Summary
Twee aangrenzende vloeistoffen die door een gegroefd microfluïdisch kanaal gaan, kunnen worden gericht om een schede rond een prepolymeerkern te vormen; waardoor zowel vorm als doorsnede worden bepaald. Foto-geïnitieerde polymerisatie, zoals thiol click chemie, is zeer geschikt voor het snel stollen van de kernvloeistof tot een microvezel met vooraf bepaalde grootte en vorm.
Abstract
Een "schede" vloeistof die door een microfluïdisch kanaal bij laag Reynoldsaantal gaat kan rond een andere "kern" stroom worden geleid en worden gebruikt om de vorm evenals de diameter van een kernstroom te dicteren. Groeven in de boven- en onderkant van een microfluïdisch kanaal zijn ontworpen om de mantelvloeistof te richten en de kernvloeistof te vormen. Door de viscositeit en hydrofieliteit van de schede en kernvloeistoffen op elkaar af te afstemmen, worden de interfaciale effecten geminimaliseerd en kunnen complexe vloeistofvormen worden gevormd. Het regelen van de relatieve debieten van de mantel en kernvloeistoffen bepaalt het dwarsdoorsnedegebied van de kernvloeistof. Vezels zijn geproduceerd met maten variërend van 300 nm tot ~ 1 mm, en vezeldoorsneden kunnen rond, vlak, vierkant of complex zijn zoals in het geval met dubbele ankervezels. Polymerisatie van de kernvloeistof stroomafwaarts van het vormgebied stolt de vezels. Foto-geïnitieerde klikchemieën zijn zeer geschikt voor snelle polymerisatie van de kernvloeistof door bestraling met ultraviolet licht. Vezels met een grote verscheidenheid aan vormen zijn geproduceerd uit een lijst van polymeren, waaronder vloeibare kristallen, poly (methylmethacrylaat), thiol-ene en thiol-yne harsen, polyethyleenglycol en hydrogelderivaten. Minimale afschuiving tijdens het vormproces en milde polymerisatieomstandigheden maakt het fabricageproces ook zeer geschikt voor inkapseling van cellen en andere biologische componenten.
Introduction
De steigers1van het weefsel, samengestelde materialen2,optische mededelingen3,en geleidende hybride materialen4 zijn gebieden van onderzoek die gespecialiseerde polymeervezels gebruiken. Conventionele methoden voor vezelfabricage omvatten smeltextrusie, spinnen, tekenen, gieten en elektrospinnen. De meeste polymeervezels die door deze methoden worden geproduceerd, vertonen ronde doorsneden die ontstaan door oppervlaktespanning tussen het polymeer en de lucht tijdens de fabricage. Vezels met niet-omwikkelde doorsneden kunnen echter de mechanische eigenschappen van composietmaterialen5,6verbeteren, de oppervlakte-volumeverhoudingen verhogen, bevochtiging of wicking7regelen en worden gebruikt als golfgeleiders8 of polarisatoren9.
De productie van gespecialiseerde polymeervezels door microfluïdische systemen die gebruikmaken van één stroom (schedestroom) om een andere stroom (kernstroom) te omringen en vorm te geven, zijn aantrekkelijk vanwege de milde omstandigheden en capaciteit voor continue productie van zeer reproduceerbare vezels. De eerste experimenten produceerden ronde vezels met grootte die van de relatieve stroomsnelheden van prepolymeer en schedevloeistoffen10-12afhangen. De ontdekking dat groeven in de boven- en onderkant van het microfluïdische kanaal de schede konden afbuigen om een vooraf bepaalde vorm voor de kernstroom13,14 te produceren, leidde tot technologie voor het genereren van complexere vezelvormen10-12,15-17.
NRL-onderzoekers hebben de volgende kritieke technische kenmerken13-21aangetoond:
- Een verscheidenheid aan vormfuncties kan worden gebruikt om de mantelvloeistof te richten om de kernstroom te vormen: groeven of richels kunnen worden geconfigureerd als strepen, chevrons of visgraat.
- Een toolbox van deze functies kan worden toegewezen aan het gewenste stroomresultaat.
- Microkanalen kunnen worden gemaakt met behulp van lithografie, gieten, frezen of druktechnieken. De substraatmaterialen mogen niet oplossen of eroderen in de prepolymeer- of manteloplossingen en voor gefotoïnitieerde polymerisaties moeten de externe lagen transparant zijn voor ultraviolet licht.
- De vorm die door een enkele set vormfuncties wordt gecreëerd, kan worden gewijzigd door de stroomsnelheden door het kanaal te wijzigen. COMSOL Multiphysics simulaties van vloeistofstroom in de microkanalen zijn in staat om de resulterende vloeistof- en vezelvormen te voorspellen.
- Het matchen van de viscositeit en fase (hydrofilie) van de schede en kernvloeistoffen is van cruciaal belang om instabiliteit van het kniktype te voorkomen, als gevolg van variatie in afschuifbelasting over de vloeistofinterface. Als er een grote viscositeit of fase mismatch viskeuze knik kan optreden, mogelijk vervormen van de uiteindelijke vezelvorm of zelfs verstopping van het microkanaal.
