Name: ייצור מיקרופלואידי של סיבים פולימריים וביוהיברידים עם גודל וצורה מעוצבים מראש (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-01-08T13:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 38 s
Description: למדו לייצר סיבים מיקרופלואידיים חלולים בקוטר של כ-200 מיקרומטר באמצעות ערוץ עם חריצים ופולימריזציה ב-UV. השיטה מאפשרת שליטה מדויקת בצורה ובגודל הסיבים ליישומים במדעי החומרים.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

דריל בויד ומייקל א. דניאלה הם עמיתי פוסט דוקטורט במועצת המחקר הלאומית. העבודה נתמכה על ידי יחידות עבודה ONR /NRL 4286 ו- 9899. הדעות הן של המחברים ואינן מייצגות את דעתו או מדיניותו של חיל הים האמריקאי או משרד ההגנה האמריקאי.

פרוטוקול זה מתאר את הייצור של סיב חלול באמצעות כימיה תיול-yne פוטוניזציה קליק. המיקרוצ'נל כולל חריצי שברון או "פסים" כתכונות עיצוב בחלק התחתון והחלק העליון של הערוץ (איור 1). שלושה נוזלים מוצגים ומכוונים בנחלים קונצנטריים; מזרמי הנוזלים הפנימיים והחוציים, אלה מכונים ליבה, חיפוי ונוזל נדן. רק זרימת החיפוי הוא פולימר כדי ליצור את הסיבים החלולים. החומרים שנבחרו הם כדלקמן:
<ol type="a"><li>נוזל ליבה: PEG (M.W. = 400), ~ 100 mPa. שניה (20ºC)</li>
	<li>נוזל חיפוי: תיול-יין פולימר (PETMP + ODY), יוזם (DMPA)</li>
	<li>נוזל נדן: PEG (M.W. = 400), ~ 100 mPa. שניה (20ºC)</li>
</ol>המכשיר המיקרו-ערוצי הורכב מחלקי אלומיניום ופלסטיק שהומצאו על ידי כרסום CNC ויציקת PDMS. זרימה דרך המיקרו-שנל נשלטה על ידי שלוש משאבות מזרק.
1. תכנון וסימולציה של מיקרוצ'נל
בעת חישוב מהירות נוזלים והן הסעה /דיפוזיה בתוך המיקרו-ערוצי, חיוני להקצות את הצמיגות המתאימה לכל נוזל נכנס.
<ol><li>צור מודל ממוחשב של המיקרו-שנל הרצוי לייבוא לתוכנת דינמיקת הנוזלים החישובית (COMSOL). הדוגמה באיור 1 נוצרה באמצעות תוכנת Autodesk Inventor CAD. השלבים הבאים מתייחסים לשימוש במולטי-פיזיקה של COMSOL לחישוב זרימת נוזלים בתוך מיקרו-שנל.</li>
	<li>לאחר ייבוא המיקרו-שנל המתוכנן לתוך COMSOL, ניתן להכניס את קצבי זרימת הנוזלים האיטרטיביים לפותר Navier-Stokes.<ol>
<li>אתחל את הגדרת התוכנית ובחר באפשרות 'זרימה למינארית תלת-ממדית'+משוואות הסעה/דיפוזיה. המספרים הנמוכים של ריינולדס שנוצרו במיקרו-ערוצים מאפשרים זרימה למינארית מלאה בתוך המכשיר.</li>
		<li>עצב רשת שינוי של רכיב סופי שעליה יש לבצע את החישובים המספריים. רשת השינוי צריכה להיות מעודנת יותר (יש חלוקות קטנות) באזורים שבהם המאפיינים משתנים במהירות. מומלץ לחדד את רשת שינוי הן את תכונת העיצוב והן את היציאה <1 מיקרומטר בצד אורך. זה מספק הדמיה "חדה" של ממשק נוזל הליבה-נדן.</li>
		<li>תכונות חומר קלט עבור זרימת נוזלים, כלומר צמיגות, קבוע דיפוזיה, וריכוז. בשלב זה, גם להגדיר את תנאי הגבול עבור זרימת היציאה. אנו מציעים אפס מתח צמיג כדי לדמות שקע פתוח.</li>
		<li>חשב מחקרי מהירות זרימת נוזלים על-ידי רכיבה איטרטיבית על סדרה של קצבי זרימת קלט. לדוגמה, נוזל ליבה = 7.5 μl / min, נוזל נדן = 30 μl / min.</li>
		<li>יבא את פתרונות שדה המהירות כערכים ההתחלתיים לפתרון מאפייני הסעה/דיפוזיה של זרימת המיקרו-ערוצים. הפתרון לבעיות הסעה/דיפוזיה ימחיש את ממשק נוזלי הליבה-נדן ויסייע בחיזוי צורת זרימת הנוזלים הסופית והסיבים המיוצרים.</li>
	</ol>
</li>
</ol>מהתוצאות החישוביות, ניתן לחזות את המספר והסוג הנדרשים של תכונות עיצוב כדי להשיג את צורת הסיבים הרצויה. תשומות קצב זרימת הנוזלים יתואמו גם לקצבי הזרימה הנדרשים ליצירת הסיבים. עם תחזיות אלה, מכשיר microchannel יכול להיות מפוברק עבור שחול של סיבי פולימר.
2. ייצור רכיבי מנגנון זרימה נדן
שילוב של מיקרומילינג ישיר, הבלטה חמה ו/או יציקת פולימרים יכול לשמש ליצירת הרכיבים של התקן זרימת הנדן. בהתאם למשאבים, בחר את האסטרטגיה בהתאם. הדוגמה המוצגת היא תהליך כרסום ישיר המשתמש בקוד מספרי של מחשב (CNC). ישנן חמש שכבות שניתן ליצור (מלמעלה למטה), המתוארות באיור 2: 1. צ'אק מפרצון (אלומיניום), 2. צלחת הידוק (אלומיניום), 3. שכבה עליונה מיקרו-ערוצית (קופולימר אולפין מחזורי, COC או PDMS), 4. שכבה תחתונה מיקרו-ערוצית (קטון אתר COC או פוליאטר, PEEK), 5. צלחת הידוק (אלומיניום). (קבצים לדוגמה עבור כרסום ישיר זמינים בתבנית *.stl במידע התומך)
<ol><li>באמצעות תכנון התואם להדמיות COMSOL, פתח מודל תלת-ממדי של המערכת באמצעות שרטוט בעזרת מחשב (CAD). צור קובץ CAD נפרד עבור כל שכבה של ההתקן.</li>
	<li>כאשר שכבה היא להיות מפוברק באמצעות micromilling ישיר, לייבא את דגמי CAD לתוך מחשב עזר יישום עיבוד שבבי כדי ליצור קוד מספרי (NC) כי יתפרשו על ידי מחשב מבוקר מספרית (CNC) טחנה כדי לייצר את המכשיר.</li>
	<li>לרכוש 5 גיליונות של 30.5 ס"מ × 30.5 ס"מ חומרי שכבה הקרבה כי הם מינימום של 3.2 מ"מ עובי.</li>
	<li>לרכוש גיליון אחד של COC, PEEK, אלומיניום, ופולי (מתילמטהקרילט) כי הם 30.5 ס"מ × 30.5 ס"מ ו 3.2 מ"מ עובי.</li>
	<li>לרכוש 1 גיליון של אלומיניום כי הוא 30.5 ס"מ × 30.5 ס"מ ו 9.5 מ"מ עובי.</li>
	<li>הדבק כל אחד מהסדינים בשלבים 2.4-2.5 לגליון של מלאי הקרבה משלב 2.3 עם דבק דו-צדדי. ודא שקיימת לכל היותר גבול חיצוני לא מודבק של 2.5 ס"מ. הקלטת משמשת להחזיק את חומר העבודה במקום תוך כדי טחון ולהגן עליו ברגע שהחלק הטחון נחתך מחומר המלאי בסוף מחזור הטחנה.</li>
	<li>הדק את מלאי ההקרבה של COC + לטבלה של CNC Mill, טען את הכלים המצוטטים בקוד המספרי (NC) וכייל את הכלים והמלאי (עבודה) בחומרים ב- x, y ו- z.</li>
