ציור, Hydrophobicity-המתבנת הרבה חוטים Polydimethylsiloxane סיליקון
7 בינואר 2019
כאן, אנו מציגים פרוטוקול להפקת חוטים ארוכים של סיליקון polydimethylsiloxane (PDMS) על-ידי כוח הכבידה-ציור באמצעות תנור. חוטים הסדר של מיקרון מאות, עשרות ס מ אורך והם hydrophobically patternable באמצעות מערכת פריקה corona שבשליטת Arduino.
Polydimethylsiloxane הוא חומר רב-תכליתי שלא ניתן היה להפוך אותו לתריסים ארוכים עד כה. בעוד סיליקון תריסים עשויים להיות יישומים אריגה או ייצור תוסף, אנו מעוניינים במיוחד בהם כמו foldamer מודל. ייצור מדרגי מופעל על ידי ציור כבר ריפוי סיליקון דרך תנור צינור.
אנו גם מדגימים דרך לשנות את פני השטח של תריסי הסיליקון באמצעות משחרר קורונה מבוקר מחשב. תזמון בהליך זה הוא חיוני כי הפולימר הוא ריפוי ברציפות. שמור על שעון חם בקרבת מקום, והיה מוכן לשלב הבא מראש.
ללא הדגמה חזותית, התהליך הדינמי של יצירת תריסים לא היה מתרבה בקלות. התהליך כרוך במספר שלבים רגישים לזמן הדורשים ממך להסתגל לתנאים מתפתחים. כדי להתחיל, לחבר 1/8 אינץ' קוטר פנימי צינורות סיליקון בטמפרטורה גבוהה לאוויר דחוס דרך שסתום מדידה.
חבר את הקצה השני של הצינור למתאם שאקסטרוזיה מפליז עם צמצם בקוטר 2.15 מ"מ. לאחר מכן, לתקן את תנור צינור קרמי גלילי אנכית ברדס אדים, שני מטרים מעל הרצפה של מכסה המנוע. מניחים רדיד אלומיניום מתחת לכבשן כדי לתפוס PDMS עודף במהלך הבלטה.
הר את מתאם ההבלטה מעל תנור הצינור עם הצמצם מרוכז על פתח התנור. ודא כי התנור הוא לא בזווית, כך תריסים מובלטים לא ליצור קשר עם התנור. לאחר מכן, לצרף למות עם חתך עגול extruder ולהשתמש עניבת רוכסן כדי לחבר צינורות גומי סיליקון בטמפרטורה גבוהה קצת extruder.
חבר את הקצה השני של הצינור למתאם ההבלטה. לכוון מדחום אינפרא אדום לכיוון התנור ולאחר מכן לחמם את התנור עד הטמפרטורה הפנימית היא כ 250 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, להזיז את התנור מתחת למתאם ההבלטה, כך המתאם לא להתחמם לפני ייצור תריס מתחיל.
לאחר מכן, להתחיל התחממות מראש צינור מדגם חד פעמי ל 65 מעלות צלזיוס ב viscometer שיכול למדוד 200 עד 10,000 מיליפסקל שניות. בדוק את היתרה, הגדר את קצב הסיבוב לחמישה סל"ד והגדר את קצב המדידה לפעם בדקה. בעוד הצינור מדגם מתחמם, לערבב 18 גרם של בסיס PDMS עם 1.8 גרם של סוכן ריפוי, בסירה שקילה.
Degas תערובת PDMS ביודש ואקום בטמפרטורת החדר במשך 15 דקות, או עד שלא נשארות בועות בתערובת. מעת לעת לפרוק את desiccator לבועות פופ ליד פני השטח. לאחר מכן להסיר את הצינור מדגם שחומם מראש מן viscometer.
יוצקים לתוכו את תערובת ה-PDMS המוגזת, ומכניסים את הצינור בחזרה לתוך המד הקרביים. התחל מיד את רצף המדידה. כאשר צמיגות PDMS דינמי מגיע ארבעת אלפים מיליפסקל שניות, שים לב לזמן, ולאחר מכן להשתמש צבת כדי להסיר את צינור המדגם מן viscometer.
מיד לשפוך את תערובת PDMS לתוך extruder טמפרטורת החדר. אשר כי התנור הוא ב 250 מעלות צלזיוס ולחכות עד PDMS כבר מחוץ ל viscometer במשך כארבע דקות. לאחר מכן, להזיז את התנור מתחת מתאם שאקסטרואציה וליישר את המחט הפנימית של המתאם עם תנור הצינור.
לסובב את בורג extruder על ידי חצי מהפכה ולהתחיל לאסוף את התסיסה על מקל עץ. כל שלוש עד חמש שניות, לסובב את extruder עוד חצי מהפכה כדי לשמור על הזרם היציב של PDMS. חלון צמיגות לציור תריסים הוא צר מאוד.
אם צמיגות נמוכה מדי, המתן 30 שניות ונסה שוב. ה-PDMS ימשיך להצליב בטמפרטורת החדר. הניחו את התריסים המצוירים על פני מתלי עץ כדי לרפא.