- Vezels kunnen worden gevormd door gieten of polymeriseren, maar polymerisatie biedt meer controle over de vorm.
- Polymerisatie (stolling van de kernvloeistof) moet plaatsvinden voordat het microkanaal wordt verlaten. Langzamere polymerisatie in het kanaal kan echter een toename van de viscositeit veroorzaken, waardoor de vezelvorm wordt beïnvloed of zelfs het kanaal verstopt raakt. De tijd en locatie van polymerisatiegebeurtenissen moeten zorgvuldig worden gecontroleerd.
- Vanwege hun snelle reactiekinetiek zijn fotogeïnduceerde polymerisaties van vrije radicalen, met name klikchemieën op basis van thiol, bijzonder geschikt voor vezelproductie.
- De relatieve debieten kunnen tijdens de fabricage worden gewijzigd om niet-uniforme vezeldiameters te creëren.
- Meerdere groepen vormfuncties kunnen om de volgende redenen in één kanaal worden geïntegreerd:
- De vorm- en maatfuncties scheiden
- Om meerlaagse of holle vezels te maken
- Om meerdere vezels te produceren uit één microfluïdisch kanaal
- Vloeibare kristalmesogenen die in het polymeer zijn opgenomen bij zeer lage concentraties vertonen birefringentie onder gepolariseerd licht, wat suggereert dat polymeermoleculen langs de as van de vezels kunnen worden uitgelijnd.
- Cellen kunnen worden opgenomen in biocompatibele hydrogelprepolymeren en overleven het fabricageproces met hoge levensvatbaarheid22.
Bij het fabriceren van polymeervezels met behulp van hydrodynamische scherpstelling door een schedestroom om een prepolymeerstroom te vormen, is selectie van polymeermaterialen een praktische eerste stap. De juiste polymeren, overeenkomstige initiatorchemieën en mantelvloeistoffen moeten worden geïdentificeerd binnen de volgende richtlijnen:
- Polymeer- en mantelvloeistoffen zijn mengbaar en hebben een vergelijkbare viscositeit. Een waterige monomeeroplossing kan bijvoorbeeld water gebruiken als een levensvatbare schedevloeistof, maar kan hexaan niet gebruiken als de schedevloeistof.
- Het polymerisatiemechanisme moet snel genoeg snelheid kinetiek hebben om de kernvloeistof te stollen na het vormen en onmiddellijk voordat de vezel het kanaal verlaat.
Nadat de materialen zijn geselecteerd, moet een microkanaal worden ontworpen om de gewenste vezelvorm en -grootte te genereren. Om de vereiste vormkenmerken (strepen, visgraat, chevrons) te bepalen, kan computationele vloeistofdynamicasoftware worden gebruikt om de vloeistofstroompatronen te voorspellen. De vormkenmerken transporteren de mantelvloeistof rond de kernvloeistof. Over het algemeen verplaatsen strepen de mantelvloeistof over de boven- en onderkant van het kanaal van de ene kant naar de andere, terwijl visgraat en chevrons de vloeistof van de zijkanten naar de boven- en / of onderkant van het kanaal verplaatsen en vervolgens terug naar het midden van het kanaal direct onder het punt van de structuur. Het aantal repetitieve groeven in de boven- en onderkant van het kanaal beïnvloedt de mate waarin de mantelvloeistof wordt geleid. De verhouding van debieten van de kern en de mantelvloeistof bemiddelt ook het effect. Simulaties met COMSOL Multiphysics-software zijn betrouwbaar gebleken bij het evalueren van de interacties van de vormfuncties en debietverhoudingen om de dwarsdoorsnedevorm te voorspellen. Deze simulaties bieden ook nuttig inzicht in de verspreiding van opgeloste bewegingen tussen de kern en de huls met de grootte van het kanaal, de viscositeit en de voorgestelde debieten.
Als een complexe vorm gewenst is, zoals het "dubbele anker" beschreven in Boyd et al. 23,is het nuttig om de functies van het vormen en het dimensioneren te scheiden. Een complexe vorm kan worden gecreëerd met één set kenmerken en vervolgens kan een strategisch geplaatste structuur met één groef die aan de ingang van een tweede mantelstroom is geplaatst, worden gebruikt om het dwarsdoorsnedegebied van de polymeriseerbare stroom te verminderen zonder de vorm ervan aanzienlijk te veranderen.
Een ander voorbeeld van complex microkanaalontwerp kan meerlaagse vezels genereren. In dit ontwerp worden opeenvolgende sets vormfuncties en extra bekledingsvloeistoffen geïntroduceerd. Deze concentrische stromen kunnen worden gestold tot vaste kernbekledingsvezels of holle buizen. Een voorbeeld van dit apparaat wordt hieronder weergegeven.