	<li>טען את קוד ה- NC וטחן את שכבת ה- COC.</li>
	<li>הסר את גליון החומר מהטחנה והסר בזהירות את החלק במכונה מהמצע. במהלך תהליך זה, קירור טחנה יהיה להרוות את החלק ואת המניה. יש לשטוף היטב לפני מסירים בעדינות את החלק. לשטוף עם חומר ניקוי קל, ואחריו כביסה עם 70% אלכוהול איזופרופיל. חומר הניקוי המתון יסיר שאריות שמנוניות, והאלכוהול יסיר שאריות דבק. אם burrs לכודים במיקרוארכיטקטורים, sonication עשוי להיות נחוץ כדי לעקור אותם.</li>
	<li>חזור על שלבים 2.7 ו- 2.9 עבור כל אחת מהשכבות האחרות שישמשו ליצירת התקן זרימת המעטפת.</li>
	<li>למעט שכבת PMMA, כל אחת מהשכבות שהוכנו עד לנקודה זו תשמש ישירות בהתקן. PMMA ישמש להכנת שכבת PDMS על ידי שילוב של 10 חלקים בסיס Sylgard 184 עם סוכן ריפוי 1 חלק ערבוב ביסודיות על ידי ערבוב. מידע זה מסופק במקרה אחד מעדיף להחליף את אחת משכבות COC עם חומר PDMS דמוי אטם.</li>
	<li>יוצקים את Sylgard 184 לתוך חלל עובש PMMA שהוכן קודם לכן, להבטיח כי בועות אוויר בוטלו. במידת הצורך, בועות ניתן להסיר בוואקום. PDMS ניתן לרפא בטמפרטורת החדר במשך 48 שעות, 45 דקות ב 100 מעלות צלזיוס, 20 דקות ב 125 מעלות צלזיוס, או 10 דקות ב 150 מעלות צלזיוס.</li>
</ol>3. הרכבת מנגנון זרימה נדן
<ol><li>הרכב את התקן זרימת המעטפת מלמטה למעלה על-ידי הנחת לוח הידוק אחד בתחתית, לאחר מכן את שכבת ה- COC ואחריה את שכבת ה- COC השנייה ואת לוח ההידוק הנותר (איור 2). ודאו שהחריצים המעצבים מתיישרים זה עם זה לאורך קצות הערוץ ושהגאומטריות בעיצוב הנוזלים בשכבות ה-COC חופפות באופן מושלם. מיקרוסקופ ניתוק יכול לשמש כדי לסייע ביישור.</li>
	<li>הכנס ברגים למרכז ההתקן, והדק את האגוזים והברגים כדי להדק את ההתקן יחד.</li>
	<li>לסירוגין משמאל לימין מרכז, חזור על שלב 3.2 מהמרכז החוצה כדי לנעול את היישור ולמנוע דליפות. מוסיפים את צ'אק המפרצון כשמגיעים לחורי ההרכבה שלו וממשיכים להרכיב את הברגים בצורה לסירוגין.</li>
	<li>השתמש באביזרי HPLC סטנדרטיים כדי לממשק את התקן זרימת הנדן לצינורות ומזרקים המכילים נוזל נדן ותמיסת prepolymer. הידוק ידיים מספיק לכל החיבורים.</li>
	<li>התקן את ההתקן אנכית באמצעות מעמד טבעת ומהדק. ודא שההתקן אנכי באמצעות רמה בחלק העליון. אם התקן זרימת הנדן אינו אנכי, הסיבים עלולים לגעת בקיר המיקרו-ערוצי ולגרום ל סתימה.</li>
	<li>מקם את מקור UV בניצב ~ 1 ס"מ מפני COC של התקן זרימת נדן כך האחרון 3-5 ס"מ של microchannel מוקרן. מקור UV צריך להיות מכויל כדי לספק ~ 200 mW / cm2.</li>
</ol>4. הכנת פתרון
כפי שצוין קודם לכן, חומרים רבים יכולים לשמש ליצירת מיקרופייברים באמצעות פרוטוקולים מקבילים ומערכות זרימת נדן, אבל כימיה thiol-yne משמש כאן. הכן את הפתרון prepolymer מיד לפני תחילת תהליך שחול סיבים, כדי למנוע את הגידול צמיגות שעלולה להתרחש לאורך זמן באחסון.
<ol><li>הכן aliquot של פוליאתילן גליקול 400 (PEG 400) לשמש נוזל נדן.</li>
	<li>ממלאים מזרק 1 מ"ל מצופה לואר עם PEG 400 כדי לשמש נוזל ליבה שאינו ניתן למימוש, וממלאים מזרק 30 מ"ל מצופה לואר עם PEG 400 לשמש נוזל נדן.</li>
	<li>הכן פתרון prepolymer המכיל 0.01 מול pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate (PETMP) ו 0.01 מול 1,7-octadiyne (ODY). ודא כי שני המרכיבים מעורבבים היטב לאורך כל הניסוי, למזער את החשיפה של כל ריאגנטים prepolymer למקורות של אור UV, כולל אור הסביבה(למשל לעטוף מזרקים עם רדיד אלומיניום).</li>
	<li>להשלים את הפתרון PETMP / ODY עם 4 x10 -4 מול 2,2-דימטוקסי-2-פנילקטופנון (DMPA) פוטוניטיטור. המשך להבטיח כי הפתרונות מעורבבים היטב, וכי הם אינם חשופים לאור UV על ידי כיסוי המכולות עם רדיד אלומיניום.</li>
	<li>טען מזרק אלומיניום 5 מ"ל עטוף בנייר אלומיניום עם תמיסת prepolymer.</li>
</ol>5. הפקת מיקרופייבר (מוקד וידאו)
<ol><li>ודאו שהשקע של הערוץ המיקרופלואידי נמצא במגע עם פתרון באמבטיית האיסוף(איור 3). עבור מבנים מורכבים, הפתרון באמבט האיסוף צריך להיות צמיגות תואמת לליבה ונוזלים נדן, אבל עבור סיבים חלולים פשוטים, מים מספיקים.</li>
	<li>הגדר את הליבה, חיפוי, ומשאבות מזרק נוזל נדן להחדיר ב 1, 30, ו 120 μl / min, בהתאמה. ודא כי קטרים מזרק בהתאמה הוזנו כראוי לתוך משאבות מזרק.</li>
	<li>הר את המזרקים לתוך משאבות המזרק המקביל שלהם ולחבר אותם למכשיר זרימת נדן עם צינורות טייגון מגן UV.</li>
	<li>הפעל את נוזל הנדן כדי להניע את התקן זרימת הנדן ולחסל את האוויר מהמערכת. בדוק ויזואלית את המיקרו-שנל, כדי להבטיח שלא יישארו בועות אוויר במיקרו-שנל לפני שימשיך לשלב הבא. שים לב במיוחד לפסים. מיקרוסקופ ניתוח עשוי לשמש כדי לסייע בבדיקה מיקרו-ערוצית. אם בועות אוויר קיימות, הסעיר את ההתקן על-ידי סיבוב ו/או הקשה בעדינות בזמן הזרימה כדי לשטוף בועות אוויר מהמכשיר.</li>
	<li>התחל את נוזל החיפוי, גם מאפשר את הזרימה להתייצב. ודא כי אין בועות אוויר להישאר microchannel לפני הולך לשלב הבא. שימו לב במיוחד לחריצים המעצבים. אם בועות אוויר קיימות, להתסיס את המכשיר בזמן תחת זרימה כדי לשטוף את בועות האוויר מתוך המכשיר.</li>
	<li>לבסוף, להתחיל את נוזל הליבה; שוב, ודא כי בועות אינן קיימות במערכת.</li>
	<li>הפעל את מקור ה- UV והתבונן באמבט האיסוף לייצור רציף של המיקרופייבר החלול(איור 4A)כשהוא נפלט עם נוזל הנדן. אחזרו את הסיבים מאמבטיית הקולקציה באמצעות מרית שונה או לולאת חיסון, ואפשרו לאסוף את הסיבים הרציפים על סליל ממונע(איור 3).</li>
</ol>

