Summary
To tilstøtende væsker som passerer gjennom en rillet mikrofluidisk kanal kan rettes mot å danne en kappe rundt en prepolymerkjerne; dermed bestemme både form og tverrsnitt. Fotoinitiert polymerisasjon, for eksempel thiol click kjemi, er godt egnet for raskt å størkne kjernevæsken i en mikrofiber med forhåndsbestemt størrelse og form.
Abstract
En "kappe" væske som passerer gjennom en mikrofluidisk kanal ved lavt Reynolds-nummer, kan rettes rundt en annen "kjerne" -strøm og brukes til å diktere formen så vel som diameteren til en kjernestrøm. Spor i toppen og bunnen av en mikrofluidisk kanal ble designet for å lede hylsevæsken og forme kjernevæsken. Ved å matche viskositeten og hydrofilisiteten til hylsen og kjernevæskene, minimeres de interfaciale effektene og komplekse væskeformer kan dannes. Styring av de relative strømningshastighetene til hylsen og kjernevæskene bestemmer tverrsnittsområdet til kjernevæsken. Fibre er produsert med størrelser fra 300 nm til ~ 1 mm, og fiber tverrsnitt kan være runde, flate, firkantede eller komplekse som i tilfelle med doble ankerfibre. Polymerisering av kjernevæsken nedstrøms fra formingsområdet styrker fibrene. Fotoinitierte klikkkjemier er godt egnet for rask polymerisering av kjernevæsken ved bestråling med ultrafiolett lys. Fibre med et bredt utvalg av former er produsert fra en liste over polymerer, inkludert flytende krystaller, poly (metylmetakrylat), tiol-ene og tiol-yne harpikser, polyetylenglykol og hydrogelderivater. Minimal skjær under formingsprosessen og milde polymerisasjonsforhold gjør også fabrikasjonsprosessen godt egnet for innkapsling av celler og andre biologiske komponenter.
Introduction
Vevstillas1, komposittmaterialer2, optisk kommunikasjon3og ledende hybridmaterialer4 er forskningsområder som bruker spesialiserte polymerfibre. Konvensjonelle metoder for fiberproduksjon inkluderer smelteekstrudering, spinning, tegning, støping og elektrospinning. De fleste polymerfibrene som produseres ved disse metodene, viser runde tverrsnitt som skapes av overflatespenning mellom polymer og luft under fabrikasjon. Fibre med ikke-round tverrsnitt kan imidlertid forbedre de mekaniske egenskapene til komposittmaterialer5,6, øke forholdet mellom overflateareal og volum, kontrollere fukting eller fukting7, og brukes som bølgeledere8 eller polarisatorer9.
Produksjon av spesialiserte polymerfibre av mikrofluidiske systemer som bruker en strøm (kappestrøm) for å omgi og forme en annen strøm (kjernestrøm) er tiltalende på grunn av de milde forholdene og kapasiteten for kontinuerlig produksjon av svært reproduserbare fibre. Innledende eksperimenter produserte runde fibre med størrelser avhengig av prepolymerens relative strømningshastigheter og kappevæsker10-12. Oppdagelsen av at spor i toppen og bunnen av den mikrofluidiske kanalen kunne avlede hylsen for å produsere en forhåndsbestemt form for kjernestrømmen13,14 førte til teknologi for å generere mer komplekse fiberformer10-12,15-17.
NRL-etterforskere har demonstrert følgende kritiske tekniske egenskaper13-21:
- En rekke formingsfunksjoner kan brukes til å lede hylsevæsken til å forme kjernestrømmen: spor eller rygger kan konfigureres som striper, chevroner eller sildben.
- En verktøykasse med disse funksjonene kan tilordnes ønsket flytresultat.
- Mikrokanal kan opprettes ved hjelp av litografi, støping, fresing eller utskriftsteknikker. Substratmaterialene må ikke oppløses eller erodere i prepolymer- eller kappeløsningene, og for fotoinitierte polymerisasjoner må de eksterne lagene være gjennomsiktige for ultrafiolett lys.
- Figuren som opprettes av ett enkelt sett med formingsfunksjoner, kan endres ved å endre flythastighetene gjennom kanalen. COMSOL Multifysikksimuleringer av væskestrømning i mikrokanalene er i stand til å forutsi de resulterende væske- og fiberformene.