Zodra het ontwerp van het microfluïdische apparaat is gekozen, kan het microkanaal fabricageproces beginnen. Fabricagegereedschappen die kunnen worden gebruikt, zijn onder meer zachte lithografie, CNC-frezen, hot embossing en 3D-printen. Ongeacht de gebruikte gereedschappen, is het belangrijk om te beseffen dat functies die per ongeluk in de wand van het microfluïdische kanaal worden geïntroduceerd, ook de schedestroom zullen sturen en kunnen resulteren in zeer reproduceerbare afwijkingen in de dwarsdoorsnedevorm van alle vezels die met dat apparaat zijn gemaakt. Microkanaalsubstraatmaterialen moeten ook zorgvuldig worden geselecteerd om fysiek robuust, chemisch inert en bestand tegen UV-schade te zijn. Polydimethylsiloxaan (PDMS) kan bijvoorbeeld gemakkelijk worden gegoten, biedt pakkingachtige afdichtingen en is UV-transparant; PDMS is handig voor de transparante bovenkant van het kanaal, maar niet voor de zijkanten en onderkant van het kanaal, die meer stijfheid nodig hebben.
Uiteindelijk, door de juiste geselecteerde kern- en mantelvloeistoffen te introduceren met de stroomsnelheden die worden voorspeld door de vloeistofdynamicasimulaties, zullen de vormfuncties het juiste vloeistofprofiel genereren en zal de downstream UV-uithardingslamp de ontworpen polymeervezels stollen. Continue extrusie van de gepolymeriseerde vezels uit het kanaal kan reproduceerbare vezels leveren in lengtes die alleen worden beperkt door het volume van de vloeistofreservoirs.
Protocol
Dit protocol beschrijft de fabricage van een holle vezel met behulp van foto-geïnitieerde thiol-yne klikchemie. Het microkanaal heeft chevrongroeven of "strepen" als vormkenmerken in de onder- en bovenkant van het kanaal (Afbeelding 1). Drie vloeistoffen worden geïntroduceerd en worden geleid in concentrische stromen; van de binnenste naar de buitenste vloeistofstromen, deze worden de kern, bekleding en mantelvloeistof genoemd. Alleen de bekledingsstroom wordt gepolymeriseerd om de holle vezel te vormen. De geselecteerde materialen zijn als volgt:
- Kernvloeistof: PEG (M.W. = 400), ~100 mPa. sec (20 ºC)
- Bekledingsvloeistof: Thiol-yne Polymeer (PETMP + ODY), Initiator (DMPA)
- Mantelvloeistof: PEG (M.W. = 400), ~100 mPa. sec (20 ºC)
Het microkanaalapparaat werd geassembleerd uit aluminium en kunststof onderdelen vervaardigd door CNC-frezen en PDMS-gieten. De stroom door het microkanaal werd geregeld door drie spuitpompen.
1. Ontwerp en simulatie van microkanaal
Bij het berekenen van zowel vloeistofsnelheid als convectie/diffusie binnen het microkanaal is het van cruciaal belang om de juiste viscositeit toe te wijzen aan elke binnenkomende vloeistof.
- Maak een computermodel van het gewenste microkanaal dat moet worden geïmporteerd in de computationele vloeistofdynamicasoftware (COMSOL). Het voorbeeld in figuur 1 is gegenereerd met Autodesk Inventor CAD-software. De volgende stappen hebben betrekking op het gebruik van COMSOL Multiphysics voor de berekening van de vloeistofstroom binnen een microkanaal.
- Na invoer van het ontworpen microkanaal in COMSOL kunnen iteratieve vloeistofdebieten in de Navier-Stokes solver worden geïntroduceerd.
- Initialiseer de programma-instelling en kies 3D Laminaire Stroom+Convectie/Diffusievergelijkingen. De lage Reynolds-nummers die in de microkanalen worden gegenereerd, maken een volledige laminaire stroom binnen het apparaat mogelijk.
- Ontwerp een eindig-elementenmaas waarop de numerieke berekeningen moeten worden gemaakt. Het gaas moet verfijnder zijn (kleine scheidingen hebben) in gebieden waar eigenschappen snel veranderen. Er wordt voorgesteld om het gaas te verfijnen op zowel de vormfunctie als de uitgang naar < 1 μm zijlengte. Dit zorgt voor een "scherpe" visualisatie van de vloeistofinterface van de kernmantel.
- Inputmateriaaleigenschappen voor vloeistofstroom, d.w.z. viscositeit, diffusieconstante en concentratie. Stel op dit moment ook de randvoorwaarden voor de exitstroom in. We raden nul viskeuze stress aan om een open uitlaat te simuleren.
- Bereken vloeistofstroomsnelheidsstudies door iteratief door een reeks ingangsdebieten te fietsen. Bijvoorbeeld kernvloeistof = 7,5 μl/min, mantelvloeistof = 30 μl/min.
- Importeer de snelheidsveldoplossingen als de beginwaarden om de convectie-/diffusie-eigenschappen van de microkanaalstroom op te lossen. De oplossing voor de convectie/diffusieproblemen illustreert de kern-schede vloeistofinterface en helpt bij het voorspellen van de vorm van de uiteindelijke vloeistofstroom en geproduceerde vezels.