תן את תריסים לרפא בטמפרטורת החדר במשך 12 שעות כאשר סיים. כדי להתחיל בתהליך התבניות, הגדר את מכלול הדוגמאות במכסה המנוע של האדים ושלח את התבנית הרצויה למעבד המיקרו. לאחר מכן, לשטוף תריס PDMS נרפא עם 1%נתרן דודצ'יל סולפט.
ולשטוף אותו ביסודיות במים טהורים במיוחד. הסר טיפות גלויות של מים עם אוויר דחוס ולתת את התכלת לסיים להתייבש באוויר הסביבה. לאחר מכן, לקשור קו דיג לא מוליך כדי לחתוך עגול מתוך מגש סיבי לא מוליך.
הניחו את תריס ה-PDMS היבש מעל החלק המרכזי של המגש ואבטחו אותו במקום עם סרט דו-צדדי. מכניסים את המגש לקופסת פריקה מאווררת של קורונה ומבטיחים שהוא ישר. מניחים לוח מתכת מתחת למגש התריס כך שהתנור מיושר לאורך קצה הלוח.
הר אלקטרודה פריקת קורונה כשלושה מילימטרים מעל התסיסה, ולחבר את משתחרר קורונה לבקר מיקרו. תקן את הקצה החופשי של הקו הלא מוליך ל ציר המותקן על מנוע הצעד, ומבטיח שהקו מתוח. הפעל את תוכנית בקר מיקרו כדי דפוס את התסיסה עם חלקים הידרופיליים.
חוטי PDMS המיוצרים בשיטה זו היו בקוטר של כ-200 מיקרומטר ובאורך של עד 0.5 מטרים. הסרת ה- PDMS מחום לפני צמיגותו הייתה גבוהה מספיק לציור סדקים, ולתת לו לחצות קישור בטמפרטורת החדר במשך ארבע וחצי דקות, האריך את חלון הזמן שבו ניתן לסובב את הכלים לארבע דקות. ההצלחה של דפוסי הקורונה אושרה באמצעות מדידות זווית מגע טיפה.
מים יצרו טיפות סימטריות בצורת חבית על ה-PDMS ההידרופילי שטופל בקורונה, ו טיפות אסימטריות בצורת קליפה על ה-PDMS ההידרופובי הלא מטופל. המפתח להליך זה הוא שאתה מתפעל את צמיגות PDMS עם זמן וטמפרטורה. צמיגות עולה עם הזמן כפי שהוא crosslinks וריפוי מאיץ בטמפרטורות גבוהות יותר.
הגישה של ריפוי חלקי פולימר וציורו דרך תנור צינור, עשוי להיות מותאם פולימרים נרפא טמפרטורה אחרים. סיבי אלה גמישים מספיק כדי לאמץ קונפורמציות רבות, ואת האזורים הידרופובי לדבוק רגשית יחד במים. אנו לומדים כיצד דפוס ההידרופוביות של התבלינים משפיע על מסלולי הקיפול שלהם.
PDMS יכול לטפטף על הכבשן ולייצר להבה קטנה. בזהירות ליישר את extruder עם הכבשן במהירות לנקות את כל הפסולת מן התנור עם נדוניה עץ.
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול להפקת סיבים ארוכים של סיליקון פולידימטילסילוקסאן (PDMS) באמצעות טכניקת מתיחה בכוח הכבידה דרך כבשן. הסיבים, שקוטרם מאות מיקרומטרים ואורכם עד חצי מטר, ניתנים לתבנית הידרופובית באמצעות מערכת פריקת קורונה הנשלטת על ידי Arduino.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדע החומרים
- הנדסת פולימרים
- שינוי פני שטח
רקע
- פולידימתילסילוקסן (PDMS) הוא חומר סיליקון רב-תכליתי.
- ייצור פילמנטים ארוכים היה מאתגר עד כה.
- לסיבים יש יישומים פוטנציאליים באריגה ובייצור תוספי.
- טכניקות לשינוי פני השטח יכולות לשפר את הפונקציונליות.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה ניתנת להרחבה לייצור סיבי PDMS.
- בחינת תבניות פני השטח של PDMS עבור יישומים ספציפיים.
- חקירת השפעות ההידרופוביות על מסלולי הקיפול של הסיבים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- חיבור צינורות סיליקון למערך של אקסטרודר וכבשן.
- ערבוב בסיס PDMS עם חומר מעבד (curing agent) וניקוז בועות אוויר (degassing) מהתערובת.
- בקרת טמפרטורה וצמיגות במהלך משיכת הסיבים.
- שימוש בפריקת קורונה ליצירת תבניות שטח על פני הסיבים.
תוצאות עיקריות
- הסיבים שהופקו היו בקוטר של כ-200 micrometers ובאורך של עד 0.5 meters.
- תבנית פני השטח המוצלחת אוששה באמצעות מדידות זווית מגע של טיפות.
- מניפולציה של הצמיגות הייתה המפתח להפקת הסיבים.