<ol><li>Khademhosseini, A., Langer, R., Borenstein, J., Vacanti, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microscale+technologies+for+tissue+engineering+and+biology%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Microscale technologies for tissue engineering and biology.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 2480-2487 (2006).</li>
<li>Blond, D., McCarthy, D. N., Blau, W. J., Coleman, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toughening+of+artificial+silk+by+incorporation+of+carbon+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Toughening of artificial silk by incorporation of carbon nanotubes.</a> Biomacromolecules. 8, 3973-3976 (2007).</li>
<li>Aykut, Y., Saquing, C. D., Pourdeyhimi, B., Parsons, G. N., Khan, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Templating+quantum+dot+to+phase-transformed+electrospun+TiO%282%29+nanofibers+for+enhanced+photo-excited+electron+injection%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl.+Mater.+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Templating quantum dot to phase-transformed electrospun TiO(2) nanofibers for enhanced photo-excited electron injection.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 3837-3845 (2012).</li>
<li>Puigmarti-Luis, J., Schaffhauser, D., Burg, B. R., Dittrich, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Microfluidic+Approach+for+the+Formation+of+Conductive+Nanowires+and+Hollow+Hybrid+Structures%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">A Microfluidic Approach for the Formation of Conductive Nanowires and Hollow Hybrid Structures.</a> Adv. Mater. 22, 2255-22 (2010).</li>
<li>Edie, D. D., Fox, N. K., Barnett, B. C., Fain, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Melt-spun+noncircular+carbon-fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Carbon%22%5BJournal%5D)">Melt-spun noncircular carbon-fibers.</a> Carbon. 24, 477-482 (1986).</li>
<li>Park, S. J., Seo, M. K., Shim, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+fiber+shapes+on+physical+characteristics+of+non-circular+carbon+fibers-reinforced+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Sci.+Eng.+A+Struct%22%5BJournal%5D)">Effect of fiber shapes on physical characteristics of non-circular carbon fibers-reinforced composites.</a> Mater. Sci. Eng. A Struct. 352, 34-39 (2003).</li>
<li>Haile, W. A., Phillips, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Deep+grooved+polyester+fiber+for+wet+lay+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Tappi%22%5BJournal%5D)">Deep grooved polyester fiber for wet lay applications.</a> Tappi. 78, 139-142 (1995).</li>
<li>Yamada, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Radiative+properties+of+fibers+with+non-circular+cross+sectional+shapes%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Quant.+Spectrosc.+Ra%22%5BJournal%5D)">Radiative properties of fibers with non-circular cross sectional shapes.</a> J. Quant. Spectrosc. Ra. 73, 261-272 (2002).</li>
<li>Kopp, V. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chiral+fiber+gratings%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Chiral fiber gratings.</a> Science. 305, 74-75 (2004).</li>
<li>Thangawng, A. L., Howell, P. B., Richards, J. J., Erickson, J. S., Ligler, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+simple+sheath-flow+microfluidic+device+for+micro%2Fnanomanufacturing%3A+fabrication+of+hydrodynamically+shaped+polymer+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">A simple sheath-flow microfluidic device for micro/nanomanufacturing: fabrication of hydrodynamically shaped polymer fibers.</a> Lab Chip. 9, 3126-3130 (2009).</li>
<li>Thangawng, A. L., Howell, P. B., Spillmann, C. M., Naciri, J., Ligler, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((UV+polymerization+of+hydrodynamically+shaped+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">UV polymerization of hydrodynamically shaped fibers.</a> Lab Chip. 11, 1157-1160 (2011).</li>
<li>Thangawng, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+hard+microflow+cytometer+using+groove-generated+sheath+flow+for+multiplexed+bead+and+cell+assays%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Bioanal.+Chem%22%5BJournal%5D)">A hard microflow cytometer using groove-generated sheath flow for multiplexed bead and cell assays.</a> Anal. Bioanal. Chem. 398, 1871-1881 (2010).</li>
<li>Mott, D. R., Howell Jr,, B, P., Obenschain, K. S., Oran, E. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Numerical+Toolbox%3A+An+approach+for+modeling+and+optimizing+microfluidic+components%5BTitle%5D)+AND+%22Mech.+Res.+Commun%22%5BJournal%5D)">The Numerical Toolbox: An approach for modeling and optimizing microfluidic components.</a> Mech. Res. Commun. 36, 104-109 (2009).</li>
<li>Mott, D. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toolbox+for+the+design+of+optimized+microfluidic+components%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Toolbox for the design of optimized microfluidic components.</a> Lab Chip. 6, 540-549 (2006).</li>
<li>Howell Jr,, B, P., Ligler, F. S., Shields, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sheath+fow+device+and+method%5BTitle%5D)+AND+%22United+States+patent+US20110193259%22%5BJournal%5D)">Sheath fow device and method.</a> United States patent US20110193259. , (2011).</li>
<li>Howell, P. B., Ligler, F. S., Shields, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Creating+sheathed+flow+for+applications+e.g.+particle+counting%2C+by+introducing+sheath+and+core+streams+at+proximal+end+of+channel+that+creates+multiple+sheathed+flows%2C+and+polymerizing+multiple+sheathed+flows+to+form+multiple+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22United+States+patent+US2011193259-A1%22%5BJournal%5D)">Creating sheathed flow for applications e.g. particle counting, by introducing sheath and core streams at proximal end of channel that creates multiple sheathed flows, and polymerizing multiple sheathed flows to form multiple fibers.</a> United States patent US2011193259-A1. , (2009).</li>
<li>Mott, D., Howell Jr,, B, P., Ligler, F. S., Fertig, S., Bobrowski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sheath+flow+device+and+method%5BTitle%5D)+AND+%22United+States+patent+US20090208372%22%5BJournal%5D)">Sheath flow device and method.</a> United States patent US20090208372. , (2009).</li>
<li>Daniele, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+and+continuous+hydrodynamically+controlled+fabrication+of+biohybrid+microfibers%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Rapid and continuous hydrodynamically controlled fabrication of biohybrid microfibers.</a> Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2012).</li>
<li>Howell, P. B., Mott, D., Golden, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+toolbox+for+design+of+fluidic+components+and+systems%5BTitle%5D)+AND+%22United+States+patent+US20080221844%22%5BJournal%5D)">Numerical toolbox for design of fluidic components and systems.</a> United States patent US20080221844. , (2008).</li>
<li>Shields, A. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrodynamically+directed+multiscale+assembly+of+shaped+polymer+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Hydrodynamically directed multiscale assembly of shaped polymer fibers.</a> Soft Matter. 8, 6656-6660 (2012).</li>
<li>Boyd, D. A., Shields, A. R., Naciri, J., Ligler, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrodynamic+shaping%2C+polymerization%2C+and+subsequent+modification+of+thiol+click+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl.+Mater.+Inter%22%5BJournal%5D)">Hydrodynamic shaping, polymerization, and subsequent modification of thiol click fibers.</a> ACS Appl. Mater. Inter. 5, 114-119 (2012).</li>
<li>Daniele, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+and+Continuous+Hydrodynamically+Controlled+Fabrication+of+Biohybrid+Microfibers%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Rapid and Continuous Hydrodynamically Controlled Fabrication of Biohybrid Microfibers.</a> Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2013).</li>
<li>Boyd, D. A., Shields, A. R., Howell, P. B., Ligler, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+fabrication+of+uniquely+shaped+thiol-ene+microfibers+using+a+two-stage+hydrodynamic+focusing+design%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Design and fabrication of uniquely shaped thiol-ene microfibers using a two-stage hydrodynamic focusing design.</a> Lab Chip. 13, 3105-3110 (2013).</li>
</ol>