Uit de computationele resultaten kan worden voorspeld dat het vereiste aantal en type vormkenmerken de gewenste vezelvorm bereiken. De vloeistofdebietingangen zullen ook correleren met de vereiste debieten voor het genereren van de vezels. Met deze voorspellingen kan een microkanaalapparaat worden vervaardigd voor de extrusie van polymeervezels.
2. Fabricage van componenten van het mantelstroomapparaat
Een combinatie van directe micromilling, hot-embossing en/of polymeergieten kan worden gebruikt om de componenten van het mantelstroomapparaat te creëren. Afhankelijk van de resources, kies de strategie dienovereenkomstig. Het gepresenteerde voorbeeld is een direct freesproces dat gebruikmaakt van een Computer Numerical Code (CNC). Er zijn vijf lagen te maken (van boven naar beneden), die zijn afgebeeld in figuur 2: 1. Inlaathouder (aluminium), 2. Bevestigingsplaat (aluminium), 3. Microkanaal toplaag (cyclisch olefine copolymeer, COC of PDMS), 4. Microkanaalbodemlaag (COC of polyetheretherketon, PEEK), 5. Bevestigingsplaat (aluminium). (Voorbeeldbestanden voor direct frezen zijn beschikbaar in *.stl-indeling in de ondersteunende informatie)
- Met behulp van een ontwerp dat compatibel is met de COMSOL-simulaties, ontwikkelt u een 3D-model van het systeem via computerondersteund opstellen (CAD). Maak een afzonderlijk CAD-bestand voor elke laag van het apparaat.
- Wanneer een laag moet worden vervaardigd via directe micromilling, importeer dan de CAD-modellen in een computerondersteunde bewerkingstoepassing om numerieke code (NC) te genereren die door de computer numeriek gestuurde (CNC) molen wordt geïnterpreteerd om het apparaat te produceren.
- Koop 5 vellen van 30,5 cm × 30,5 cm offerlaagmaterialen die minimaal 3,2 mm dik zijn.
- Koop elk 1 vel COC, PEEK, aluminium en poly (methylmethacrylaat) van 30,5 cm × 30,5 cm en 3,2 mm dik.
- Koop 1 vel aluminium van 30,5 cm × 30,5 cm en 9,5 mm dik.
- Breng elk van de vellen in stap 2.4-2.5 aan op een vel offervoorraad uit stap 2.3 met dubbelzijdige lijm. Zorg ervoor dat er maximaal een buitenste niet-getapete rand van 2,5 cm bestaat. De tape dient om het werkmateriaal op zijn plaats te houden terwijl het wordt gefreesd en om het te beschermen zodra het gefreesde deel aan het einde van de molencyclus van het voorraadmateriaal is afgesneden.
- Bevestig de COC + offervoorraad aan de tabel van de CNC-molen, laad de gereedschappen vermeld in de numerieke code (NC) en kalibreer de gereedschappen en voorraad (werk)materialen in x, y en z.
- Laad de NC-code en freser de COC-laag.
- Verwijder de plaat materiaal van de molen en verwijder voorzichtig het bewerkte deel van het substraat. Tijdens dit proces zal het koelmiddel van de molen het onderdeel en de bouillon verzadigen. Spoel grondig af voordat u het onderdeel voorzichtig verwijdert. Was met een mild wasmiddel, gevolgd door wassen met 70% isopropylalcohol. Het milde reinigingsmiddel verwijdert olieachtige resten en de alcohol verwijdert restlijm. Als bramen gevangen zitten in de microarchitecturen, kan sonicatie nodig zijn om ze los te maken.
- Herhaal stap 2.7 en 2.9 voor elk van de andere lagen die worden gebruikt om het mantelstroomapparaat te maken.
- Met uitzondering van de PMMA-laag, wordt elk van de lagen die tot dit punt zijn voorbereid, rechtstreeks in het apparaat gebruikt. De PMMA wordt gebruikt om een PDMS-laag te bereiden door 10 delen Sylgard 184-basis te combineren met 1 deeluithardingsmiddel en grondig te mengen door te roeren. Deze informatie wordt verstrekt voor het geval men liever een van de COC-lagen vervangt door het pakkingachtige PDMS-materiaal.
- Giet de Sylgard 184 in de eerder voorbereide PMMA-schimmelholte, zodat luchtbellen worden geëlimineerd. Indien nodig kunnen bellen in een vacuüm worden verwijderd. Het PDMS kan worden uitgehard bij kamertemperatuur gedurende 48 uur, 45 minuten bij 100 °C, 20 min bij 125 °C of 10 min bij 150 °C.
3. De Montage van het Apparaat van de Debietstroom van de schede
- Monteer de mantelstroominrichting van onder naar boven door één bevestigingsplaat aan de onderkant te plaatsen, vervolgens de COC-laag gevolgd door de andere COC-laag en de resterende bevestigingsplaat (figuur 2). Zorg ervoor dat de vormgroeven langs de randen van het kanaal op elkaar zijn afgestemd en dat de vloeistofvormende geometrieën in de COC-lagen elkaar perfect overlappen. Een dissectiemicroscoop kan worden gebruikt om te helpen bij de uitlijning.
