועד "מרובע" אינטרנט במסגרת x 10 מ"מ 10 מ"מ, (ב) הוראות רציפות מנקודה לנקודה במרחב שהוזנו לתוכנת נקודת JR-C. אנא לחץ כאן לצפייה גרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-protocol-6
איור 4. (א) דוגמא של מבנה שנועד "סימטרי" אינטרנט במסגרת x 10 מ"מ 10 מ"מ, (ב) הוראות מרחבי מנקודה לנקודה ברצף שהוזן לתוכנת נקודת JR-C.blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-protocol-7
5. דוגמא איור (א) למבנה שנועד "כפול שברון" אינטרנט במסגרת x 10 מ"מ 10 מ"מ, (ב) הוראות מרחבי מנקודה לנקודה ברצף שהוזנה לתוכנת נקודת JR-C. אנא לחץ כאן לצפייה גרסה גדולה יותר של דמות זו.

תוצאות

תמונות של המבנים בפועל הופקו באמצעות רובוט 3 הציר ושיטת כתיבה ישירה לכל אחד מהעיצובים המתאימים ואלגוריתמי JR C-פוינט שהוגדרו בדמויות 3-5A & B מעל מוצגות ב6A דמויות, 7 א & 8A. כפי שניתן לראות בתמונות וכתוצאה מכך, סיבים תלת-ממדיים, הושעו באופן חופשי כבר בהצלחה "נכתב" על מצעים על ידי בדיוק המניפולציה קצה המתקן למקומות המרחבי נקבעו כולל הייזום / סיום נקודות, כמו גם נקודות של צומת. ריבועי של נתונים אלה להגדיל את נקודות החיתוך של סיבים מושעים, המדגימים את יכולתה של המערכת לשלוט במדויק כיוון סיבים (איורים 6 ב, 7 ב & 8B) בחלל 3-D.

figure-results-1
איור 6. (א) אופ תמונת tical של מפוברק "מרובע" מבנה אינטרנט מושעה יש 2 סיבי תמיכה (אלכסונים) ו -12 מפוצלת סיבים מסועפים PMMA (15x הגדלה אופטי; בר = מ"מ בקנה מידה 1), תמונה (ב) SEM של סיבים מפוצלים יחידים (הגדלת 289X; קנה מידה בר = 100 מיקרומטר). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-2
איור 7. (א) תמונה אופטית של מפוברק מבנה "סימטרי" מושעה אינטרנט יש סיבי 1 תמיכה (אופקיים) ו -11 מפוצלת סיבי PMMA מסועפים (15x הגדלה אופטי; בר = מ"מ בקנה מידה 1), (ב) תמונת SEM של אחת מפוצל סיבים (הגדלת 107X; הסרגל = 100 מיקרומטר)."Target =" _ 52834fig7large.jpg blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-3
איור 8. תמונה אופטית של מפוברק "שברון כפול" () הושעה מבנה אינטרנט יש סיבי 1 תמיכה (אופקיים) ו -22 מפוצלת סיבי PMMA מסועפים (15x הגדלה אופטי; בר = מ"מ בקנה מידה 1), (ב) תמונת SEM של יחיד סיבים מפוצלים. (הגדלה 80x; בר = 100 מיקרומטר בקנה מידה) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

9 מציג איור לסגור את האור כדי נקודה לנקודה רציפה של ייצור סיבים שבמערכת מחלק הרובוט ו 3-ציר יכולים ליצור מבנים-כמו האינטרנט הושעו באופן חופשי. עמ ' נקודות מגע olymer המוצגות עם מספרים מתאימות לייזום המתוכנתים ונקודות סיום בתוכנת JR-C בהפניה באיור 3 לעיל. החצים מייצגים מסלול רובוט. איור 10 מיקרון מציג וסיבים פולימריים submicron, אשר מדגים את יכולתה של מערכת הכתיבה הישירה לפברק חוטים בגדלים שונים.

figure-results-4
איור 9. תמונת SEM הממחישה את סדר ייצור נקודה לנקודה רציף לציור סיבי מיקרון וsubmicron הפולימר (הגדלת 29X; בר = 200 מיקרומטר בקנה מידה). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

2,834 / 52834fig10.jpg "/>
איור 10. SEM תמונה של מיקרון (6.5 מיקרומטר) ותת-מיקרון (555 ננומטר) סיבים נמשכים באמצעות 20% פתרון פולימר PMMA הריכוז. (הגדלת 2,270X; בר = 2 מיקרומטר בקנה מידה) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של נתון זה.

