Microfluidic מבוסס סינתזה של מסגרות אורגני קוולנטי (COF): כלי לייצור רציף של סיבים COF והדפסה ישירה על משטח
10 ביולי 2017
אנו מציגים שיטה חדשה microfluidic מבוסס סינתזה של מסגרות אורגניות קוולנטיים (COF). אנו מדגימים כיצד גישה זו יכולה לשמש לייצור סיבי COF רציפה, וגם 2D או 3D מבנים COF על משטחים.
המטרה הכוללת של גישה זו היא להדגים כיצד ניתן להשתמש בפלטפורמה מבוססת מיקרופלואידיקה כדי לייצר סיבים רציפים של מסגרות אורגניות קוולנטיות (covalent organic frameworks), שניתן להדפיס על משטחים ליצירת מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים. למרות ההתקדמות הבולטת בסינתזה של מסגרות קוולנטיות ואורגניות, פיתוח שיטה להקלת יכולת העיבוד של חומרים אלה נותר אתגר, מה שהופך גישה זו למבטיחה מאוד. שיטה זו תורמת ביעילות לתחום החומרים הגבישיים באמצעות הצגת גישה סינתטית חדשנית לייצור סיבים רציפים של מסגרות קוולנטיות ואורגניות, ובכך משפרת את יכולת העיבוד שלהם.
כדי להתחיל בייצור המכשיר, הניחו בתוך מנדף כימי תבנית מאסטר מסיליקון, שיוצרה מסיליקון וייפר של ארבעה אינץ', בתוך דסיקטור ואקום. העבירו 100 µl של trimethylsilyl chloride אל מבחנה מזכוכית והניחו את המבחנה בתוך דסיקטור הוואקום. סגרו את הדסיקטור וחברו אותו למשאבת ואקום.
אפשרו לאדי trimethylsilyl chloride לשקוע על פני השטח של תבנית המאסטר למשך שעה אחת. לאחר מכן, שחררו את האוויר מהדסיקטור באיטיות. הוציאו את תבנית המאסטר שעברה סילניזציה וסגרו את הדסיקטור.
יש לאחסן את התבנית הסילניזית במכל סגור או במנדף זרימה למינרית. לאחר מכן, בכוס חד-פעמית, השתמשו בשפכטול פלסטיק כדי לערבב יחד אלסטומר PDMS וחומר מקשה ביחס משקלי של 10:0.9. בצעו ניקוון של התערובת במייבש ואקום למשך 30 דקות.
לאחר מכן, הניחו בזהירות ארבע מסגרות PTFE על תבנית המאסטר, כך שכל מסגרת תקיף תבנית אחת על התבנית. מזגו את תערובת ה-PTMS לתוך המסגרות ומעל התבנית עד למילוי מלא. השריו את ה-PDMS בתנור בטמפרטורה של 70 degrees celsius למשך שעתיים, ולאחר מכן הוציאו את התבנית מהתנור והניחו לשבבי ה-PDMS להתקרר לטמפרטורת החדר במנדף זרימה למינרית.
לאחר הקירור, הפרידו בזהירות את המסגרות מהתבנית בעזרת הידיים. החליקו בעדינות את שבבי ה-PDMS מהמסגרת. השתמשו במחץ ביופסיה של 1.5 millimeter כדי להכין חורי כניסה ויציאה בקצוות של הערוצים המיקרו-פלואידיים שבשבבים.
יש לגזור את עודפי ה-PDMS מהשבבים ולנקות את פני השבב ואת פני לבידה הזכוכית בעזרת סרט דביק. יש להניח את השבבים הנקיים בתוך מחולל פלזמה כאשר התעלות הפתוחות פונות כלפי מעלה, יחד עם ארבע לבידות זכוכית. יש לשאוב את האוויר מתא הדגימה ולהפעיל את המחולל למשך דקה אחת.
לאחר מכן, שחררו את האוויר מהתא והוציאו את השבבים ולוחיות המכסה שעברו טיפול בפלזמה. הצמידו כל שבב ללוחית מכסה מטופלת כאשר התעלים הפתוחים פונים כלפי מטה, על ידי לחיצה עדינה של השבב על לוחית המכסה. הניחו את שבבי המיקרו-פלואידיקה שהתקבלו בתנור בטמפרטורה של 70 °C למשך ארבע שעות לפחות כדי לחזק את ההדבקה בין ה-PDMS לזכוכית.