- Steek de bouten over het midden van het apparaat en draai de moeren en bouten met de hand vast om het apparaat aan elkaar te klemmen.
- Afwisselend van links naar rechts van het midden, herhaal stap 3.2 van het midden naar buiten om de uitlijning te vergrendelen en lekken te voorkomen. Voeg de inlaathouder toe wanneer de montagegaten zijn bereikt en ga afwisselend door met het monteren van de schroeven.
- Gebruik standaard HPLC-fittingen om het mantelstroomapparaat te koppelen aan de slangen en spuiten die mantelvloeistof en prepolymeeroplossing bevatten. Het aandraaien van de hand is voldoende voor alle aansluitingen.
- Monteer het apparaat verticaal met behulp van een ringstandaard en klem. Zorg ervoor dat het apparaat verticaal is met behulp van een niveau op het bovenste gedeelte. Als het mantelstroomapparaat niet verticaal is, kan de vezel de microkanaalwand raken en verstopping veroorzaken.
- Plaats de UV-bron loodrecht ~1 cm van het COC-vlak van het mantelstroomapparaat zodanig dat de laatste 3-5 cm van het microkanaal wordt bestraald. De UV-bron moet worden gekalibreerd om ~ 200 mW / cm2te leveren.
4. Oplossingsvoorbereiding
Zoals eerder aangegeven, kunnen veel materialen worden gebruikt om microvezels te maken met behulp van analoge protocollen en schedestroomsystemen, maar thiol-yne chemie wordt hier gebruikt. Bereid de prepolymeeroplossing onmiddellijk voor het begin van het vezelextrusieproces om de toename van de viscositeit te voorkomen die na verloop van tijd in opslag kan optreden.
- Bereid een aliquot polyethyleenglycol 400 (PEG 400) voor om als mantelvloeistof te dienen.
- Vul een spuit met luer van 1 ml met PEG 400 om te dienen als een niet-polymerizeerbare kernvloeistof en vul een spuit met luer van 30 ml met PEG 400 om als mantelvloeistof te dienen.
- Bereid een prepolymeeroplossing die 0,01 mol pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionaat (PETMP) en 0,01 mol 1,7-octadiyne (ODY) bevat. Zorg ervoor dat de twee componenten goed gemengd zijn tijdens het experiment, minimaliseer de blootstelling van alle prepolymeerreagentia aan bronnen van UV-licht, inclusief omgevingslicht(bijv. wikkelspuiten met folie).
- Vul de PETMP/ODY-oplossing aan met 4 x10 -4 mol 2,2-dimethoxy-2-fenylacetophenone (DMPA) foto-initiator. Blijf ervoor zorgen dat de oplossingen goed gemengd zijn en dat ze niet worden blootgesteld aan UV-licht door de containers te bedekken met aluminiumfolie.
- Laad een met aluminiumfolie omwikkelde spuit met luer-tip met de prepolymeeroplossing.
5. Microvezelproductie (focus van video)
- Zorg ervoor dat de uitlaat van het microfluïdische kanaal in contact komt met een oplossing in het opvangbad (figuur 3). Voor complexe structuren moet de oplossing in het opvangbad viscositeitsgematcht zijn met de kern- en mantelvloeistoffen, maar voor de eenvoudige holle vezels is water voldoende.
- Stel de pompen van de kern,bekleding en mantelvloeistofspuit in op respectievelijk 1, 30 en 120 μl/min. Zorg ervoor dat de betreffende spuitdiameters correct in de spuitpompen zijn ingevoerd.
- Monteer de spuiten in de bijbehorende spuitpompen en sluit ze aan op het mantelstroomapparaat met UV-beschermende Tygon-buizen.
- Start de mantelvloeistof om het mantelstroomapparaat te primen en lucht uit het systeem te verwijderen. Inspecteer het microkanaal visueel en zorg ervoor dat er geen luchtbellen in het microkanaal achterblijven voordat u doorgaat naar de volgende stap. Let vooral op de strepen. Een dissectiemicroscoop kan worden gebruikt om te helpen bij microkanaalinspectie. Als er luchtbellen aanwezig zijn, roer het apparaat dan door zachtjes te draaien en/of te tikken terwijl u onder stroom bent om luchtbellen uit het apparaat te spoelen.
- Start de bekledingsvloeistof, zodat de stroom zich ook kan stabiliseren. Zorg ervoor dat er geen luchtbellen in het microkanaal achterblijven voordat u doorgaat naar de volgende stap. Let vooral op de vormgroeven. Als er luchtbellen bestaan, roer het apparaat dan terwijl u onder stroom bent om de luchtbellen uit het apparaat te spoelen.
- Start ten slotte de kernvloeistof; nogmaals, zorg ervoor dat er geen bubbels in het systeem aanwezig zijn.
- Schakel de UV-bron in en observeer het opvangbad voor continue productie van de holle microvezel (figuur 4A) terwijl deze met de mantelvloeistof wordt uitgeworpen. Haal de vezel uit het opvangbad met behulp van een gemodificeerde spatel of een entlus en laat de continue vezel worden verzameld op een gemotoriseerde spoel (figuur 3).