אורך סיבי פולימרים וקוטר נמדדו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. לוח 1 מציג את קוטר החוט הממוצע לכל מבנה ייחודי המוצג באיורים 6-8 לעיל מתאים לסיבי סניף מפוצלים והסיבים התמיכה. טבלה 2 מציג את הפרמטרים הפולימר שנמדדו מפתרונות PMMA 24% שנוצלו לפברק המבנים שצוינו לעיל.

קוטר מבנה באיור 6 קוטר מבנה באיור 7 קוטר מבנה באיור 8
סיבי תמיכה 8.65 ± 1.43 מיקרומטר 9.39 ± 1.23 מיקרומטר 9.31 ± 1.65 מיקרומטר
סיבי סניף 20.96 ± 3.35 מיקרומטר 15.92 ± 1.44 מיקרומטר 12.24 ± 5.42 מיקרומטר

טבלת 1. קוטר ממוצע של סיבי תמיכה וסניף מושעים מוצג איורים 6-8 לפתרון PMMA 24%.

העברת המסה מקדם (מ '/ שנייה)
PMMA 24%
צמיגות (אבא * שניות) 35.19
מתח פנים (MN / מ ') 262.01
8.59 x 10 -8

טבלת 2. פרמטרים פולימר של פתרונות PMMA 24% שנוצלו לפברק מבני הסיבים הוצגו בעבודה זו.

דיון

לפני שאנסה כל ניסוי, זה קריטי, כי בדיקת צמיגות, מקדמי העברה המוניים ומתח פנים של פתרונות הפולימר למדוד במדויק על מנת לקבוע האם המערכת מחלק הרובוט והוא מסוגל לעבד הפולימר הרצוי. כפי שתואר בעבר על ידי הקבוצה שלנו, פתרונות הפולימר חייבים לשמור נאותים: 1) מתח פנים כדי לאפשר ההיווצרות של חוטי נוזל לתוך מבנים / תת-מיקרון מיקרון; 2) צמיגות לעמוד נימים להיפרד; ו, 3 שיעור אידוי) כדי לשפר את מיצוק סיבים 18. הסינרגיה בין הפרמטרים אלה היא מפתח להצלחה לייצר סיבים על פני טווח מוגדר של קטרים. במקביל, חוסר יציבות בכל הפרמטרים הללו מונע היווצרות של מיקרון / סיבי קנה מידה תת-מיקרון. כדי לשמור את הסינרגיה בין הפרמטרים אלה במהלך ייצור סיבים, חשוב לוודא שהמחט ושסתום מחט מנקים ביסודיות לאחר s ישירה לכתובession למנוע: 1) זיהום של הפתרון; 2) ירידה בקצב זרימת פתרון פולימר דרך המחט; ו, 3) צמיחה מוגזמת בחרוז הפולימר בקצה המחט. בנוסף, טמפרטורת בקר בתנור חייב להיות מוגדר לטמפרטורה הרצויה לשמור על קצב אידוי מתמיד של פתרון הפולימר.

סיבי הסניף מפוצלים היו 59%, 41% ו -24% גדולים יותר בקוטר מזו של מבני תמיכה באיורים 6-8, בהתאמה, באמצעות פתרון PMMA 24%. זה נובע בעיקר מהמרחק שבו הסיבים נמשכים. באופן ספציפי, מבני התמיכה נמשכים על פני כל הרוחב של המצע (10.0 מ"מ בX ו- Y כיוונים; 14.4 מ"מ באלכסון). כתוצאה מכך, אלה הם הסיבים הארוכים ביותר של המבנים התלויים הכולל. מבני הסניף מפוצלים הם קצרים יותר באופן משמעותי, החל מאורך מרבי 7 מ"מ עד 2.5 מ"מ. אורך ציור סיבים קצר זה עושה לאיעילות לא לגרום למתח הסיבים הנדרשים במהלך תהליך דילול הסיבים כדי לייצר את הסיבים בקוטר הקטנים. מצד השני, חוטים בקוטר גדולים יותר נדרשים לשמש סיבי התמיכה כדי לקיים את המשיכה ועיוות הנגרמת בתהליך ציור הסניף מפוצל ביעילות. כסניפי הסתעפות נמשכים על פני סיבי התמיכה, שיפוץ של הגיאומטריה סיבי תמיכה יכול להתרחש עקב כוחות הציור, כמו גם פירוק מקומי של פולימר PMMA בממשק שבין התמיכה וסיבים מסועפים מההווה הממס ב פתרון פולימר. לפיכך, במקרים מסוימים, סיבי התמיכה ייתכן שיהיו הצורך מפוברק מפתרון פולימר המורכב מריכוז גבוה של פולימר לייצר קוטר וסיבים מכניים חזקים יותר.