הפטנטים המפורטים בהתייחסויות זמינים לרישיון ממחלקת הצי<a href="http://www.nrl.navy.mil/doing-business/tech-transfer/">(http://www.nrl.navy.mil/doing-business/tech-transfer/).</a>

ייצור סיבי פולימר באמצעות גישת זרימת נדן יש יתרונות רבים בהשוואה לטכניקות ייצור סיבים אחרים. אחד היתרונות הללו הוא היכולת לפברק סיבים באמצעות שילובים ריאגנטיים שונים. למרות שילוב תיול-yne ספציפי הוצג כאן, כמה לחץ תיול אחרים (כולל תיול-ene) שילובי כימיה לעבוד באותה מידה. מגוון רחב של שילובים אחרים ניתן להעסיק כדי לייצר סיבים כל עוד פתרון נדן הוא miscible עם חומר הליבה להיות פולימריזציה. תכלילים כגון nanofibers, חלקיקים, ותאים אפשריים גם כל עוד התרומות של תוספים אלה צמיגות של הפתרון prepolymer נלקחים בחשבון.
כימיה ת'יול קליק היא תת קבוצה של משפחת הכימיה קליק שבו קומפלקס עם קבוצת תיול יכול להיות מחובר covalently למתחם עם או אלקין (קשר כפול) או אלקין (קשר משולש) קבוצה פונקציונלית על ידי פוטופוליזציה אור UV. תגובות המערבות אלקנס נקראות תגובות תיול-ene, ותגובות המערבות אלקינים נקראות תגובות תיול-יין. קשר פאי אחד (מאלקין או אלקין) יתחבר לקבוצת תיול אחת עם הקרנת אור UV. התהליך משתלב היטב במשפחת התגובות הקליקות ומשמש ביעילות בערוץ המיקרופלואידי שלנו לייצור סיבים בצורות שונות(למשל עגול, בצורת סרט, עוגן כפול) מרכיבי התחלה רבים של קליקים על תיול.
יתרון ספציפי לשיטה המתוארת כאן בהשוואה לרוב התהליכים הדומים האחרים הוא היכולת לשלוט הן בצורה והן בגודל הסיבים המיוצרים (איורים 4A-H). על-ידי עיצוב ערוץ בעל פסים, סוגריים זוויתיים או עצמות הרינג, לסיבים המיוצרים תהיה צורת חתך שונה. באופן כללי, הפסים שימושיים לייצור צורות עגולות או להכנסת זרמי נדן נוספים כדי לכתר לחלוטין נחלים בצורת הקודם ולהרחיק אותם מקירות התעלה לפני הפולימור. הסוגריים הזוויתיים מפחיתים את הממד האנכי במרכז הזרם המעוצב ושומרים על הסימטריה האופקית. עצמות הרינג מפחיתות את הממד האנכי של צד אחד של הזרם המעוצב, ויוצרות אסימטריה. ניתן לערבב כלי עיצוב אלה באינספור שילובים. מספר התכונות המקבילות (כלומר 7 סוגריים זוויתיים לעומת 10 סוגריים זוויתיים) יכול לשמש גם לייצור סיבים עם פרופילים חתך שונים.
בנוסף ליכולת לשלוט בצורת הסיבים, מתודולוגיית ייצור הסיבים המוצגת מאפשרת גם את היכולת לשלוט בגודל הסיבים המפוברקים, אפילו באמצעות מכלול זרם נדן יחיד (למשל איור 1). התאמת יחס קצב הזרימה של הנדן:הליבה היא אמצעי אחד לייצור סיבים עם אזורים חתוכים שונים. ניתן גם לשלוט בגודל הסיבים על ידי התאמת עיצוב הערוץ כדי לקבל שלבי נדן נוספים. בין אם העיצוב מתרחש בשלב אחד או יותר, ניתן להשתמש בשלב סופי פשוט כדי להקטין את גודל הליבה מבלי לשנות את הצורה.
הקלות שבה ניתן להשתמש במגוון שילובים ריאגנטיים כדי לייצר סיבים בצורות וגדלים שונים באמצעות עיצוב ערוץ מיקרופלואידי זה תוכיח שימושית במגוון רחב של יישומים, מהנדסת רקמות לתקשורת אופטית ועד טקסטיל חכם.