Representative Results
Een eenvoudig 2-traps ontwerp, met behulp van vormgroeven en drie oplossingsingangen, werd gebruikt om holle vezels te maken (figuur 1). COMSOL-simulaties werden gebruikt om de juiste debietverhoudingen te bepalen om de gewenste dwarsdoorsnedegrootte te verkrijgen(figuur 1,ESI Video). Een combinatie van frezen en gieten produceerde de componenten voor de mantelstroomassemblage om de vezels te fabriceren (figuur 2). De volledige assemblage omvatte het mantelstroomapparaat, glasvezelgekoppelde UV-laser, drie spuitpompen, een opvangbad (bekerglas) en een vezelinzamelingsspoel(figuur 3).
Polymerisatie van het bekledingsmateriaal werd geïnitieerd door de UV-lichtbron en holle vezels werden geëxtrudeerd van het microkanaal naar het verzamelbad. De vezel vormde zich en werd continu verzameld totdat het UV-licht werd uitgeschakeld. De productie van vezels ging minutenlang door en genereerde een enkele vezel over een meter lengte. Vezels gemaakt onder deze omstandigheden waren ongeveer 200 μm in diameter. De structuur van de vezels werd gevisualiseerd met behulp van optische en elektronenmicroscopie. De vezels hadden een ovale vorm met een holle kern. Capillaire werking werd gebruikt om vloeistof en bubbels in het binnenste van de vezel te introduceren en bevestigde dat de holle structuur continu was over de lengte van de vezel (figuur 4A).
Figuur 1. Ontwerp van het mantelstroomapparaat en COMSOL-gegevens. Het tweedelige fabricageapparaat met rechte groeven werd geselecteerd om een holle vezel te produceren (gedraaid rond de x-as 45°). De COMSOL-simulaties links laten zien hoe de core:cladding:sheath flow-rate ratio's (getallen onder elke simulatie) de uiteindelijke grootte van de holle vezels beïnvloeden. De microkanaaldoorsnede is 1 mm x 0,75 mm en de strepen zijn 0,38 mm breed en 250 μm diep. De strepen bevinden zich op een ∠45° ten opzichte van het kanaal.
Figuur 2. Geëxplodeerde mening van de assemblage van de schedestroom. Van boven naar beneden, (A) inlaathouder, (B) bevestigingsplaat, (C) microkanaalafdekking, (D) microkanaalbasis, (E) bevestigingsplaat. De componenten zijn vervaardigd uit respectievelijk aluminium, aluminium, COC (of PDMS), COC (of PEEK) en aluminium. De regelmatig uit elkaar gelopen gaten bieden plaats aan montageschroeven.
Figuur 3. Foto van lay-out en schematisch overzicht. Setup omvat mantelstroomassemblage verticaal beveiligd over bekerglas met waterbad, glasvezellaser voor fotopolymerisatie, drie spuitpompen en spindel voor het verzamelen van polymeervezels. Inzet toont fabricageassemblage met UV-verlichting. (A) Mantel en kerninlaten, (B) microfluïdisch kanaal, (C) UV-licht, (D) opvangreservoir, (E) gepolymeriseerde vezels die worden verzameld.
Figuur 4. Optische en scanning elektronenmicrograafbeelden van vezels gemaakt met behulp van hydrodynamische scherpstelling. Vezels zijn vervaardigd in de volgende vormen met behulp van hydrodynamische scherpstelling: (A) Holle buizen, (B) Rechthoekige linten, (C) Dunne elastische linten, (D) Driehoeken, (E) Kidneybonen, (F) Parelsnoer, (G) Ronde vezel met ingebed koolstofnanovezel en (H) Dubbel ankervormig. De vezels zijn gemaakt van verschillende materialen waaronder acrylaten, methacrylaten en thiol-enes.
ESI-video. Slice plot geproduceerd in COMSOL Multiphysics met een half microkanaal met kern-, bekledings- en mantelvloeistoffen die het apparaat binnenkomen en de tweetraps stroomveranderende diagonale streepgroeven doorkruisen. De gesimuleerde kern-, bekledings- en manteldebieten zijn respectievelijk 1, 28 en 256 μl/min. De video vertegenwoordigt ~ 6 sec in realtime, 6-voudig vertraagd voor illustratieve doeleinden.
Discussion
Fabricage van polymeervezels met behulp van de mantelstroombenadering heeft meerdere voordelen in vergelijking met andere vezelfabricagetechnieken. Een van die voordelen is de mogelijkheid om vezels te fabriceren met behulp van verschillende reagenscombinaties. Hoewel hier een specifieke thiol-yne combinatie werd gepresenteerd, werken verschillende andere thiol click (waaronder thiol-ene) chemiecombinaties even goed. Een grote verscheidenheid aan andere combinaties kan worden gebruikt om vezels te produceren, zolang de manteloplossing mengbaar is met het te polymeriseren kernmateriaal. Insluitsels zoals nanovezels, deeltjes en cellen zijn ook mogelijk zolang rekening wordt gehouden met de bijdragen van deze additieven aan de viscositeit van de prepolymeeroplossing.