יש בעיקר שלוש שיטות יעילות לשינוי הפרוטוקול הקיים כדי ליצור מגוון רחב יותר של תמיכה וסיבים מסועפיםקטרים: 1) בתחילה לוותר הפולימר מקצה מחט גדולה יותר (לדוגמא, 25 G; ID = 254 מיקרומטר) כדי ליצור את סיבי תמיכה ולאחר מכן להחליף לקצה מחט קטנה יותר (למשל, 32 G; ID = 101.6 מיקרומטר) לפברק סיבי קנים הקטנים יותר; 2) כפי שצוין לעיל, להשתמש ריכוזי פולימר מרובים; ו / או, 3) להתאים את קצב ההזנה, כלומר, המהירות שבה חוצה את הבמה, בהם הגדלת שיעור ההזנה מייצר סיבים בקוטר קטנים יותר, ולהקטין את שיעור ההזנה יוצרת סיבים בקוטר גדולים יותר. עד כה, הצלחנו לפברק הצלחת סיבים קטן כמו 90 ננומטר; עם זאת, תשואת הסיבים בממד זה היא נמוך בשל התפרקות נימים.

מגבלה אחת של תהליך הכתיבה הישיר האוטומטי היא שרק אחד ריכוז של פתרון פולימר ניתן לוותר בכל פעם. זה מגביל את רמת מורכבות של המבנים התלויים כדי להתפתח מבלי: 1) להוסיף שסתום מחלק שני לרובוט;או, 2) להסיר את השסתום הקיים ולבצע את פרוטוקול הניקוי (סעיף 3.4) לפני ניפוק פתרון הפולימר השני, שלוקח זמן נוסף. מגבלה שנייה היא שיעור ההזנה (או מהירות הדפסה), שבה שיעור ההזנה המרבי שהמערכת מסוגלת להשיג הוא 500 מ"מ / sec. עם זאת, יש איזון בין שיעור הזנה והיווצרות סיבים. באופן ספציפי, אם כוחות האינרציה (כוחות בשל שיעור ההזנה) הם גדולים יותר מכוחות מתח הפנים וקצב אידוי של פתרון הפולימר, היווצרות סיבים אינה מתרחשת. מצד השני, אם שיעור ההזנה הוא נמוך מדי, סיבים יהיו שבר בשל התאדות מופרזת לפני ובמהלך תהליך התארכות. שלישית, ממדי סיבים ומבנה מוגבלים לטווח הפעולה של השלב של הרובוט, כלומר, 200 מ"מ, 200 מ"מ ו -25 מ"מ (עם דיוק מיקום 10 מיקרומטר) בכיווני x, y ו- z, בהתאמה. עם זאת, תהליך זה עושה לאפשר ההיווצרות של יחס ממדים גבוה (L סיביםסיבים בקוטר): ength. אסטרטגי שונה בגודל הקצה מחלק וריכוז פתרון הפולימר יאפשר למגוון רחב יותר בקוטר סיבים, יוצר את היכולת ליצור מבנים תלויים באופן חופשי של מורכבות גבוהה.

על ידי ביצוע הפרוטוקולים האמורים לעיל, יכולים להיות שנוצרו סיבים פולימריים מיקרון וקוטר submicron עם רמה גבוהה של שליטה במרחב על ידי ניצול מכניקת המשטח מונע מתח הנוזל של פתרונות הפולימר, שלא ניתן לשלוט בכל תהליכים רטובים, יבשים או electrospinning אחרים . מהעבודה לפני 8,19, אנו יודעים כי טכניקה זו יכולה להיות מנוצלת כדי לפברק התקני מיקרו / submicron המורכב fluidic 19 ופיגומי bioengineered 8. יש טכניקה זולה וקלה זה יתרונות משלה על פני שיטות ייצור מסורתיות פלנר בדרכים רבות.

גילויים

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

עבודה זו נתמכת על ידי NSF-EPSCoR (מענק #0814194) והמחלקה לביו-הנדסה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
רובוט DR2203N 3 צירים 200 מ"מ X 200 מ"מנורדסון EFD7023145רובוט 3 צירים
7100, שסתום חלוקהנורדסון EFD7015340בקר שסתום
MICRODOT שסתוםנורדסון EFD7021233שסתום מיקרו-נקודות
רובוט ACC מתקן צלחת 200 מ"מנורדסון EFD7028276מתקן פלטת
רובוט ACC DRN / DSRN נקודות softwarNordson EFD7023144JR-C תוכנה
רובוט שסתום הרכבה אוניברסליNordson EFD7028273Microdot Valve Mount
15 PSI BARREL PRESS. רגולטורNordson EFD7020585חבית
ערכת O BRL/PIST 5CC CL/WH 40Nordson EFD70120965CC חביות עם
בוכנות מתאם ASM O 5CC BLNordson EFD7012054מתאם חבית פנאומטי
TIP 30GA .006X.25 LAVNDR 50PCNordson EFD701842430 מד קצה מחט (אורך 0.250 אינץ')
מחמם בסיס חשמלי (500  W, אורך 30 אינץ')מחמםצוער2F500
עם חברת בקרת טיימרבקרטמפרטורה
130726596 eScope מיקרוסקופ USBOiTezDP-M02200X מיקרוסקופ USB
פולי (מתיל מתקרילט)Aldrich182265-500Gאבקת PMMA
כלורבנזןסיגמא אולדריץ'284513ממס להמסת PMMA
בקר בקר טמפרטורת

