הדפסת המייקר 3D באמצעות מקרן דיגיטלי ותחולתו בחקר מכניקת חומרים רכות

המטרה הכוללת של הסרטון הבא היא להדגים בנייה של כלי פשוט למיקרו-פבריקציה של ג'ל בתלת-ממד ואת השימוש בו לטרנספורמציה של תבניות של צינורות ג'ל מתנפחים באמצעות אי-יציבות אלסטית. מדפסת מיקרו תלת-ממדית פשוטה נבנית באמצעות מקרן נתונים דיגיטלי סטנדרטי במטרה לייצר דגימות ג'ל צינוריות בממדים שונים. ייצור דגימות הג'ל הצינוריות מושג על ידי הקרנת תמונה מתוכננת על מחזיק הדגימה, הטבול באמבט שרף המכיל תמיסת פרה-פולימר עם פוטו-איניציאטור וסופג אור (photo absorber).

ברגע ששכבה נוצרת על ידי פוטו-פולימריזציה, מחזיק הדגימה יורד והשכבה הבאה מיוצרת מעל הקודמת. בדרך זו, דגמה תלת-ממדית מיוצרת בשיטה של שכבה אחר שכבה. לאחר מכן, כל דגימה מובאת למגע עם מים כדי לעורר שינוי בצורה באמצעות אי-יציבות אלסטית המושרית על ידי נפיחות.

התוצאות מראות שצינורות מעגליים הופכים לתבניות גליות שונות עם מספרי גל שונים, בהתאם לגיאומטריה של הג'ל שעבר קריסה (buckling). היתרון העיקרי של טכניקת ייצור זו על פני שיטות קיימות, כגון פוטותרפיה, הוא שהיא מציעה כלי מיקרו-ייצור תלת-ממדי מהיר עבור חומרים רכים כגון ג'לים. כתוצאה מכך, ניתן כעת לממש בקלות גיאומטריות תלת-ממדיות מעניינות ומגוונות, שקשה לייצר, כאובייקטים פיזיים לצורך מחקר ניסויי.

כדי להתחיל בהליך זה, הכין את תמיסת הפרה-פולימר המכילה פוטו-איניציאטור וסופח פוטונים כפי שמתואר בפרוטוקול הכתוב. לאחר הכנת התמיסה, הנח מקרן נתונים דיגיטלי במנח שטוח ויציב וחברו למחשב שמותקנת בו תוכנת Microsoft PowerPoint. הנח עדשה קמורה בדיוק לפני עדשת פלט הקרן של המקרן הדיגיטלי.

בחרו בעדשה קמורה כך שמישור המוקד יהיה במרחק של כ-10 סנטימטרים מהמקרן. הרזולוציה האופטית משתפרת (הופכת לקטנה יותר) עבור עדשה בעלת אורך מוקד קצר יותר, אך יש להשאיר מקום עבור רכיבים אופטיים. מקמו מראה לאחר העדשה הקמורה על נתיב הקרן בזווית של 45 מעלות כדי להכווין את הקרן ישירות למטה.

לאחר מכן, מקמו מחזיק דגימה במישור המוקד של הקרן המוקרנת. מחזיק הדגימה צריך להיות מחובר לבמה ליניארית שבאמצעותה נשמרת השליטה במיקום האנכי של מחזיק הדגימה. לבסוף, מקמו אמבט שרף מתחת למחזיק הדגימה כדי לתכנן את צינורות הג'ל. הקרינו תמונה עם מספר פיקסלים ידוע על מחזיק הדגימה כדי למדוד את יחס ההמרה מפיקסל לאורך פיזי.

במקרה זה, תמונה של 135 פיקסלים מדדה 5.8 מילימטרים, מה שמתאימה ל-43 מיקרון לפיקסל. על בסיס מידע זה, המירו את הממדים הפיזיים של צינור הג'ל – קוטר, עובי דופן וגובה – לפיקסלים. לאחר מכן, שרטטו תמונות של חתכי רוחב עבור צינור הג'ל.

התמונות צריכות להיות בלבן על רקע שחור. הכניסו את התמונות הללו לשקופיות ב-Microsoft PowerPoint. הפעילו את מצגת השקופיות ב-Microsoft PowerPoint והקרינו תמונה כלשהי.

מקם את מחזיק הדגימה במישור המוקד על ידי כיוון המיקום האנכי באמצעות מתג הבמה המצורף אל תמונה שחורה דמי (dummy), כדי למנוע פולימריזציה לא רצויה בזמן הוספת תמיסת הפרה-פולימר. שפוך את תמיסת הפרה-פולימר אל אמבט השרף. מלא את האמבט בעזרת פיפט עד שהתמיסה מכסה מעט את מחזיק הדגימה.

כעת האובייקט התלת-ממדי מוכן להדפסה. עברו לשקופית המכילה את תמונת החתך הראשונה של צינור הג'ל כדי לפולמריז את השכבה הראשונה. המשיכו להקרין את התמונה במשך שמונה שניות ולאחר מכן חזרו לשקופית שחורה.