Thiol click chemistry is een subset van de click chemistry familie waarin een complex met een thiolgroep covalent kan worden gekoppeld aan een complex met ofwel een alkene (double bond) ofwel alkyne (triple bond) functionele groep door UV licht fotopolymerisatie. Reacties waarbij alkenen betrokken zijn, worden thiol-enereacties genoemd en reacties met alkynen worden thiol-yne reacties genoemd. Een pi-binding (van een alkene of alkyne) hecht zich aan één thiolgroep na UV-lichtstraling. Het proces past goed binnen de klikfamilie van reacties en is effectief gebruikt in ons microfluïdische kanaal om vezels van verschillende vormen(bijv. rond, lintvormig, dubbel anker) te produceren uit tal van thiol klikstartcomponenten.
Een specifiek voordeel van de hier beschreven methode in vergelijking met de meeste andere soortgelijke processen is het vermogen om zowel de vorm als de grootte van de geproduceerde vezels te controleren (figuren 4A-H). Door een kanaal te ontwerpen om strepen, chevrons of visgraat te hebben, zal de geproduceerde vezel een andere dwarsdoorsnedevorm hebben. Over het algemeen zijn de strepen nuttig voor het produceren van ronde vormen of voor het introductie van extra mantelstromen om eerder gevormde stromen volledig te omringen en ze vóór polymerisatie van de kanaalwanden te verwijderen. De chevrons verminderen de verticale dimensie in het midden van de gevormde stroom, waardoor de horizontale symmetrie behouden blijft. De visgraat vermindert de verticale dimensie van één kant van de gevormde stroom, waardoor asymmetrie ontstaat. Deze vormgereedschappen kunnen in ontelbare combinaties worden gemengd. Het aantal gelijkwaardige kenmerken(d.w.z. 7 chevrons versus 10 chevrons) kan ook worden gebruikt om vezels met verschillende dwarsdoorsnedeprofielen te produceren.
Naast het vermogen om de vezelvorm te controleren, biedt de gepresenteerde vezelfabricagemethodologie ook de mogelijkheid om de grootte van de vervaardigde vezels te controleren, zelfs met behulp van een enkele mantelstroomassemblage(bijv. figuur 1). Het aanpassen van de schede: kerndebietverhouding is één middel om vezels met verschillende dwarsdoorsnedegebieden te fabriceren. Het is ook mogelijk om de grootte van de vezel te regelen door het kanaalontwerp aan te passen om extra ommantelingsfasen te hebben. Of de vormgeving nu in een of meer fasen plaatsvindt, een eenvoudige laatste fase kan worden gebruikt om de grootte van de kern te verkleinen zonder de vorm te veranderen.
Het gemak waarmee een veelheid aan reagenscombinaties kan worden gebruikt om vezels van verschillende vormen en maten te produceren met behulp van dit microfluïdische kanaalontwerp zal nuttig zijn in een breed scala aan toepassingen, van weefseltechnologie tot optische communicatie tot slim textiel.
Disclosures
De octrooien vermeld in de referenties zijn beschikbaar voor licentie van het Ministerie van marine(http://www.nrl.navy.mil/doing-business/tech-transfer/).
Acknowledgments
Darryl A. Boyd en Michael A. Daniele zijn Postdoctorale Fellows van de National Research Council. Het werk werd ondersteund door ONR/NRL Work Units 4286 en 9899. De meningen zijn die van de auteurs en vertegenwoordigen niet de mening of het beleid van de Amerikaanse marine of het ministerie van Defensie.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate | Sigma-Aldrich | 381462 | See references |
| 1.7-Octadiyne | Sigma-Aldrich | 161292 | See references |
| 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone | Sigma-Aldrich | 196118 | See references |
| Polyethylene glycol 400 | Sigma-Aldrich | 202398 | Polyethylene glycol 200 or 600, dextrose, or glycerol may be substituted |
| Sylgard 184 | Sigma-Aldrich | 761036 | QSIL 216, OptiTec 7020, or GS RTV 615 may be substituted |
| Table of Specific Equipment | |||
| MiniMill | Haas | MINIMILL | Any NC code interpreting 2.5 axis (or higher) mill may be substituted |
| Syringe pumps (3) | Harvard Apparatus | 702212 | Syringe pumps that can be programmed to deliver the desired volume flow rates may be substituted |
| Tygon tubing (3 m) | Fisher Scientific | 14-169-13A | NA |
| PEEK tubing | Upchurch Scientific | 1435 | NA |
| HPLC fittings | Upchurch Scientific | 1457 | NA |
| BlueWave 200 UV lamp with stand and light guides | Dymax | 38905; 38477; 39700 | Any guided UV source that delivers 300-450 nm, >200 mW/cm2 may be substituted |
| 500 ml beaker | Fisher Scientific | FB-100-600 | Any vessel of approximately the same size and shape may be substituted |
| Ring stand | Fisher Scientific | S47807 | Any ring stand capable of mounting a clamped sheath flow apparatus above the level of the syringe pumps may be substituted |
| Ring stand clamp holder (2) | Fisher Scientific | S02625 | Any ring stand clamp holder capable of holding the clamps may be substituted |
| Ring stand clamps (2) | Fisher Scientific | 02-216-352 | Any ring stand clamp capable of holding the clamped sheath flow apparatus and light guides may be substituted |
| 1, 5, and 60 ml Syringes | Fisher Scientific | 14-823-16H; 14-823-16D; 14-820-11 | Any syringe with known inner diameter and sufficient volume may be substituted |
| Poly(methylmethacrylate) (3.2 mm) | McMaster-Carr | 8560K239 | Polycarbonate and cyclic olefin copolymer may be substituted |
| Polyether ether ketone (3.2 mm) | McMaster-Carr | 8504K25 | Solvent resistant machinable materials may be substituted |
| Aluminum (3.2, 9.5 mm) | McMaster-Carr | 1651T41; 9246K23 | Substitute other materials as needed |
References
- Khademhosseini, A., Langer, R., Borenstein, J., Vacanti, J. P. Microscale technologies for tissue engineering and biology. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 2480-2487 (2006).