כדי להתחיל בהכנות לסינתזה, שאבו שלושה מיליליטר של 40 milli molar BTCA בחומצה אצטית למזרק של חמישה מיליליטר. שאבו שלושה מיליליטר של 40 milli molar TAPB בחומצה אצטית למזרק נוסף של חמישה מיליליטר. השתמשו בצינוריות PTFE בעלות קוטר פנימי של 0.8 מילימטר וחברו את הצינוריות מצד אחד למזרקים.
הרכבו את שתי המזרקים על משאבת מזרקים. לאחר מכן, מלאו שני מזרקים של 5 milliliters בחומצה אצטית, השתמשו בצינורות PTFE בעלי קוטר פנימי של 0.8 millimeters וחברו את הצינורות מצד אחד למזרקים. אחתו מזרקים אלה בתוך משאבות המזרקים.
לאחר מכן, השג שבב מיקרו-פלואידי בעל שכבה אחת וארבעה תעלות. חבר את הצד השני של צינורית ה-PTFE לכניסות של ההתקן המיקרו-פלואידי וחבר את המזרקים לכניסות התעלות החיצוניות. חבר את צינורית ה-PTFE באורך 15 סנטימטר ליציאת השבב.
קבעו את קצה הצינורית בתוך צלחת פטרי של 60 מילימטר המכילה 10 מיליליטר של חומצה אצטית. הניחו כיסוי זכוכית לצד צלחת הפטרי. הגדירו כל משאבת מזרק לקצב זרימה של 100 מיקרוליטר לדקה והפעילו את המשאבות.
המתינו דקה אחת עד להתייצבות הזרימה תוך ניטור היווצרות סיב ה-MF-COF בשבב. שנו את קצבי הזרימה של החומצה האצטית ובדקו את צינור היציאה. אם זרימות המעטפת של החומצה האצטית גבוהות מדי ביחס לזרימות ה-BTCA וה-TAPB, תהיה תגליה של המבנה המיקרוסקופי של סיב ה-MF-COF מדוללת מדי מכדי ליצור סיב רציף.
אם זרימות המעטפת של חומצה אצטית נמוכות מדי ביחס לזרימות הריאגנטים, הריכוז הגבוה של סיבי MF-COF יסתימה את צינור היציאה. הגדירו כל מזרק לקצב זרימה של 100 microliters per minute והמתינו דקה עד להתייצבות הזרימות. לאחר שהזרימות התייצבו וסיב ה-MF-COF הרציף הגיע לקצה צינור היציאה, החזיקו את קצה הצינור, מספר מילימטרים מעל הפנימה.
הזז את המבחנה באיטיות כדי ליצור מבנה MF-COF. התכונות המכניות המתאימות, הנובעות מהארגון המיקרוסקופי של ה-MF-COF, מאפשרות להשתמש בסיבי MF-COF ליצירה קונפורמית של מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים על סראפאזיס. הרם את המבחנה באיטיות לגובה של שני עד שלושה סנטימטרים מהפני השטח כדי להפיק סיב MF-COF יציב העומד באופן עצמאי.
הורד את המבחנה באיטיות כדי להמשיך בשרטוט של מבנה דו-ממדי (2D) או תלת-ממדי (3D) ישירות על לבידה הכיסוי. סיבי MF-COF סונתזו מ-TAPB ו-BTCA, תוך שימוש בהתקן מיקרו-פלואידי בעל ארבעה ערוצים. מיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת הראתה כי הסיבים מורכבים מסיבי מיקרו וננו מקושרים במבנים נקבוביים דמויי ספוג בתלת-ממד, המעניקים את התכונות המכניות הדרושות להדפסת מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים.
מבני 2D MF-COF הודפסו על משטחי זכוכית באמצעות שרטוט צורות בזמן שהסיב נוצר באופן רציף. הדיוק היחסי של תהליך ההדפסה הודגש עוד יותר בניסויי כתיבה על זכוכית. הסיבים לא התמזגו כאשר הודפסו זה מעל זה, דבר שאפשר הדפסה של מבני 3D.