- ניתן להתאים את השיטה עבור פולימרים אחרים המקשחים בטמפרטורה.
מסקנות
- הפרוטוקול שפותח מאפשר ייצור של סיבי PDMS ארוכים.
- תבניות הידרופוביות משפיעות באופן משמעותי על מסלולי הקיפול.
- גישה זו פותחת אפיקים למחקר נוסף ביישומים של פולימרים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסמך ניהולי
שיטה זו מאפשרת ייצור בקנה מידה רחב של סיבי PDMS ארוכים הניתנים לתבנית, ובכך נותנת מענה למגבלה מרכזית של חומרים במערכות ביו-מימטיות ומערכות הנדסה זעירה. על ידי אספקת נתיב לשליטה ברמת ההידרופוביות לאורך גב הסיב, היא תומכת בהפחתת סיכונים במחקרים מכניסטיים של קיפול והרכבה עצמית דמויי פפטידים. הגישה מציעה פלטפורמה הניתנת לשחזור ליצירת רכיבים מבוססי סיליקון עם תכונות פני השטח מבוקרות עבור תיקוף יעדים ופיתוח בדיקות בשלבים מוקדמים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של השפעות רצפים אמפיפיליים על דינמיקה קונפורמציונית במערכות פולדמר (foldamer) מודליות.
- ערך תפעולי: מספק פילמנטים סטנדרטיים וארוכים עם תכונות פני powierzchniות תבניות עבור בדיקות קישור או הרכבה הניתנות לשחזור.
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- ערך מדעי: יצירת סיבי סיליקון עקביים וחדירים לגז, המתאימים לממשקי חיישנים מיקרופלואידיים או למחקרי סביבה מיקרוסקופית תאית.
- ערך תפעולי: תמיכה בייצור רכיבים תבניתיים הידרופיליים/הידרופוביים רב-פעמיים לשילוב בלוחיות רב-בארים או בפלטפורמות של איבר-על-שבב.
מחקר טרנסלציונלי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מקל על ניתוח מבנה-תפקוד של תבניות הידרופוביות המכוונות את נתיבי הקיפול של פפטיד-מימטיקה הרלוונטיים למעורבות במטרה.
- ערך תפעולי: מאפשר ייצור של פילמנטים ארוכים וגמישים לצורך בניית אב-טיפוס פרה-קליני של רכיבי חיישנים להשתלה או ללבישה הדורשים חדירות גזים.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
השיטה משתלבת בתהליכי גילוי ראשוניים שבהם נדרשים כימיה של פני השטח מבוקרת וגמישות מכנית כדי למדל אינטראקציות ביו-מולקולריות או לסרוק תגובות סביבתיות.
- ביולוגיה של תגליות: תומך בבחינת השערות לגבי האופן שבו תבניות פני שטח משפיעות על הרכבה עצמית או על קינטיקה של קישור בסביבות מימיות.
- סריקה: מספק סיבים מוכנים לבדיקה עם ניגודיות הידרופוביות כמותית לצורך סריקת השפעות של תרכובות על יציבות סיבים או אגרגציה.
- אנליטיקה: מאפשר מדידות זווית מגע כקריאה כמותית להצלחת שינוי פני השטח ועקביות בין סדרות ייצור.
- מחקר תרגומי: מקשר בין התנהגות קיפול של סיבים למודלים פרה-קליניים של אגרגציית פפטידים או אינטראקציה עם ממברנות.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמה לשימוש חוזר ליצירת סיבי סיליקון במספר פרויקטים הדורשים תכונות פני שטח ניתנות לכיוונון.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: משפר את הביטחון החיזוי במודלים של קיפול המונע על ידי אמפיפיליות ואינטראקציות דמויות מטרה.
- ערך תפעולי: מבטיח הדירות באמצעות משיכה מבוקרת צמיגות ותבנית קורונה אוטומטית.
- ערך אסטרטגי: מקצר את לוחות הזמנים להפחתת סיכונים ביולוגיים על ידי מתן אפשרות לאיטרציות מהירות של תבניות הידרופוביות באנלוגים של פולדמרים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בהחלטות go/no-go בפרויקטים בשלבים מוקדמים הבוחנים חומרים ביומימטיים מבוססי סיליקון או ממשקי חיישנים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בראולוגיה של פולימרים ובניטור צמיגות במהלך קשירה צולבת.
- דורש גישה לתנור צינורי, ויסקומיטר, מערכת אקסטרוזיה ומערכת פריקת קורונה עם בקר מיקרו-בקר.
- מחייב סטנדרטיזציה של פרוטוקולי התזמון בשל תהליך הפולימריזציה הרציף וחלונות הצמיגות הצרים.
- כולל שיקולי התאמה בעת העברת השיטה לפולימרים אחרים המקשחים בחום עם קינטיקה שונה של קשירה צולבת.
- כולל מגבלות מעשיות כגון הגבלות על קוטר הסיב ורגישות ללחות סביבתית במהלך יצירת התבניות.