- Blond, D., McCarthy, D. N., Blau, W. J., Coleman, J. N. Toughening of artificial silk by incorporation of carbon nanotubes. Biomacromolecules. 8, 3973-3976 (2007).
- Aykut, Y., Saquing, C. D., Pourdeyhimi, B., Parsons, G. N., Khan, S. A. Templating quantum dot to phase-transformed electrospun TiO(2) nanofibers for enhanced photo-excited electron injection. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 3837-3845 (2012).
- Puigmarti-Luis, J., Schaffhauser, D., Burg, B. R., Dittrich, P. S. A Microfluidic Approach for the Formation of Conductive Nanowires and Hollow Hybrid Structures. Adv. Mater. 22, 2255-22 (2010).
- Edie, D. D., Fox, N. K., Barnett, B. C., Fain, C. C.
- Park, S. J., Seo, M. K., Shim, H. B. Effect of fiber shapes on physical characteristics of non-circular carbon fibers-reinforced composites. Mater. Sci. Eng. A Struct. 352, 34-39 (2003).
- Haile, W. A., Phillips, B. M. Deep grooved polyester fiber for wet lay applications. Tappi. 78, 139-142 (1995).
- Yamada, J. Radiative properties of fibers with non-circular cross sectional shapes. J. Quant. Spectrosc. Ra. 73, 261-272 (2002).
- Kopp, V. I., et al.
- Thangawng, A. L., Howell, P. B., Richards, J. J., Erickson, J. S., Ligler, F. S. A simple sheath-flow microfluidic device for micro/nanomanufacturing: fabrication of hydrodynamically shaped polymer fibers. Lab Chip. 9, 3126-3130 (2009).
- Thangawng, A. L., Howell, P. B., Spillmann, C. M., Naciri, J., Ligler, F. S. UV polymerization of hydrodynamically shaped fibers. Lab Chip. 11, 1157-1160 (2011).
- Thangawng, A. L., et al. A hard microflow cytometer using groove-generated sheath flow for multiplexed bead and cell assays. Anal. Bioanal. Chem. 398, 1871-1881 (2010).
- Mott, D. R., Howell Jr,, B, P., Obenschain, K. S., Oran, E. S. The Numerical Toolbox: An approach for modeling and optimizing microfluidic components. Mech. Res. Commun. 36, 104-109 (2009).
- Mott, D. R., et al. Toolbox for the design of optimized microfluidic components. Lab Chip. 6, 540-549 (2006).
- Howell Jr,, B, P., Ligler, F. S., Shields, A. R. Sheath fow device and method. United States patent US20110193259. , (2011).
- Howell, P. B., Ligler, F. S., Shields, A. R. 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. United States patent US2011193259-A1. , (2009).
- Mott, D., Howell Jr,, B, P., Ligler, F. S., Fertig, S., Bobrowski, A. Sheath flow device and method. United States patent US20090208372. , (2009).
- Daniele, M. A., et al. Rapid and continuous hydrodynamically controlled fabrication of biohybrid microfibers. Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2012).
- Howell, P. B., Mott, D., Golden, J. P. Numerical toolbox for design of fluidic components and systems. United States patent US20080221844. , (2008).
- Shields, A. R., et al. Hydrodynamically directed multiscale assembly of shaped polymer fibers. Soft Matter. 8, 6656-6660 (2012).
- Boyd, D. A., Shields, A. R., Naciri, J., Ligler, F. S. Hydrodynamic shaping, polymerization, and subsequent modification of thiol click fibers. ACS Appl. Mater. Inter. 5, 114-119 (2012).
- Daniele, M. A., et al. Rapid and Continuous Hydrodynamically Controlled Fabrication of Biohybrid Microfibers. Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2013).
- Boyd, D. A., Shields, A. R., Howell, P. B., Ligler, F. S. Design and fabrication of uniquely shaped thiol-ene microfibers using a two-stage hydrodynamic focusing design. Lab Chip. 13, 3105-3110 (2013).