In addition to glass, MF-COF structures were printed on tissue paper, cardboard, aluminum foil and polystyrene. While attempting this procedure, remember to perform all the steps for the fabrication of the micro-fluidic device inside the laminar flow hood and all the synthesis steps that involve handling of acetic acid under a fume hood. After its development, this technique paves the way for the researchers in the field of crystalline materials to explore new technological applications requiring advance patterning of 2D and 3D structures made of crystalline fibers and various seraphasis.
לאחר צפייה בסרטון זה, תגיעו להבנה טובה של אופן הסינתזה של סיב רציף של מסגרות אורגניות קוולנטיות (covalent organic frameworks) באמצעות פלטפורמה מיקרו-פלואידית, וכיצד להדפיס את הסיב המיוצר בשיטת seraphasis ליצירת מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג שיטה חדשנית מבוססת מיקרופלואידיקה לסינתזה של מסגרות אורגניות קוולנטיות (COFs). הגישה מאפשרת ייצור של סיבי COF רציפים ויצירת מבני COF דו-ממדיים ותלת-ממדיים על פני שטח.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- מדע החומרים
- מיקרופלואידיקה
- מסגרות אורגניות קוולנטיות
רקע
- מסגרות אורגניות קוולנטיות הן חומרים מבטיחים הודות לתכונותיהם הניתנות לכיוונון.
- שיטות סינתזה מסורתיות ניצבות בפני אתגרים בנוגע ליכולת העיבוד.
- טכניקות מיקרופלואידיות מציעות בקרה מדויקת על תנאי הסינתזה.
- מחקר זה שואף לשפר את יכולות הייצור של COFs.
מטרת המחקר
- להדגמת פלטפורמה מיקרופלואידית לסינתזה של COF.
- להפקה של סיבים רציפים של COFs.
- ליצירת מבני COF דו-ממדיים (2D) ותלת-ממדיים (3D) על משטחים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- ייצור תבנית מאסטר מסיליקון מסיליקון וייפר (silicon wafer).
- שימוש ב-trimethylsilyl chloride בתוך דסיקטור ואקום.
- טכניקות מיקרופלואידיות עבור סינתזה מבוקרת.
- אפיון של מבני COF שהופקו.
תוצאים עיקריים
- ייצור מוצלח של סיבי COF רציפים.
- הדגמה של מבני COF דו-מממדיים (2D) ותלת-מממדיים (3D) על פני שטח.
- שיפור היכולת לעיבוד של מסגרות אורגניות קוולנטיות.
- הצגת גישה סינתטית חדשנית לייצור COF.
מסקנות
- השיטה המיקרופלואידית היא התקדמות מבטיחה בסינתזה של COF.
- גישה זו מקלה על יצירת מבני COF מורכבים.
- יישומים פוטנציאליים בתחומים שונים הודות ליכולת עיבוד משופרת.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטת סינתזה זו, המבוססת על מיקרופלואידיקה, פותרת את אתגר היכולת לעיבוד של מסגרות אורגניות קוולנטיות (COFs) על ידי מתן אפשרות לייצור סיבים רציף והדפסה ישירה על פני השטח. גישה זו משפרת את הטיפול בחומר עבור יישומים המשכיים בתחומי החישוש, הקטליזה ואגירת אנרגיה, וזאת באמצעות הפיכת אבקות שאינן ניתנות לעיבוד לסיבים ניתנים להדפסה ועמידים מבחינה מכנית. היא תומכת בחקר ראשוני של ציפויים ומבנים פונקציונליים המבוססים על COF מבלי להזדקק לעיבוד של החומר בכמויות גדולות.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר חקירה של קשרי מבנה-תכונה בחומרים גבישיים נקבוביים באמצעות סינתזה מבוקרת של ארכיטקטורות COF הניתנות לכיוונון.
- ערך תפעולי: מספק ייצור הדיר של סיבי COF בטמפרטורת החדר תחת תנאי דיפוזיה מוגדרים, ובכך מפחית את השונות בין סדרות ייצור.