פיגומיםרקמה 1, חומרים מרוכבים2, תקשורת אופטית3, וחומרים היברידיים מוליך4 הם תחומי מחקר ניצול סיבי פולימר מיוחדים. שיטות קונבנציונליות לייצור סיבים כוללות הבלטה נמסה, ספינינג, ציור, יציקה ואלקטרוספינינג. רוב סיבי הפולימר המיוצרים בשיטות אלה מציגים חתכים עגולים שנוצרו על ידי מתח פנים בין הפולימר לאוויר במהלך הייצור. עם זאת, סיבים עם חתכים nonround עשוי לשפר את המאפיינים המכאניים של חומרים מרוכבים5,6, להגדיל את יחסי שטח הפנים לנפח, הרטבת בקרה או פתיל7, ולהיות מנוצל כמו waveguides8 או קיטובים9.
ייצור סיבי פולימר מיוחדים על ידי מערכות מיקרופלואידיות המשתמשות בזרם אחד (זרימת נדן) כדי להקיף ולעצב זרם אחר (זרימת ליבה) מושכים בגלל התנאים המתונים והיכולת לייצור מתמשך של סיבים הניתנים לשחזור. ניסויים ראשוניים ייצרו סיבים עגולים בגדלים התלויים בקצבי הזרימה היחסיים של נוזלי הקדם-דם והמעטפת10-12. הגילוי כי חריצים בחלק העליון והתחתון של הערוץ microfluidic יכול להסיט את הנדן כדי לייצר צורה קבועה מראש עבור זרם הליבה13,14 הוביל טכנולוגיה ליצירת צורות סיבים מורכבים יותר10-12,15-17.
חוקרי NRL הדגימו את התכונות הטכניות הקריטיות הבאות13-21:
<ol><li>ניתן להשתמש במגוון תכונות עיצוב כדי לכוון את נוזל הנדן לעיצוב זרם הליבה: חריצים או רכסים ניתנים להגדרה ופסים, סוגריים זוויתיים או עצמות הרינג.</li>
	<li>ניתן למפות ארגז כלים של תכונות אלה לתוצאת הזרימה הרצויה.</li>
	<li>ניתן ליצור מיקרו-ערוצים באמצעות טכניקות ליתוגרפיה, דפוס, כרסום או הדפסה. אסור לחומרי המצע להתמוסס או לשחוק בפתרונות prepolymer או נדן, ועבור פולמריזציות פוטו-סיניות, השכבות החיצוניות חייבות להיות שקופות לאור אולטרה סגול.</li>
	<li>ניתן לשנות את הצורה שנוצרה על-ידי ערכה אחת של תכונות עיצוב על-ידי שינוי קצבי הזרימה דרך הערוץ. סימולציות COMSOL Multiphysics של זרימת נוזלים במיקרו-ערוצים מסוגלות לחזות את צורות הנוזלים והסיבים הנובעות מכך.</li>
	<li>התאמת הצמיגות והשלב (הידרופיליות) של הנדן ונוזלי הליבה היא קריטית כדי למנוע חוסר יציבות סוג קריסה, הנובע וריאציה בזן גזירה על פני ממשק הנוזל. אם יש צמיגות גדולה או אי התאמה שלב קריסה צמיג יכול להתרחש, אולי מעוות את צורת הסיבים הסופית או אפילו סתימת microchannel.</li>
	<li>סיבים יכולים להיווצר על ידי יציקה או פולמור, אבל פולמור מספק שליטה רבה יותר על הצורה.</li>
	<li>פילינג (התגבשות נוזל הליבה) חייב להתרחש לפני היציאה מהמיקרו-שנל. עם זאת, פולמור איטי יותר בתוך הערוץ עלול לגרום לעלייה בצמיגות, להשפיע על צורת הסיבים או אפילו סתימת הערוץ. יש לשלוט בקפידה בזמן ובמיקום של אירועי פולמור.</li>
	<li>בשל קינטיקה התגובה המהירה שלהם, פולמריזציות רדיקלים חופשיים הנגרמת על ידי צילום, במיוחד כימאים קליקים מבוססי תיול, מתאימים במיוחד לייצור סיבים.</li>
	<li>ניתן לשנות את קצבי הזרימה היחסיים במהלך הייצור כדי ליצור קטרים סיבים שאינם אחידים.</li>
	<li>ניתן לשלב קבוצות מרובות של תכונות עיצוב בערוץ יחיד מהסיבות הבאות:<ol type="a">
<li>כדי להפריד בין פונקציות העיצוב והגודל</li>
		<li>כדי ליצור סיבים רב שכבתיים או חלולים</li>
		<li>כדי לייצר סיבים מרובים מערוץ מיקרופלואידי יחיד</li>
	</ol>
</li>
	<li>מזוזות גביש נוזלי המשולבות בפולימר בריכוזים נמוכים מאוד מפגינות בירפרינגנס תחת אור מקוטב, דבר המצביע על כך שניתן ליישר מולקולות פולימר לאורך ציר הסיבים.</li>
	<li>תאים יכולים להיות משולבים prepolymers הידרוג'ל תאימות ביולוגית ולשרוד את תהליך הייצור עם כדאיות גבוהה22.</li>
</ol>בעת ייצור סיבי פולימר באמצעות התמקדות הידרודינמית על ידי זרם נדן לעצב זרם prepolymer, מבחר של חומרים פולימריים הוא צעד ראשון מעשי. יש לזהות את הפולימרים המתאימים, כימאים יוזמים מתאימים ונוזלי נדן במסגרת ההנחיות הבאות:
<ol><li>נוזלי פולימר ומעטפת הם מוטעים והם בעלי צמיגות דומה. לדוגמה, פתרון מונומר מימי יכול לנצל מים כמו נוזל נדן קיימא, אבל לא יכול להעסיק הקסאן כמו נוזל נדן.</li>
	<li>מנגנון הפולמליזציה חייב להיות מהיר מספיק קינטיקה קצב כדי לחזק את נוזל הליבה לאחר עיצוב ומיד לפני הסיבים יוצא הערוץ.</li>
</ol>לאחר בחירת החומרים, יש לעצב מיקרו-שנל ליצירת צורת הסיבים והגודל הרצויים. כדי לקבוע את תכונות העיצוב הנדרשות (פסים, עצמות הרינג, סוגריים זוויתיים), ניתן להשתמש בתוכנת דינמיקת נוזלים חישובית כדי לחזות את דפוסי זרימת הנוזלים. תכונות העיצוב מעבירות את נוזל הנדן סביב נוזל הליבה. באופן כללי, פסים מזיזים את נוזל הנדן לרוחב החלק העליון והתחתון של הערוץ מצד לצד, ואילו עצמות הרינג ושברונים מזיזים את הנוזל מהצדדים לכיוון החלק העליון ו/או התחתון של הערוץ ואז חוזרים לכיוון מרכז הערוץ ישירות מתחת לנקודת המבנה. מספר החריצים החוזרים על עצמו בחלק העליון והתחתון של הערוץ משפיע על המידה שבה נוזל הנדן מופנה. היחס בין קצבי הזרימה של הליבה ונוזל הנדן גם לתווך את האפקט. סימולציות באמצעות תוכנת COMSOL Multiphysics הוכיחו אמינות בהערכת האינטראקציות של תכונות העיצוב ויחסי קצב הזרימה כדי לחזות את הצורה החתך. סימולציות אלה מספקות גם תובנה שימושית על דיפוזיה של מסיסות בין הליבה למעטפת עם גודל הערוץ, צמיגות וקצבי זרימה המוצעים.
אם רצויה צורה מורכבת, כגון "העוגן הכפול" המתואר ב- Boyd et al. 23, כדאי להפריד את הפונקציות של עיצוב וגודל. צורה מורכבת יכולה להיווצר עם קבוצה אחת של תכונות ולאחר מכן מבנה בעל חריץ יחיד הממוקם אסטרטגית בכניסה לזרם נדן שני יכול לשמש להקטנת האזור החתך של הזרם הניתן לפולימריז מבלי לשנות באופן משמעותי את צורתו.
דוגמה נוספת לתכנון מיקרו-ערוצי מורכב יכולה ליצור סיבים רב שכבתיים. בעיצוב זה, ערכות רציפות של תכונות עיצוב ונוזלי חיפוי נוספים מוצגים. זרימות קונצנטריות אלה יכולות להתגבש לסיבים מוצקים לחיפוי ליבה או לצינורות חלולים. דוגמה של התקן זה תוצג להלן.
לאחר העיצוב של המכשיר microfluidic נבחר, תהליך ייצור microchannel יכול להתחיל. כלי הייצור שניתן להשתמש בהם כוללים ליתוגרפיה רכה, כרסום CNC, הבלטה חמה והדפסה בתלת-ממד. ללא קשר לכלים המשמשים, חשוב להבין כי תכונות שהוכנסו בטעות לתוך הקיר של הערוץ microfluidic גם לכוון את זרימת הנדן ועלול לגרום סטיות לשחזור מאוד בצורה חתך של כל הסיבים שנעשו באמצעות מכשיר זה. חומרים מצע Microchannel צריך גם להיבחר בקפידה להיות חזק פיזית, אינרטי מבחינה כימית, ועמיד בפני נזק UV. לדוגמה, polydimethylsiloxane (PDMS) ניתן ללהק בקלות, מספק אטמים דמויי אטם, והוא UV שקוף; PDMS שימושי לחלק העליון השקוף של הערוץ, אך לא לצדדים ולתחתית הערוץ, הזקוקים לנוקשות רבה יותר.
בסופו של דבר, על ידי החדרת נוזלי הליבה והמעטפת שנבחרו כראוי בקצבי הזרימה החזויים על ידי סימולציות דינמיקת הנוזלים, תכונות העיצוב ייצרו את פרופיל הנוזל המתאים ומנורת הריפוי UV במורד הזרם תחזק את סיבי הפולימר המעוצבים. שחול מתמשך של סיבים פולימריים מהערוץ יכול לספק סיבים לשחזור באורכים מוגבלים רק על ידי נפח מאגרי הנוזלים.