- Matching av viskositeten og fasen (hydrofilisiteten) av hylsen og kjernevæskene er avgjørende for å unngå buckling type ustabilitet, som følge av variasjon i skjærstamme over væskegrensesnittet. Hvis det er stor viskositet eller fasekonflikt, kan det oppstå sammenslell, muligens deformere den endelige fiberformen eller til og med tette mikrokanal.
- Fibre kan dannes ved støping eller polymerisasjon, men polymerisasjon gir mer kontroll over formen.
- Polymerisasjon (størkning av kjernevæsken) må skje før du går ut av mikrokanal. Imidlertid kan langsommere polymerisering i kanalen føre til en økning i viskositet, påvirke fiberformen eller til og med tette kanalen. Tidspunktet og plasseringen av polymerisasjonshendelser må kontrolleres nøye.
- På grunn av deres raske reaksjonskinetikk er fotoinduserte frie radikale polymerisasjoner, spesielt tiolbaserte klikkkjemier, spesielt godt egnet for fiberproduksjon.
- De relative strømningshastighetene kan endres under fabrikasjon for å skape ikke-uniforme fiberdiametre.
- Flere grupper med formingsfunksjoner kan integreres i én enkelt kanal av følgende årsaker:
- Slik skiller du formings- og størrelsesfunksjonene
- Slik oppretter du flerlags eller hule fibre
- Å produsere flere fibre fra en enkelt mikrofluidisk kanal
- Flytende krystallmetogener innlemmet i polymeren ved svært lave konsentrasjoner viser birefringence under polarisert lys, noe som tyder på at polymermolekyler kan justeres langs fiberaksen.
- Celler kan innlemmes i biokompatible hydrogel prepolymers og overleve fabrikasjonsprosessen med høy levedyktighet22.
Ved fabrikasjon av polymerfibre ved hjelp av hydrodynamisk fokusering av en kappestrøm for å forme en prepolymerstrøm, er valg av polymermaterialer et praktisk første skritt. De aktuelle polymerene, tilsvarende initiatorkjemier og kappevæsker bør identifiseres innenfor følgende retningslinjer:
- Polymer- og kappevæsker er blandbare og har lignende viskositet. For eksempel kan en vandig monomerløsning utnytte vann som en levedyktig kappevæske, men kunne ikke bruke heksan som hylsevæske.
- Polymerisasjonsmekanismen må ha rask nok hastighet kinetikk til å størkne kjernevæsken etter forming og umiddelbart før fiberen går ut av kanalen.
Etter at materialene er valgt, må en mikrokanal for å generere ønsket fiberform og størrelse utformes. For å bestemme de nødvendige formingsfunksjonene (striper, sildben, chevroner), kan beregningsmessig fluiddynamikkprogramvare brukes til å forutsi væskestrømningsmønstrene. Formingsfunksjonene transporterer hylsevæsken rundt kjernevæsken. Generelt beveger striper hylsevæsken over toppen og bunnen av kanalen fra den ene siden til den andre, mens sildben og chevroner beveger væsken bort fra sidene mot toppen og / eller bunnen av kanalen og deretter tilbake mot midten av kanalen direkte under strukturpunktet. Antall repeterende spor i toppen og bunnen av kanalen påvirker i hvilken grad hylsevæsken er rettet mot. Forholdet mellom strømningshastigheter i kjernen og kappevæsken formidler også effekten. Simuleringer ved hjelp av COMSOL Multiphysics programvare har vist seg pålitelig i å evaluere interaksjonene mellom formingsfunksjonene og strømningshastighetsforholdene for å forutsi tverrsnittsformen. Disse simuleringene gir også nyttig innsikt i spredning av løsemidler mellom kjernen og hylsen med størrelsen på kanalen, viskositeten og strømningshastighetene som foreslås.
Hvis en kompleks figur ønskes, for eksempel "dobbeltankeret" som er beskrevet i Boyd et al. 23, er det nyttig å skille funksjonene for forming og størrelse. En kompleks form kan opprettes med ett sett med funksjoner, og deretter kan en strategisk plassert enkeltsporstruktur plassert ved inngangen til en annen kappestrøm brukes til å redusere tverrsnittsområdet til den polymeriserbare strømmen uten å endre formen betydelig.