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- ערך מדעי: ייצור סיבי COF גבישיים וסטנדרטיים בעלי נקבוביות מיקרו/ננו מקושרות, לצורך פונקציונליזציה עקבית של פני השטח בממשקי חישה ביולוגית.
- ערך תפעולי: מקל על הכנת שכבות COF המקובעות לפני השטח ללכידת אנליטים, ובכך מאפשר פיתוח של פלטפורמת בדיקה ניתנת להרחבה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך ברציפות תרגומית על ידי מתן אפשרות להדפסה ישירה של מבני COF על מצעים מגוונים (זכוכית, נייר, פולימרים) לצורך בניית אבות-טיפוס של התקני חישה גמישים או לבישים.
- ערך תפעולי: מאפשר חזרה מהירה על גיאומטריות COF דו-ממדיות ותלת-ממדיות להערכה פרה-קלינית של אינטראקציות בין חומר לרקמה ללא צורך בניסוח מחדש של התמיסה.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
שיטה זו משתלבת בתהליך הגילוי כשלב להכנת חומרים המגשר בין הסינתזה ליישום, ותומכת בזיהוי מובילים (leads) באמצעות מערכות נקבוביות הניתנות לכיוונון, ובעבודה פרה-קלינית באמצעות ארכיטקטורות פונקציונליות בעלות תבניות שטח.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בבדיקת השערות על השפעות של חומרים נקבוביים על ידי מתן שליטה מדויקת בגבישיות של COF ובסביבת הנקבים למחקרי מעורבות של מטרה.
- סריקה: מספקת סרטי COF קשורי פני שמוכנים לבדיקה, בעבי ונקבוביות הדירות, להשגת יעילות עקבית של לכידת ליגנדים או אנליטים.
- אנליטיקה: מספקת פלט מבני כמותי באמצעות מורפולוגיית סיבים ומדדי נקבוביות המתואמים עם ביצועים פונקציונליים בקריאות של חישוש או קטליזה.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין שלב הגילוי לרציפות פרה-קלינית באמצעות הדפסה ישירה על מצעים גמישים, מה שמאפשר שילוב התקנים קונפורמיים לבדיקת מודלים in vitro.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמה מיקרופלואידית מודולרית ליצירת סיבי COF לפי דרישה, המפחיתה את בזבוז החומרים ומאפשרת שימוש חוזר בין מספר צוותי פרויקטים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי על ידי הפקת סיבי COF גבישיים דמויי ספוג עם נקבוביות ניתנת לכיוונון למען קורלציה מהימנה בין מבנה לתפקוד.
- ערך תפעולי: מבטיח סטנדרטיזציה ויכולת הרחבה באמצעות ייצור רציף של סיבים תחת קצבי זרימה מבוקרים, ובכך ממזער סטיות בסינתזה.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת החלטות ה-go/no-go על ידי מתן אפשרות לבניית אבות-טיפוס מהירה של ממשקים מבוססי COF, ובכך מפחית סיכונים של אי-תאימות חומרים בשלבים מאוחרים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בקידום מותאם סיכונים על ידי יצירת פורמטים של COF הניתנים לעיבוד בשלב מוקדם, דבר המקל על הערכת ההיתכנות של חומרים גבישיים בהגדרות יישומיות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בייצור התקני מיקרופלואידקה, בחיבור פלזמה (plasma bonding) ובתפעול משאבות מזרק לשליטה מדויקת בנוזלים.
- תלוי בגישה למייבשי ואקום, תנורים, מחוללי פלזמה ותשתיות של צינורות PTFE עבור סינתזת השבבים והולכת הנוזלים.
- מחייב סטנדרטיזציה של יחסי קצבי זרימה ופרוטוקולי נוזל מעטפת (sheath fluid) בין צוותים שונים כדי להבטיח יצירת סיבים הדירה ויציבות של פתחי היציאה.
- כולל שיקולי התאמה בעת הדפסה על מצעים נקבוביים או גמישים (למשל, נייר רקמה, פוליסטירן) כדי לשמור על שלמות הסיבים ועל הדיוק המבני.
- כולל מגבלות מעשיות כגון רגישות לסתימות כאשר קצבי הזרימה אינם מאוזנים, והצורך בטיפול בחומצה אצטית תחת תנאי מנדף כימי.