<table><tbody><tr><td>Pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>381462</td><td>ראה הפניות</td></tr><tr><td>1.7-Octadiyne</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>161292</td><td>ראה הפניות</td></tr><tr><td>2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>196118</td><td>ראה הפניות</td></tr><tr><td>פוליאתילן גליקול 400</td><td>סיגמא-אולדריץ</td>' <td>202398</td><td>פוליאתילן גליקול 200 או 600, דקסטרוז, או ניתן להחליף גליצרול</td></tr><tr><td>Sylgard 184&nbsp;</td>ניתן להחליף את <td>Sigma-Aldrich</td><td>761036</td><td>QSIL 216, OptiTec 7020 או GS RTV 615</td></tr> <tr><td>Table of Specific Equipment </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MiniMill</td><td>Haas</td><td>MINIMILL</td><td>כל קוד NC המפרש טחנה של 2.5 צירים (ומעלה) ניתן להחליף</td></tr><tr><td>משאבות מזרק (3)</td><td>Harvard Apparatus</td><td>702212</td><td>ניתן להחליף משאבות מזרקים הניתנות לתכנות לספק את קצבי זרימת הנפח הרצויים</td></tr> צינורות <tr><td>טיגון (3 מ')</td> <td>פישר סיינטיפיק</td><td>14-169-13A</td><td>NA</td></tr><tr><td>PEEK צינורות</td><td>Upchurch Scientific</td><td>1435</td><td>NA</td></tr><tr><td>HPLC אביזרי</td><td>Upchurch Scientific</td><td>1457</td><td>NA</td></tr><tr><td>BlueWave 200 מנורת UV עם מעמד ומובילי אור</td><td>Dymax</td><td>38905; 38477; 39700</td><td>כל מקור UV מודרך המספק 300-450 ננומטר, >200 mW/cm2 ניתן להחליף</td></tr><tr><td>500 מ"ל</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB-100-600</td><td>ניתן להחליף כל כלי בערך באותו גודל וצורה</td></tr><tr><td>מעמד טבעת</td><td>Fisher Scientific</td><td>S47807</td><td>ניתן להחליף כל מעמד טבעת המסוגל להרכיב clamp מנגנון זרימת נדן מעל מפלס משאבות המזרק</td></tr><tr><td>מעמד טבעת clamp מחזיק (2)</td> <td>Fisher Scientific</td><td>S02625</td><td>ניתן להחליף כל מעמד טבעת clamp מחזיק המסוגל להחזיק את המהדקים</td></tr><tr><td>מעמד טבעת clamps (2)</td> <td>Fisher Scientific</td><td>02-216-352</td><td>ניתן להחליף כל מעמד טבעת clamp המסוגל להחזיק את מנגנון זרימת הנדן המהודק ומובילי האור ניתן להחליף</td></tr><tr><td>מזרקים 1, 5 ו-60 מ"ל</td><td>פישר סיינטיפיק</td><td>14-823-16H; 14-823-16D; 14-820-11</td><td>ניתן להחליף כל מזרק בקוטר פנימי ידוע ונפח מספיק</td></tr> פולי <tr><td>(מתיל-מתאקרילט) (3.2 מ"מ)</td><td>מקמאסטר-קאר</td><td>8560K239</td><td>ניתן להחליף פוליקרבונט וקופולימר אולפין מחזורי פוליאתר</td></tr><tr><td>קטון (3.2 מ"מ)</td><td>מקמאסטר-קאר</td><td>8504K25</td><td>ניתן להחליף חומרים הניתנים לעיבוד עמידים בפני ממס</td></tr><tr><td>אלומיניום (3.2, 9.5 מ"מ)</td><td>מקמאסטר-קאר</td><td>1651T41; 9246K23</td><td>החלף חומרים אחרים לפי הצורך</td></tr></tbody></table>

ייצור מיקרופלואידי של סיבים פולימריים וביוהיברידים עם גודל וצורה מעוצבים מראש

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

נוזל "נדן" העובר דרך ערוץ מיקרופלואידי במספר ריינולדס נמוך יכול להיות מופנה סביב זרם "ליבה" אחר ומשמש להכתיב את הצורה, כמו גם את הקוטר של זרם הליבה. חריצים בחלק העליון והתחתון של ערוץ מיקרופלואידי תוכננו לכוון את נוזל הנדן ולעצב את נוזל הליבה. על ידי התאמת הצמיגות וההידרופיליות של הנדן ונוזלי הליבה, ההשפעות הבין-גזעיות ממוזערות וניתן להיווצר צורות נוזל מורכבות. שליטה בקצבי הזרימה היחסיים של הנדן ונוזלי הליבה קובעת את האזור החתך של נוזל הליבה. סיבים יוצרו בגדלים הנעים בין 300 ננומטר ל - ~ 1 מ"מ, וחתכים סיבים יכולים להיות עגולים, שטוחים, מרובעים או מורכבים כמו במקרה של סיבי עוגן כפולים. פילינג של נוזל הליבה במורד הזרם מאזור העיצוב מחזק את הסיבים. כימאים קליק Photoinitiated מתאימים היטב עבור פולמור מהיר של נוזל הליבה על ידי הקרנה עם אור אולטרה סגול. סיבים עם מגוון רחב של צורות הופקו מרשימה של פולימרים כולל גבישים נוזליים, פולי (מתילמתאקרילאט), תיול-ene ותיול-יין שרפים, פוליאתילן גליקול ונגזרות הידרוג'ל. גזירה מינימלית במהלך תהליך העיצוב ותנאי פולמור מתון גם עושה את תהליך הייצור מתאים היטב אנקפסולציה של תאים ורכיבים ביולוגיים אחרים.

עיצוב דו-שלבי פשוט, תוך שימוש בעיצוב חריצים ושלוש כניסות לפתרון, שימש ליצירת סיבים חלולים (איור 1). סימולציות COMSOL שימשו לקביעת יחסי קצב הזרימה המתאימים כדי להשיג את הגודל החתך הרצוי (איור 1, וידאו ESI). שילוב של כרסום ויציקת ייצר את הרכיבים למכלול זרימת הנדן כדי לייצר את הסיבים (איור 2). ההרכבה המלאה כללה את התקן הזרימה נדן, לייזר UV מצמד סיבים אופטיים, שלוש משאבות מזרק, אמבט איסוף (beaker), סליל איסוף סיבים (איור 3).
פולמור של חומר החיפוי היה ביוזמת מקור אור UV, וסיבים חלולים הוצאו מהמיקרוצ'נל לאמבטיית האיסוף. הסיב נוצר ונאסף ברציפות עד שאור ה- UV כבה. ייצור הסיבים נמשך דקות ויצר סיב בודד באורך של מטר. סיבים שנעשו בתנאים אלה היו כ 200 מיקרומטר קוטר. מבנה הסיבים המחיש באמצעות מיקרוסקופ אופטי ואלקטרון. לסיבים הייתה צורה אליפטית עם ליבה חלולה. פעולה נימי שימשה להחדרת נוזלים ובועות לפנים הסיבים ואישרה כי המבנה החלול היה רציף לאורך הסיבים(איור 4A).
<img alt="Figure 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50958/50958fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig1.jpg"> איור 1. תכנון התקן זרימה נדן ונתוני COMSOL. התקן הייצור בן שני החלקים עם חריצים ישרים נבחר לייצר סיב חלול (מסובב על ציר x 45°). סימולציות COMSOL משמאל ממחישות כיצד יחסי הליבה:חיפוי:קצב זרימה של מעטפת (מספרים מתחת לכל סימולציה) משפיעים על הגודל הסופי של הסיבים החלולים. חתך המיקרו-ערוצי הוא 1 מ"מ x 0.75 מ"מ, והפסים ברוחב 0.38 מ"מ ובעומק של 250 מיקרומטר. הפסים הם ב ∠45° יחסית לערוץ.
<img alt="Figure 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig2highres.jpg" width="500"> איור 2. תצוגה מופרדת של מכלול זרימת נדן. מלמעלה למטה, (A) צ'אק מפרצון, (B) צלחת הידוק, (C) כיסוי microchannel, (D) בסיס מיקרו-ערוצי, (E) צלחת הידוק. הרכיבים מיוצרים מאלומיניום, אלומיניום, COC (או PDMS), COC (או PEEK) ואלומיניום, בהתאמה. החורים במרווחים קבועים מתאימים לברגים להרכבה.
<img alt="Figure 3" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50958/50958fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig3.jpg"> איור 3. תמונה של פריסה ו מבט כולל על סכמטי. ההתקנה כוללת מכלול זרימת נדן מאובטח אנכית מעל הכומתה המכילה אמבט מים, לייזר סיבים אופטיים לצילום, שלוש משאבות מזרק, ציר לאיסוף סיבי פולימר. Inset מראה הרכבה ייצור עם תאורת UV. (A) נדן ומפרצוני ליבה, (B) ערוץ מיקרופלואידי, (C) אור UV, (D) מאגר איסוף, (E) סיבים פולימריים שנאספים.
<img alt="Figure 4" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50958/50958fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig4.jpg"> איור 4. תמונות מיקרוגרף אלקטרונים אופטי וסורק של סיבים שנעשו באמצעות התמקדות הידרודינמית. סיבים כבר מפוברק בצורות הבאות באמצעות התמקדות הידרודינמית: (A) צינורות חלולים, (B) סרטים מלבניים, (C) סרטים אלסטיים דקים, (D) משולשים, (E) שעועית כליות, (F) מחרוזת פנינים, (G) סיבים עגולים עם nanofiber פחמן מוטבע, ו - (H) עוגן כפול בצורת. הסיבים עשויים מחומרים שונים כולל אקרילאטים, מתאקרילאטים ותיל-enes.
 <a href="/files/ftp_upload/50958/ESI_Video.mp4" target="_blank">וידאו ESI.</a> חלקת פרוסה המיוצרת במולטי-פיזיקה של COMSOL המתארת מחצית אחת של מיקרו-שנל עם נוזלי ליבה, חיפוי ומעטפת הנכנסים להתקן וחוצים את חריצי הפס האלכסוניים בעלי שני השלבים. הליבה, החיפוי וקצבי הזרימה המדומים הם 1, 28 ו- 256 μl/min, בהתאמה. הסרטון מייצג ~ 6 שניות בזמן אמת, האט פי 6 למטרות המחשה.