Et annet eksempel på kompleks mikrokanaldesign kan generere flerlagsfibre. I denne designen introduseres sekvensielle sett med formingsfunksjoner og ekstra kledningsvæsker. Disse konsentriske strømmene kan størknes til solide kjernebekledningsfibre eller hule rør. Et eksempel på denne enheten vil bli presentert nedenfor.
Når utformingen av den mikrofluidiske enheten er valgt, kan mikrokanalproduksjonsprosessen begynne. Fabrikasjonsverktøy som kan brukes inkluderer myk litografi, CNC-fresing, varm preging og 3D-utskrift. Uansett hvilke verktøy som brukes, er det viktig å innse at funksjoner som ved et uhell introduseres i veggen på den mikrofluidiske kanalen, også vil lede hylsestrømmen og kan resultere i svært reproduserbare avvik i tverrsnittsformen til alle fibre laget ved hjelp av den enheten. Mikrokanalsubstratmaterialer bør også velges nøye for å være fysisk robuste, kjemisk inerte og motstandsdyktige mot UV-skade. For eksempel kan polydimetylsiloksan (PDMS) enkelt støpes, gir pakningslignende tetninger og er UV-gjennomsiktig; PDMS er nyttig for den gjennomsiktige toppen av kanalen, men ikke sidene og bunnen av kanalen, som trenger mer stivhet.
Til syvende og sist, ved å introdusere de riktig valgte kjerne- og kappevæskene med strømningshastighetene som forutses av væskedynamikksimuleringene, vil formingsfunksjonene generere riktig væskeprofil, og nedstrøms UV-herdelampen vil størkne de designede polymerfibrene. Kontinuerlig ekstrudering av de polymeriserte fibrene fra kanalen kan bare gi reproduserbare fibre i lengder begrenset av volumet av væskereservoarene.
Protocol
Denne protokollen beskriver fabrikasjonen av en hul fiber ved hjelp av fotoinitiert tiol-yne klikkkjemi. Mikrokanal har vinkelspor eller "striper" som formingsfunksjoner i bunnen og toppen av kanalen (figur 1). Tre væsker blir introdusert og er rettet i konsentriske bekker; fra indre til ytre væskestrømmer, kalles disse kjernen, kledningen og hylsevæsken. Bare kledningsstrømmen polymeriseres for å danne den hule fiberen. De valgte materialene er som følger:
- Kjernevæske: PEG (M.W. = 400), ~100 mPa. sek (20 ºC)
- Kledningsvæske: Thiol-yne polymer (PETMP + ODY), initiativtaker (DMPA)
- Hylsevæske: PEG (M.W. = 400), ~100 mPa. sek (20 ºC)
Mikrokanalanordningen ble montert fra aluminium og plastdeler fremstilt av CNC-fresing og PDMS-støping. Strømning gjennom mikrokanal ble kontrollert av tre sprøytepumper.
1. Design og simulering av mikrokanal
Ved beregning av både væskehastighet og konveksjon/diffusjon i mikrokanal er det viktig å tilordne riktig viskositet til hver innkommende væske.
- Lag en datamodell av ønsket mikrokanal som skal importeres til computational fluid dynamics software (COMSOL). Eksemplet i figur 1 ble generert med Autodesk Inventor CAD-programvare. Følgende trinn er i referanse til bruk av COMSOL Multifysikk for beregning av væskestrøm i en mikrokanal.
- Etter import av den designede mikrokanal i COMSOL, kan iterative væskestrømningshastigheter innføres i Navier-Stokes-problemløseren.
- Initialiser programinnstillingen, og velg 3D Laminar Flow+Konveksjons-/diffusjonsligninger. De lave Reynolds-tallene som genereres i mikrokanalene, tillater fullstendig laminær strømning i enheten.
- Utform et begrenset elementnett som numeriske beregninger skal utføres på. Nettet bør være mer raffinert (ha små divisjoner) i områder der egenskapene endres raskt. Det foreslås å avgrense nettet både ved formingsfunksjonen og utgang til <1 μm sidelengde. Dette gir "skarp" visualisering av kjernehylsevæskegrensesnittet.
- Inngangsmaterialeegenskaper for væskestrømning, det vil si viskositet, diffusjonskonstant og konsentrasjon. På dette tidspunktet angir du også grensebetingelsene for utgangsflyten. Vi foreslår null viskøs stress for å simulere et åpent uttak.