סובב את הכפתור של הבמה הליניארית ברבע סיבוב, כ-160 microns, כדי להוריד את מחזיק הדגימה. כעת זורם שרף טרי כדי לכסות את השכבה הראשונה שהתממצרה, למקרה שהשרף הנוזלי צמיגי מדי מכדי לזרום פנימה. הזז את הבמה למטה עוד יותר כדי להטביל לחלוטין את השכבה המיוצרת בשרף, והחזר את הבמה למיקום של 160 microns מתחת לפני השטח.

הקרינו שוב את תמונת החתך כדי לפלמר את השכבה השנייה מעל השכבה הקודמת. חזרו על תהליך זה עד לייצור צינור ג'ל בגובה הרצוי. לאחר השלמת כל השכבות, הרימו את מחזיק הדגימה מתוך תמיסת הפרה-פולימר והוציאו את הדגימה המיוצרת.

בעזרת להב תער, שטפו בזהירות את הדגימה באצטון למשך כשלוש שעות ולאחר מכן הניחו לה להתייבש למשך כשעה אחת. לצורך ביצוע ניסוי נפיחות, הכינו נוזל דו-שכבתי של מים ושמן בצלחת פטרי שקופה. מקמו את הממשק שבין המים לשמן במישור המוקד של המצלמה על ידי כיוונון מיקום צלחת הפטרי, והדביקו את הדגימה היבשה למחזיק דגימות באמצעות דבק מהיר.

הפכו את מחזיק הדגימה כך שיהיה הפוך. טבלו את הדגימה באמבט הנוזלים של מים ושמן. קרבו את הדגימה לממשק המים-שמן מתוך שכבת השמן.

הדגימה מתחילה להתנפח כאשר היא נוגעת במשטח המים, בעוד שהמצע הבסיסי שעליו מקובע צינור הג'ל נשאר בשכבת השמן העליונה. באופן זה, מים יכולים לדפף אל תוך דופן הצינור, מה שמאפשר לדגימה להתנפח לפני שהבסיס המגביל נרפה כתוצאה מההרטבה. המשך לעקוב אחר השינוי בתבנית בעוד צינור הג'ל מתנפח.

באמצעות מצלמה דיגיטלית, מוצגת כאן מערכת פשוטה למיקרו-סטריאוליתוגרפיה בהקרנה המשתמשת במקרן נתונים דיגיטלי סטנדרטי. עדשה קמורה עם אורך מוקד של 75 millimeters מרכזת את הקרן לשטח הארה קטן של שני סנטימטרים על שני סנטימטרים, מה שמעניק רזולוציה אופטית מישורית של כ-45 microns. הרזולוציה האנכית נקבעת על ידי רמת הדיוק של השכבה בבמה הליניארית.

עובי המבנים שיוצרו למחקר זה הוא 160 microns. כל שכבה עברה פולימריזציה באמצעות הקרנה של אור למשך שמונה שניות. מוצג מבנה תלת-ממדי מייצג שיוצר על ידי המערכת.

אובייקט זה מורכב מ-58 שכבות של peg da. מערכת של צינורות הידרוג'ל peg da הניתנים להקשיה באמצעות אור תוכננה ויוצרה כדי להשיג רמת קשירה נמוכה ולפיכך נפיחות גדולה כפי שמתואר בפרוטוקול הכתוב; דגימה הוצבה הפוך באמבט מים-שמן. כפי שמוצג בסרטון, בהתאם לפרמטרים הממדיים, צינורות מעגליים נותרו יציבים או הפכו לדפוס גלי.

ממדי צינור הג'ל קובעים את מספר הגלים שנוצרים במהלך הנפיחות. מגוון רחב של דפוסי נפיחות של דגימות שונות תועד באמצעות מצלמה דיגיטלית. הציר האנכי מציין יציבות כעובי חלקי גובה, או T חלקי H, והציר האופקי מציין את מצב הכיפוף (buckling mode) כגובה חלקי קוטר, או H חלקי D. המספרים הלבנים מציינים את מספר מצב הכיפוף, שהוא מספר הגלים לאורך ההיקף כפי שמוצג כאן.

מצב הקריסה (buckling mode) של הדגימות הבלתי יציבות תלוי אך ורק ב-HD, כאשר התוצאה הניסיונית תואמת היטב את התחזית התיאורטית. אנו משתמשים בשיטה זו בסרטון זה ככלי ניסיוני שימושי למכניקה של חומרים רכים, אך נמצא לה יישומים רבים גם בתחומים אחרים של מדע והנדסה, כולל רובוטיקה רכה והנדסה ביו-רפואית. כמו כן, היא פשוטה וזולה מאוד.

כל אחד יכול להקים מדפסת תלת-ממד מיקרוסקופית משלו במעבדה על ידי ביצוע הפרוטוקול המוצג בסרטון זה.