מקורות

  1. Andrew, K. E., Glenn, D. P., Simon, M. C., Dietmar, W. H. Combining Electrospun Scaffolds with Electrosprayed Hydrogels Leads to Three-Dimensional Cellularization of Hybrid Constructs. Biomacromolecules. 9 (8), 2097-2103 (2008).
  2. Cho, S. M., Kim, Y. J., Kim, Y. S., Yang, Y., Ha, S. -C. The application of carbon nanotube-polymer composite as gas sensing materials. Sensors. Proc. of IEEE. 2, 701-704 (2004).
  3. Xu, F., Horak, P., Brambilla, G. Optical microfiber coil resonator refractometric sensor. Optics Express. 15 (12), 7888-7893 (2007).
  4. Dalton, P. D., Joergensen, N. T., Groll, J., Moeller, M. Patterned melt electrospun substrates for tissue engineering. Biomed. Mater. 3 (3), 034109(2008).
  5. Hadjizadeh, A., Doillon, C. J., Vermette, P. Bioactive polymer fibers to direct endothelial cell growth in a three-dimensional environment. Biomacromolecules. 8 (3), 864-873 (2007).
  6. Xu, C. Y., Inai, R., Kotaki, M., Ramakrishna, S. Aligned biodegradable nanofibrous structure: a potential scaffold for blood vessel engineering. Biomaterials. 25 (5), 877-886 (2004).
  7. You, Y. M., Lee, B. L. eeS. J., Lee, T. S., Park, H. In vitro degradation behavior of electrospun polyglycolide, polylactide, and poly(lactide-co-glycolide). J. Appl. Polym. Sci. 95 (2), 193-200 (2005).
  8. Berry, S., et al. Endothelial cell scaffolds generated by 3D direct writing of biodegradable polymer microfibers. Biomaterials. 32 (7), 1872-1879 (2011).
  9. Dalton, A. B., et al. Super-tough carbon-nanotube fibres. Nature. 423, 703(2003).
  10. Dalton, A. B., et al. Continuous carbon nanotube composite fibers: properties, potential applications, and problems. J. Mater. Chem. , 1-3 (2004).
  11. Sperling, L. H. Introduction to physical polymer science. , Wiley. 325-347 (1992).
  12. Harfenist, S. A., et al. Direct drawing of suspended filamentary micro- and nanostructures from liquid polymers. Nano. Lett. 4 (10), 1931-1937 (2004).
  13. Yang, R. R., He, J. H., Xu, L., Yu, J. Y. Bubble-electrospinning for fabricating nanofibers. Polymer. 50 (24), 5846-5850 (2009).
  14. Berry, S., et al. Characterization and modeling of direct-write fabrication of microscale polymer fibers. Polymer. 52 (7), 1654-1661 (2011).
  15. Janome Desktop Robot JR2000N Series Operation Manual. , Janome Sewing Machine Co. Tokyo, Japan. (2007).
  16. Brookfield DV-II+ Programmable Viscometer Operating Manual, Manual No. M/97-164-B299. , Brookfield Engineering Laboratories. Middleboro, MA. (1999).
  17. Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. Scanning and transmission electron microscopy : an introduction. , W.H. Freeman. (1993).
  18. Berry, S. M., Pabba, S., Cohn, R. W., Keynton, R. S. Direct-Write Drawing of Carbon Nanotube/Polymer Composite Microfibers. J. Nanomater. 2012, 1-8 (2012).
  19. Berry, S. M., Roussel, T. J., Cambron, S. D., Cohn, R. W., Keynton, R. S. Fabrication of suspended electrokinetic microchannels from directly-written sacrificial polymer fibers. Microfluid. Nanofluid. 13, 451-459 (2012).

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

תהליך כתיבה ישירהייצור סיבי פולימרסיבים במיקרון ובסב-מיקרוןבמות תלת-ציריםאינטגרציה של תוכנת CADבקרה של שסתום פנאומטיבקרת צמיגות תמיסהאופטימיזציה של קצב ההזנהמיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת
נקבעה 3-D ישיר כתיבה של / מבנים תת-מיקרון מיקרון מושעה סיבי קנה מידה באמצעות מערכת רובוטית חלוקה
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.