- Beregn væskestrømningshastighetsstudier ved å sykle gjennom en rekke inngangsstrømningshastigheter. For eksempel, kjernevæske = 7,5 μl/min, kappevæske = 30 μl/min.
- Importer hastighetsfeltløsningene som startverdiene for å løse konveksjons-/diffusjonsegenskapene til mikrokanalstrømmen. Løsningen på konveksjons-/diffusjonsproblemene vil illustrere kjernehylsevæskegrensesnittet og bidra til å forutsi formen på den endelige væskestrømmen og fiberen som produseres.
Fra beregningsresultatene kan det nødvendige antallet og typen formingsfunksjoner forutsies for å oppnå ønsket fiberform. Væskestrømningshastighetsinngangene vil også korrelere med de nødvendige strømningshastighetene for å generere fibrene. Med disse spådommene kan en mikrokanalsenhet fremstilles for ekstrudering av polymerfibre.
2. Fabrikasjon av hylsestrømningsapparatkomponenter
En kombinasjon av direkte mikromillering, varm-preging og / eller polymer støping kan brukes til å lage komponentene i hylsestrømningsenheten. Avhengig av ressursene, velg strategien deretter. Eksemplet som presenteres, er en direkte freseprosess som bruker en CNC (Computer Numerical Code). Det er fem lag som skal lages (fra topp til bunn), som er avbildet i figur 2: 1. Innløpschuck (aluminium), 2. Festeplate (aluminium), 3. Mikrokanal topplag (syklisk olefinkopolymer, COC eller PDMS), 4. Mikrokanal bunnlag (COC eller polyeter eter keton, PEEK), 5. Festeplate (aluminium). (Eksempelfiler for direkte fresing er tilgjengelige i *.stl-format i støtteinformasjonen)
- Bruk et design som er kompatibelt med COMSOL-simuleringene, utvikle en 3D-modell av systemet via datamaskinassistert utkast (CAD). Opprett en egen CAD-fil for hvert lag på enheten.
- Når et lag skal fremstilles via direkte mikromillering, importerer du CAD-modellene til et datamaskinassistert maskineringsprogram for å generere numerisk kode (NC) som vil bli tolket av datamaskin numerisk kontrollert (CNC) mill for å produsere enheten.
- Skaff 5 ark på 30,5 cm × 30,5 cm offerlagmaterialer som er minst 3,2 mm tykke.
- Skaff 1 ark hver av COC, PEEK, aluminium og poly (metylmetakrylat) som er 30,5 cm × 30,5 cm og 3,2 mm tykke.
- Skaff 1 ark aluminium som er 30,5 cm × 30,5 cm og 9,5 mm tykk.
- Fest hvert av arkene i trinn 2,4-2,5 til et ark med offerlager fra trinn 2.3 med dobbeltsidig lim. Forsikre deg om at det maksimalt finnes en ytre ikke-teipet kant på 2,5 cm. Båndet tjener til å holde arbeidsmaterialet på plass mens det freses og for å beskytte det når den fresede delen er kuttet bort fra lagermaterialet på slutten av fresesyklusen.
- Fest COC + offerlageret til bordet til CNC Mill, last inn verktøyene som er angitt i den numeriske koden (NC), og kalibrer verktøyene og lagermaterialene (arbeidsmaterialene) i x, y og z.
- Last inn NC-koden og fres COC-laget.
- Fjern arket av materiale fra møllen og fjern forsiktig den bearbeidede delen fra substratet. I løpet av denne prosessen vil freskjølevæske mette delen og lageret. Skyll grundig før du forsiktig fjerner delen. Vask med et mildt vaskemiddel, etterfulgt av vask med en 70% isopropylalkohol. Det milde vaskemiddelet vil fjerne oljeaktige rester, og alkoholen vil fjerne gjenværende lim. Hvis burrs er fanget i mikroarkitekturen, kan sonikering være nødvendig for å løsne dem.
- Gjenta trinn 2.7 og 2.9 for hvert av de andre lagene som skal brukes til å opprette hylseflytenheten.
- Med unntak av PMMA-laget vil hvert av lagene som er forberedt på dette punktet, bli brukt direkte i enheten. PMMA vil bli brukt til å forberede et PDMS-lag ved å kombinere 10 deler Sylgard 184 base med 1 del herdemiddel og blandes grundig ved omrøring. Denne informasjonen er gitt i tilfelle man heller vil erstatte et av COC-lagene med pakningslignende PDMS-materiale.
