Microfluidic Fabrication of Polymeric and Biohybrid Fibers with Predesigned Size and Shape

Darryl A. Boyd; Andre A. Adams; Michael A. Daniele; Frances S. Ligler

doi:10.3791/50958

ייצור מיקרופלואידי של סיבים פולימריים וביוהיברידים עם גודל וצורה מעוצבים מראש

JoVE Journal
Bioengineering

This content is Free Access.

JoVE Journal Bioengineering

Microfluidic Fabrication of Polymeric and Biohybrid Fibers with Predesigned Size and Shape

ייצור מיקרופלואידי של סיבים פולימריים וביוהיברידים עם גודל וצורה מעוצבים מראש

Full Text

9,304 Views

07:38 min

January 8, 2014

DOI: 10.3791/50958-v

Darryl A. Boyd¹, Andre A. Adams¹, Michael A. Daniele¹, Frances S. Ligler^1,2

¹Center for Bio/Molecular Science & Engineering,US Naval Research Laboratory, ²Joint Department of Biomedical Engineering,North Carolina State University and University of North Carolina at Chapel Hill

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This study demonstrates a novel method for shaping complex fluids into microfibers using a microfluidic channel with grooves. The technique employs photoinitiated polymerization to solidify a prepolymer core into a microfiber with a predetermined shape and size.

Key Study Components

Area of Science

Microfluidics
Polymer Chemistry
Material Science

Background

Microfluidic fiber fabrication is less common compared to other methods.
Existing techniques often require high temperatures and voltages.
Visual demonstrations enhance understanding of complex fluid shaping.
This method can be applied to create micro blood vessels.

Purpose of Study

To demonstrate the production of microfibers through complex fluid shaping.
To showcase the advantages of using microfluidic techniques over traditional methods.
To visualize the process for better conceptual understanding.

Methods Used

Assembly of a microfluidic channel with specific grooves.
Preparation of a prepolymer solution for shaping and polymerization.
Use of UV light for polymerizing the material.
Continuous production of hollow microfibers monitored through optical and electron microscopy.

Main Results

Successful fabrication of hollow microfibers with a diameter of approximately 200 micrometers.
Demonstrated the ability to produce fibers over a meter in length.
Visualized the fiber structure and confirmed the continuity of the hollow core.
Process can be completed in as little as 45 minutes.

Conclusions

The method allows for precise control over fiber shape and size.
It offers significant advantages in terms of operational conditions.
This technique can be adapted for various applications in material science.

Frequently Asked Questions

What is the main advantage of this microfluidic technique?

This technique can be performed at room temperature and does not require high voltages or complex environmental controls.

How long does the fiber fabrication process take?

The entire process can be completed in as little as 45 minutes.

What materials are used in this method?

The method utilizes a prepolymer solution and sheath fluids like PEG 400.

Can this technique be used for applications other than microfibers?

Yes, it can be adapted for creating structures like micro blood vessels.

What is the significance of using UV light in this process?

UV light initiates the polymerization process, solidifying the prepolymer into a microfiber.

How are the shapes of the microfibers controlled?

The shapes are determined by the design of the grooves in the microfluidic channel.

שני נוזלים סמוכים העוברים דרך ערוץ מיקרופלואידי מחורץ יכולים להיות מכוונים ליצירת נדן סביב ליבת רב-אופן; ובכך לקבוע הן צורה והן חתך רוחב. פולמור Photoinitiated, כגון כימיה לחץ תיול, מתאים היטב לחיזוק במהירות את נוזל הליבה לתוך מיקרופייבר עם גודל וצורה קבועים מראש.

המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא להדגים עיצוב נוזלים מורכב כפי שנצפה על ידי ייצור מיקרופייבר. זה מושג על ידי הרכבת תעלה מיקרופלואידית עם חריצים ספציפיים לייצור ליבה הניתנת למימוש פולימר עם צורת חתך קבועה מראש. כשלב שני מכינים תמיסת טרום פולימר, שתעוצב ותפולמר ברגע שתעבור בתעלה.

לאחר מכן, אור UV נדלק בתחתית התעלה על מנת לפלמר את החומר הפולימרי. מיקרוגרפי אלקטרונים סורקים אלה מראים כמה צורות מיקרופייבר שנוצרו. באופן דומה, היתרונות של טכניקה זו בהשוואה לשיטות קיימות אחרות כמו ספינינג אלקטרו וספינינג נמס, כוללים את העובדה שניתן לבצע טכניקה זו בטמפרטורת החדר, וניתן להשתמש בטכניקה זו עם מגוון חומרים סבירים פולימרים.

בנוסף, טכניקה זו אינה דורשת מתחים גבוהים. זה לא דורש טמפרטורה גבוהה ואחריה זמני קירור מהירים, וזה גם לא דורש שליטה על גורמים סביבתיים כמו לחות. הדגמה חזותית של טכניקה זו היא קריטית מכיוון שייצור סיבים מיקרופלואידיים אינו נפוץ כמו שיטות אחרות, ולכן ייתכן שיהיה קשה להמשיג אותו מבלי לראות אותו.

מבחינה ויזואלית, עם זאת, שיטה זו שימשה לייצור מיקרופייבר פולימרי. אותם עקרונות נמצאים בשימוש במעבדה שלנו לפיתוח מערכות אחרות כמו כלי דם זעירים. בתחילה היה לנו רעיון זה תוך כדי התבוננות במיקרו-מערבלים ומערכות ציטומטריית זרימה של שבבים קונפוקליים.