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.

A &#8220;sheath&#8221; fluid passing through a microfluidic channel at low Reynolds number can be directed around another &#8220;core&#8221; stream and ...

המטרה הכללית של הניסוי הבא היא להדגים עיצוב של נוזלים מורכבים כפי שנצפה בייצור של מיקרוסיבים. זאת מושג על ידי הרכבת תעל מיקרופלואידית עם חריצים ספציפיים ליצירת ליבה פולימרית הניתנת למימוש עם צורה predetermined של חתך רוחבי. כשלב שני, מוכן תמיסת פרה-פולימר, אשר תעוצב ותעבור פולימריזציה ברגע שתעבור דרך התעלה.בשלב הבא, מופעל אור UV בתחתית התעלה על מנת לפולימריז את חומר הפולימר. מיקרוגרפים אלו של מיקרוסקופ אלקטרונים סורק מראים מספר צורות של מיקרוסיבים שיוצרו. באופן דומה, היתרונות של טכניקה זו בהשוואה לשיטות קיימות אחרות, כגון electro spinning ו-melt spinning, כוללים את העובדה שניתן לבצע טכניקה זו בטמפרטורת החדר, וכי ניתן להשתמש בה עם מגוון רחב של חומרי פולימר מתאימים.בנוסף, טכניקה זו אינה דורשת מתחים גבוהים. היא אינה מצריכה טמפרטורה גבוהה ואחריה זמני קירור מהירים, וכן אינה דורשת בקרה על גורמים סביבתיים כגון לחות. הדגמה חזותית של טכניקה זו היא קריטית, מכיוון שייצור סיבים מיקרופלואידיים אינו נפוץ כמו שיטות אחרות, ולכן עשוי להיות קשה להמשיגו ללא צפייה בתהליך.מבחינה חזותית, שיטה זו שימשה לייצור של מיקרו-סיבי פולימר. אותם עקרונות מיושמים במעבדה שלנו לפיתוח מערכות אחרות, כגון מיקרו-כלי דם. רעיון זה עלה אצלנו בתחילה בעת צפייה במערכות של מיקרו-מערבלים וזרימה של ציטומטריה זורמת על גבי שבב במיקרוסקופ קונפוקלי.כפי שראינו, התפתחו חתכים רוחביים מעוטרים ויציבים. השערנו כי באמצעות הוספת תמיסת פולימר, ניתן יהיה לקבע את הצורות באמצעות פוטו-פולימריזציה באופן רציף ובקלות יחסית. את הפרוצדורה ידגימו מייקל דניאל וedרל בויד, פוסט-דוקטורנטים מהמעבדה שלי.ראשית, הרכיבו התקן זרימת מעטפת (sheath flow device) שתוכנן מראש מלמטה למעלה, על ידי הנחת לוחית קיבוע אחת בתחתית, לאחר מכן שכבת COC (cyclic olefin copolymer), ואת לוחית הקיבוע הנותרת. ודאו שחריצי העיצוב מיושרים זה לזה לאורך קצוות התעלה, ושגיאומטריות עיצוב הנוזלים בשכבות ה-COC חופפות באופן מושלם. הכניסו ברגים דרך מרכז ההתקן, ובעזרת מברגה חשמלית, הדקו את האומים והברגים כדי לסגור את ההתקן, תוך מעבר לסירוגין משמאל לימין של המרכז.חזור על השלב הקודם מהמרכז כלפי חוץ כדי לקבע את היישור ולמנוע דליפות. הוסף את תושבת הכניסה (inlet chuck) כאשר תגיע לחורי ההרכבה שלה, והמשך בהברגת הברגים באופן לסירוגין. לאחר מכן, חבר את התקן זרימת המעטפת (sheath flow device) לצינור tigon.הדקו ידנית את כל החיבורים באמצעות מחברי HPLC סטנדרטיים, התקינו את המכשיר באופן אנכי באמצעות מעמד טבעת ומסבך, וודאו שהמכשיר אנכי באמצעות פלס בחלק העליון ביותר. לאחר מכן, מקמו את מקור ה-UV בניצב במרחק של כסנטימטר אחד מפני ה-COC של מכשיר זרימת המעטפת, כך ששלושת עד חמשת הסנטימטרים האחרונים של המיקרו-ערוץ יקבלו קרינה. מלאו מזרק עם קצה לור (lure tip) בנפח של 1 ml ב-PEG 400 שישמש כנוזל ליבה שאינו פולימרי, ומלאו מזרק עם קצה לור בנפח של 30 ml ב-PEG 400 שישמש כנוזל המעטפת.בשלב הבא, הוסיפו לתמיסת קו תיול שהוכנה טרם השימוש ארבע פעמים 10⁻⁴ מול של DMPA כיוזם פוטוכימי בתוך מבחנה קטנה. לאחר ערבוב של כשתי דקות, מלאו מזרק עם קצה תחתון העטוף בנייר אלומיניום בנפח של 5 mL בתמיסת פולימר מקדם. לאחר מכן, מקמו את מוצא התעלה המיקרופלואידית בתוך אמבט איסוף המכיל מים.הגדירו את משאבות המזריקים של הליבה, המעטפת ונוזל המעטפת להזרמה בקצב של 30, 30 ו-120 microliters per minute בהתאמה. לאחר מכן, הזינו את קטרי המזריקים המתאימים למשאבות המזריקים. לאחר מכן, התקינו את המזריקים במשאבות המזריקים המתאימות להם וחברו אותם למכשיר זרימת המעטפת.באמצעות צינור tigon בעל הגנה מפני UV, הפעל את זרימת נוזל המעטפת כדי להזרים את התקן זרימת המעטפת ולהוציא אוויר מהמערכת. בצע בדיקה ויזואלית של המיקרו-תעלה והקדש תשומת לב מיוחדת לחריצי העיצוב כדי לוודא שלא נותרו בועות אוויר במיקרו-תעלה לפני המעבר לשלב הבא. אם קיימות בועות אוויר, נער את ההתקן על ידי סיבוב ו/או טפיחות קלות בזמן הזרימה כדי לשטוף אותן החוצה מההתקן.הפעל את זרימת נוזל המעטפת (cladding fluid), ואפשר לזרימה להתייצב. לאחר בדיקת המיקרו-תעלה ושטיפת בועות האוויר, הפעל את נוזל הליבה וודא שאין בועות במערכת באופן דומה לשלב הקודם. לבסוף, הדלק את מקור ה-UV ועקוב אחר אמבט האיסוף כדי לוודא ייצור רציף של הסיב האופטי החלול בעת פליטתו יחד עם נוזל המעטפת (sheath fluid).הוצא את הסיב מאמבט האיסוף; כדי ליצור סיבים חלולים נעשה שימוש בתכנון פשוט דו-שלבי המשתמש בחריצי עיצוב ובשלוש כניסות של תמיסות. סימולציות Comsol שימשו לקביעת יחסי ספיקת הזרימה המתאימים להשגת הגודל הרצוי של חתך הרוחב. שילוב של כרסום ויציקה הפיק את הרכיבים עבור מכלול זרימת המעטפת לצורך ייצור הסיבים.הפולימריזציה של חומר המעטפת הופעלה על ידי מקור אור UV, וסיבים חלולים נדחפו מהמיקרו-תעלה אל תוך אמבט האיסוף. ייצור הסיבים נמשך מספר דקות והניב סיב בודד באורך של למעלה ממטר אחד. הסיבים שיוצרו בתנאים אלה היו בקוטר של כ-200 micrometers.מבנה הסיבים הודגם באמצעות מיקרוסקופיה אופטית ואלקטרונית. לסיבים היה צורה אליפטית עם ליבה חלולה. פעולת נימיות שימשה להחדרת נוזל ובועות אל פנים הסיב, ובכך אושש כי המבנה החלול הוא רציף לאורך הסיב.לאחר השליטה בתהליך, הוא עשוי להימשך כ-45 דקות בלבד. זמן זה כולל את הגדרת התעלה, הכנת התמיסות, ייצור הסיבים ואיסוף הסיבים. לאחר צפייה בסרטון זה, תהיו בעלי הבנה טובה כיצד לתכנן ולהרכיב תעלה מיקרופלואידית לייצור מיקרוסיבים חלולים.אל תשכחו כי בעת עבודה עם כימיקלים מסוכנים והקרנה ב-UV, עליכם תמיד ללבוש את ציוד המגן האישי שלכם.