- Hell Sylgard 184 i PMMA-mugghulen som er tilberedt tidligere, og sørg for at luftbobler elimineres. Om nødvendig kan bobler fjernes i et vakuum. PDMS kan herdes ved romtemperatur i 48 timer, 45 min ved 100 °C, 20 min ved 125 °C eller 10 min ved 150 °C.
3. Hylsestrømningsapparatmontering
- Monter hylsestrømningsenheten fra bunnen og opp ved å plassere en festeplate nederst, deretter COC-laget etterfulgt av det andre COC-laget og den gjenværende festeplaten (Figur 2). Sørg for at formingssporene stemmer overens med hverandre langs kantene på kanalen, og at de flytende formegeometriene i COC-lagene overlapper perfekt. Et disseksjonsmikroskop kan brukes til å hjelpe til med justeringen.
- Sett inn bolter over midten av enheten, og stram mutterne og boltene for å klemme enheten sammen.
- Vekslende fra venstre til høyre i midten, gjenta trinn 3.2 fra midten og ut for å låse inn justeringen og for å forhindre lekkasjer. Legg til innløpschucken når monteringshullene er nådd, og fortsett å montere skruene på en vekslende måte.
- Bruk standard HPLC-beslag for å koble hylsestrømningsenheten til slangen og sprøytene som inneholder hylsevæske og prepolymeroppløsning. Håndstramming er tilstrekkelig for alle tilkoblinger.
- Monter enheten vertikalt ved hjelp av et ringstativ og klemme. Kontroller at enheten er vertikal ved hjelp av et nivå på øverste del. Hvis hylsestrømningsanordningen ikke er vertikal, kan fiberen berøre mikrokanalveggen og forårsake tilstopping.
- Plasser UV-kilden vinkelrett ~1 cm fra COC-forsiden av hylsestrømningsenheten slik at de siste 3-5 cm av mikrokanal bestråles. UV-kilden skal kalibreres for å levere ~200 mW/cm2.
4. Klargjøring av oppløsning
Som angitt tidligere, kan mange materialer brukes til å lage mikrofiber ved hjelp av analoge protokoller og kappestrømningssystemer, men tiol-ynekjemi brukes her. Forbered prepolymerløsningen umiddelbart før du begynner fiberekstruderingsprosessen for å unngå økningen i viskositet som kan oppstå over tid i lagring.
- Forbered en aliquot av polyetylenglykol 400 (PEG 400) for å tjene som hylsevæske.
- Fyll en 1 ml Luer-tipped sprøyte med PEG 400 for å fungere som en ikke-brennbar kjernevæske, og fyll en 30 ml Luer-tipped sprøyte med PEG 400 for å tjene som hylsevæske.
- Forbered en prepolymerløsning som inneholder 0,01 mol pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate (PETMP) og 0,01 mol 1,7-octadiyne (ODY). Pass på at de to komponentene er godt blandet gjennom hele eksperimentet, minimer eksponeringen av alle prepolymerreagenser til kilder til UV-lys, inkludert omgivelseslys (f.eks. innpakningssprøyter med folie).
- Suppler PETMP/ODY-oppløsningen med 4 x10 -4 mol 2,2-dimetoksy-2-fenylacetophenon (DMPA) fotoinitiator. Fortsett å sikre at løsningene er godt blandet, og at de ikke utsettes for UV-lys ved å dekke beholderne med aluminiumsfolie.
- Legg en 5 ml aluminiumsfoliepakket Luer-tipped sprøyte med prepolymeroppløsningen.
5. Mikrofiberproduksjon (fokus på video)
- Påse at utløpet av den mikrofluidiske kanalen er i kontakt med en løsning i oppsamlingsbadet (figur 3). For komplekse strukturer bør løsningen i oppsamlingsbadet være viskositetstilpasset kjernen og kappevæskene, men for de enkle hule fibrene er vann tilstrekkelig.
- Angi kjerne-, klednings- og hylsevæskesprøytepumpene for å tilføre henholdsvis 1, 30 og 120 μl/min. Påse at de respektive sprøytediameterne er riktig lagt inn i sprøytepumpene.