כפי שראינו התפתחו חתכים מקושטים מתמשכים. הנחנו שעל ידי הכנסת תמיסה פולימרית, ניתן לנעול את הצורות באמצעות פילמור פוטו באופן רציף ובקלות יחסית. מי שידגים את ההליך יהיו מייקל דניאל ודארל בויד, שהם פוסט-דוקטורנטים מהמעבדה שלי.

ראשית הרכיבו מכשיר זרימת נדן שתוכנן בעבר מלמטה למעלה על ידי הנחת לוחית הידוק אחת בתחתית, ואחריה שכבת קופולימר אולפין מחזורית COC, וצלחת ההידוק הנותרת. ודא שחריצי העיצוב מתיישרים זה עם זה לאורך קצוות התעלה, ושגיאומטריות העיצוב הנוזליות בשכבות ה-COC חופפות בצורה מושלמת. הכנס ברגים על פני מרכז המכשיר ובעזרת מברג חשמלי, הדק את האומים והברגים כדי להדק את המכשיר יחד, לסירוגין משמאל לימין למרכז.

חזור על השלב הקודם מהמרכז החוצה כדי לנעול את היישור ולמנוע נזילות. הוסף את צ'אק הכניסה כאשר מגיעים לחורי ההרכבה שלו והמשך להרכיב את הברגים לסירוגין. לאחר מכן, חבר את מכשיר זרימת הנדן לצינורות טיגון.

באמצעות אביזרי HPLC סטנדרטיים, הדק ידנית את כל החיבורים, התקן את המכשיר אנכית באמצעות מעמד טבעת ומהדק, ודא שהמכשיר אנכי באמצעות מפלס בחלק העליון ביותר. לאחר מכן מקם את מקור ה- UV בניצב כסנטימטר אחד מפני ה- COC של מכשיר זרימת הנדן כך ששלושת עד חמישה הסנטימטרים האחרונים של תעלת המיקרו מוקרנים. מלאו מזרק קצה פיתיון של מיליליטר אחד ב-PEG 400 כדי לשמש כנוזל ליבה שאינו פולימרי ומלאו מזרק קצה פיתיון של 30 מיליליטר ב-PEG 400 כדי לשמש כנוזל הנדן.

לאחר מכן, השלם תמיסת קו תיול טרייה שהוכנה עם ארבע פעמים 10 עד מינוס רביעית שומות של יוזם צילום DMPA בבקבוקון קטן. לאחר כשתי דקות של ערבוב, טען מזרק קצה תחתון עטוף בנייר אלומיניום של חמישה מיליליטר בתמיסת קדם פולימר. בעקבות מקום זה, יציאת התעלה המיקרופלואידית באמבט איסוף המכיל מים.

הגדר את משאבות המזרק של חיפוי הליבה ונוזל המעטפת להחדיר ב-30 ו-120 מיקרוליטר לדקה בהתאמה. לאחר מכן הזן את קוטר המזרק המתאים למשאבות המזרק. לאחר מכן הרכיבו את המזרקים למשאבות המזרק המתאימות להם וחברו אותם למכשיר זרימת הנדן.

עם צינורות טיגון מגן UV, הפעל את נוזל הנדן כדי לטשטש את מכשיר זרימת הנדן ולסלק אוויר מהמערכת. בדוק ויזואלית את המיקרו-ערוץ ושים לב במיוחד לחריצי העיצוב כדי להבטיח שלא יישארו בועות אוויר במיקרו-ערוץ לפני שתמשיך לשלב הבא. אם קיימות בועות אוויר, ערבב את המכשיר על-ידי סיבוב או הקשה עדינה בזמן הזרימה כדי לשטוף אותן מהמכשיר.

הפעל את נוזל החיפוי, ואפשר גם לזרימה להתייצב. לאחר בדיקת המיקרו-ערוץ ושטיפת בועות אוויר, הפעל את נוזל הליבה וודא כי בועות אינן קיימות במערכת באותו אופן כמו קודם. לבסוף, הפעל את מקור ה-UV והתבונן באמבט האיסוף לייצור רציף של המיקרופייבר החלול כשהוא נפלט עם נוזל הנדן.

אחזר את הסיבים מאמבט האיסוף, עיצוב פשוט דו-שלבי באמצעות חריצי עיצוב ושלוש כניסות תמיסה שימש ליצירת סיבים חלולים. סימולציות Comsol שימשו לקביעת יחסי קצב הזרימה המתאימים להשגת גודל החתך הרצוי. שילוב של כרסום ויציקה ייצר את הרכיבים למכלול זרימת הנדן לייצור הסיבים.

פילמור חומר החיפוי החל על ידי מקור האור UV, וסיבים חלולים הוצאו מהמיקרו-ערוץ לאמבט האיסוף. ייצור הסיבים נמשך דקות ויצר סיב בודד באורך של יותר ממטר. סיבים שיוצרו בתנאים אלה היו בקוטר של כ-200 מיקרומטר.

מבנה הסיבים הודגם באמצעות מיקרוסקופ אופטי ואלקטרונים. הסיבים היו בעלי צורה אליפסה עם ליבה חלולה. פעולה נימית שימשה להחדרת נוזלים ובועות לחלק הפנימי של הסיב ואישרה שהמבנה החלול היה רציף לאורך הסיב.

לאחר שליטה, תהליך זה יכול להימשך עד 45 דקות. זה כולל את הזמן להקמת התעלה, הכנת התמיסה, ייצור הסיבים, כמו גם איסוף הסיבים. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד לתכנן ולהרכיב תעלה מיקרופלואידית לייצור מיקרופייבר חלול.

אל תשכח שכאשר אתה עובד עם כימיקלים מסוכנים וקרינת UV, עליך תמיד ללבוש את ציוד המגן האישי שלך.