microfluidic-fabrication-polymeric-biohybrid-fibers-with-predesigned

Research

JoVE Journal

Bioengineering

הנדסה ביולוגית

אנו מציגים שני תהליכים עבור microfabrication של שבבי פולימרי נקבובי לעיבוד תלת ממדי התא. הראשון הוא הבלטות חם בשילוב עם תהליך אדי ריתוך ממס. השני משתמש בתהליך microthermoforming פיתחה לאחרונה בשילוב עם טכנולוגיית מעקב יון המוביל פישוט משמעותי של ייצור.

Microfabrication של שבב בגודל פיגומים לעיבוד תלת ממדי נייד

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.

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

אנו מציעים טכניקת הרכבה עצמית פשוטה של ננו-חלקיקים קולואידיים של סיליקה כדי ליצור צומת ננו-פלואידית בין שני מיקרו-ערוצים בפולידימתילסילוקסן (PDMS). באמצעות טכניקה זו, קרום חרוז ננו-נקבובי בגודל נקבוביות של עד ~45 ננומטר נבנה בתוך מיקרו-ערוץ והוחל על ריכוז מוקדם אלקטרוקינטי של דגימות DNA.

יצירת צומת תת-50 ננומטר ננו-נוזלי ב PDMS Microfluidic שבב באמצעות תהליך ההרכבה העצמית של חלקיקים קולואיד

פרוטוקולים מתוארים להרכבת מתכלה thermoresponsive hydrogels מבוסס על hydrazone cross-linking של oligomers פולימריים על הסולם בתפזורת, microscale, ו ננו, והשני עבור הכנת ג'ל חלקיקים והן nanofibers.

בדיית Thermoresponsive Hydrogels מתכלה-פיסיקליות מרובים באמצעות שחול תגובתי, מיקרופלואידיקה, הרכבה עצמית, Electrospinning

פרוטוקול זה מתאר את היישום של פירוק הידרוג'ל מונחה תמונה ומבוסס לייזר לייצור רשתות מיקרופלואידיות ביו-נוזליות הנגזרות מכלי דם המוטמעות בהידרוג'לים פולי (אתילן גליקול) דיאקרילט (PEGDA). מערכות מיקרופלואידיות ביומימטיות אלו עשויות להיות שימושיות עבור יישומי הנדסת רקמות, יצירת מודלים של מחלות מבחנה וייצור מכשירים מתקדמים "על שבב".

תמונה מונחה, ייצור מבוסס-לייזר של רשתות Microfluidic הנגזרות דם

אסטרטגיית הייצור מוספים לעיבוד UV-crosslinkable hydrogels פותחה. אסטרטגיה זו מאפשרת הרכבה שכבה אחרי שכבה של מבנים הידרוג microfabricated, כמו גם ההרכבה של רכיבים עצמאיים, מניב מכשירים משולבים המכילים רכיבים לזוז כי הם מגיבים הופעה מגנטי.

תוסף טכניקת הייצור עבור הזיוף נתיישב ומהירה של מבוססי הידרוג Micromachines עם רכיבים תגובה מגנטית

מספר שיטות זמינות עבור הזיוף של ערוצי סעיפים מלבני מוטמע במכשירים microfluidic polydimethylsiloxane. רובם לערב רב שלבי הייצור ויישור נרחב. בנייר זה, גישה חד-שלבית הוא דיווח עבור בדיית microfluidic ערוצים של חתכי רוחב גיאומטריות שונות על ידי איכול רטוב רציפים polydimethylsiloxane.

הגישה של צעד אחד בדיית Polydimethylsiloxane Microfluidic אפיקי מקטעים גיאומטריים שונים בתהליכים רציפים איכול רטוב

כאן, אנו מציגים פרוטוקול המתאר את ייצור של הערוץ מתיחה, כפול, איברים שבב microfluidic תא תרבות מכשירי recapitulating איברים ברמת פונקציונליות בתוך חוץ גופית.

ייצור מדרגי של הערוץ מתיחה, כפול, צ'יפס Microfluidic איברים

כאן אנו מציגים פרוטוקול כדי לעצב והרכיבו מכשירים מיקרופלואידים מותאמים אישית עם השקעה פיננסית וזמן מינימלי. המטרה היא להקל על אימוץ טכנולוגיות microflu, מעבדות מחקר ביו והגדרות חינוכיות.

ייצור מהיר של התקני מיקרופלואידיג מותאמים אישית למחקר וליישומים חינוכיים

הפרוטוקול הנוכחי מתאר ייצור של מיקרוספרות נקבוביות פתוחות מאוד (HOPMs) המבוססות על פולי(חומצה לקטית-קו-גליקולית) באמצעות טכנולוגיית מיקרופלואידית מבוססת תחליב יחיד. למיקרוספרות אלה יש יישומים פוטנציאליים בהנדסת רקמות ובבדיקת תרופות.

ייצור מיקרוספרות נקבוביות פתוחות במיוחד (HOPMs) באמצעות טכנולוגיה מיקרופלואידית

פרוטוקול זה מתאר שלוש שיטות אטימה פשוטות לייצור מכשיר מיקרופלואידי היברידי המשלב רכיבי פוליקרבונט וסיליקון. על ידי יישום קשרי ממס, דחיסה תרמית ואסטרטגיות דחיסה מכנית, אנו מאפשרים טכניקות אטימה אמינות בטמפרטורות נמוכות, הנמנעות מציוד מיוחד למכשירים מיקרופלואידיים היברידיים.

שיטות בנייה למכשירים מיקרופלואידיים היברידיים מפוליקרבונט-סיליקון

למדו לייצר סיבים מיקרופלואידיים חלולים בקוטר של כ-200 מיקרומטר באמצעות ערוץ עם חריצים ופולימריזציה ב-UV. השיטה מאפשרת שליטה מדויקת בצורה ובגודל הסיבים ליישומים במדעי החומרים.

ייצור מיקרופלואידי של סיבים פולימריים וביוהיברידים עם גודל וצורה מעוצבים מראש

גלה סרטונים נוספים