- Monter sprøytene i de tilsvarende sprøytepumpene og koble dem til hylsestrømningsanordningen med UV-beskyttende Tygon-slange.
- Start hylsevæsken for å klargjøre hylsestrømningsenheten og eliminere luft fra systemet. Kontroller mikrokanal visuelt, og sørg for at ingen luftbobler forblir i mikrokanal før du går videre til neste trinn. Vær spesielt oppmerksom på stripene. Et disseksjonsmikroskop kan brukes til å hjelpe til med mikrokanalinspeksjon. Hvis det er luftbobler til stede, må du omrøre enheten ved å rotere og/eller tappe forsiktig under strømning for å skylle luftbobler ut av enheten.
- Start kledningsvæsken, slik at strømmen kan stabilisere seg. Forsikre deg om at ingen luftbobler forblir i mikrokanal før du går videre til neste trinn. Vær spesielt oppmerksom på formingssporene. Hvis det finnes luftbobler, må du omrøre enheten mens den er under strømning for å skylle luftboblene ut av enheten.
- Til slutt starter kjernevæsken; igjen, må du kontrollere at det ikke finnes bobler i systemet.
- Slå på UV-kilden og følg oppsamlingsbadet for kontinuerlig produksjon av den hule mikrofiberen (figur 4A) når den kastes ut med hylsevæsken. Hent fiberen fra oppsamlingsbadet ved hjelp av en modifisert spatel eller en inokulerende sløyfe, og la den kontinuerlige fiberen samles på en motorisert spole (figur 3).
Representative Results
En enkel 2-trinns design, ved hjelp av formingsspor og tre løsningsinnganger, ble brukt til å lage hule fibre (Figur 1). COMSOL-simuleringer ble brukt til å bestemme de riktige strømningshastighetsforholdene for å oppnå ønsket tverrsnittsstørrelse (Figur 1, ESI Video). En kombinasjon av fresing og støping produserte komponentene for hylsestrømningsenheten for å fremstille fibrene (figur 2). Den komplette monteringen inkluderte hylsestrømningsenheten, fiberoptisk koblet UV-laser, tre sprøytepumper, et oppsamlingsbad (beger) og en fiberoppsamlingsspole (figur 3).
Polymerisering av kledningsmaterialet ble initiert av UV-lyskilden, og hule fibre ble ekstrudert fra mikrokanal inn i oppsamlingsbadet. Fiberen ble dannet og ble samlet kontinuerlig til UV-lyset ble slått av. Produksjonen av fibre fortsatte i minutter og genererte en enkelt fiber over en meter i lengden. Fibre laget under disse forholdene var ca. 200 μm i diameter. Strukturen av fibrene ble visualisert ved hjelp av optisk og elektronmikroskopi. Fibrene hadde en oval form med en hul kjerne. Kapillær virkning ble brukt til å introdusere væske og bobler inn i fiberens indre og bekreftet at den hule strukturen var kontinuerlig over fiberens lengde (Figur 4A).
Figur 1. Sheath flow-enhetsdesign og COMSOL-data. Den todelte fabrikasjonsenheten med rette spor ble valgt for å produsere en hul fiber (rotert om x-aksen 45°). COMSOL-simuleringene til venstre viser hvordan core:cladding:sheath flow-rate ratios (tall under hver simulering) påvirker den endelige størrelsen på de hule fibrene. Mikrokanalt tverrsnittet er 1 mm x 0,75 mm, og stripene er 0,38 mm brede og 250 μm dype. Stripene er på en ∠45° i forhold til kanalen.
Figur 2. Utfoldet visning av hylseflytenhet. Fra topp til bunn, (A) innløpschuck, (B) festeplate, (C) mikrokanaldeksel, (D) mikrokanalbase, (E) festeplate. Komponentene er fremstilt av henholdsvis aluminium, aluminium, COC (eller PDMS), COC (eller PEEK) og aluminium. De jevne hullene passer til monteringsskruer.
Figur 3. Bilde av oppsett og skjematisk oversikt. Oppsettet inkluderer hylsestrømningsenhet festet vertikalt over beger som inneholder vannbad, fiberoptisk laser for fotopolymerisering, tre sprøytepumper og spindel for oppsamling av polymerfibre. Innsett viser fabrikasjonsenhet med UV-belysning. (A) Hylse og kjerneinntak, (B) mikrofluidisk kanal, (C) UV-lys, (D) oppsamlingsreservoar, (E) polymerisert fiber som samles inn.
Figur 4. Optiske og skannende elektronmikrografbilder av fibre laget ved hjelp av hydrodynamisk fokusering. Fibre har blitt fremstilt i følgende former ved hjelp av hydrodynamisk fokusering: (A) Hule rør, (B) Rektangulære bånd, (C) Tynne elastiske bånd, (D) Trekanter, (E) Nyrebønner, (F) Perlestreng, (G) Rund fiber med innebygd karbon nanofiber, og (H) Dobbelt ankerformet. Fibrene er laget av ulike materialer, inkludert akrylater, metakrylater og tiol-ener.
ESI-video. Stykkeplott produsert i COMSOL Multiphysics som viser halvparten av mikrokanal med kjerne-, klednings- og kappevæsker som kommer inn i enheten og krysser de to-trinns strømningsforandrende diagonale stripesporene. Kjerne-, klednings- og hylsestrømningshastighetene som simuleres er henholdsvis 1, 28 og 256 μl/min. Videoen representerer ~ 6 sek i sanntid, bremset ned 6 ganger for illustrasjonsformål.
Discussion
Fabrikasjon av polymerfibre ved hjelp av hylsestrømningsmetoden har flere fordeler i forhold til andre fiberfabrikasjonsteknikker. En av disse fordelene er evnen til å fremstille fibre ved hjelp av ulike reagenskombinasjoner. Selv om en spesifikk tiol-yne kombinasjon ble presentert her, fungerer flere andre tiolklikk (inkludert thiol-ene) kjemikombinasjoner like bra. Et bredt utvalg av andre kombinasjoner kan brukes til å produsere fibre så lenge hylseoppløsningen er blandbar med kjernematerialet som skal polymeriseres. Inneslutninger som nanofibere, partikler og celler er også mulig så lenge bidragene fra disse tilsetningsstoffene til viskositeten til prepolymeroppløsningen tas i betraktning.
Thiol klikkkjemi er et delsett av klikkkjemifamilien der et kompleks med en tiolgruppe kan knyttes kovalent til et kompleks med enten en alken (dobbeltbinding) eller alkyne (trippelbinding) funksjonell gruppe ved UV-lys fotopolymerisering. Reaksjoner som involverer alkener kalles tiol-ene reaksjoner, og reaksjoner som involverer alkyner kalles tiol-yne reaksjoner. En pi bond (fra en alkene eller alkyne) vil festes til en tiolgruppe ved UV-lysbestråling. Prosessen passer godt inn i klikkfamilien av reaksjoner og har blitt effektivt brukt i vår mikrofluidiske kanal for å produsere fibre av forskjellige former(f.eks. runde, båndformede, doble anker) fra mange startkomponenter for tiolklikk.
En spesifikk fordel med metoden som er skissert her i forhold til de fleste andre lignende prosesser, er evnen til å kontrollere både formen og størrelsen på fibrene som produseres (Figur 4A-H). Ved å designe en kanal for å ha striper, chevroner eller sildben, vil fiberen som produseres ha en annen tverrsnittsform. Generelt er stripene nyttige for å produsere runde former eller for innføring av ekstra kappestrømmer for å fullstendig omringe tidligere formede bekker og flytte dem bort fra kanalveggene før polymerisering. Vinkeltegnene reduserer den loddrette dimensjonen i midten av den formede strømmen, og opprettholder den horisontale symmetrien. Sildebenene reduserer den vertikale dimensjonen på den ene siden av den formede strømmen, og produserer asymmetri. Disse formingsverktøyene kan blandes i utallige kombinasjoner. Antall tilsvarende funksjoner (dvs. 7 vinkeltegn kontra 10 vinkeltegn) kan også brukes til å produsere fibre med forskjellige tverrsnittsprofiler.
I tillegg til evnen til å kontrollere fiberformen, gir fiberfabrikasjonsmetoden som presenteres også muligheten til å kontrollere størrelsen på fibrene som er fremstilt, selv ved hjelp av en enkelt kappestrømsenhet (f.eks. figur 1). Justering av kappe: kjernestrømningshastighetsforholdet er et middel til å fremstille fibre med forskjellige tverrsnittsområder. Det er også mulig å kontrollere størrelsen på fiberen ved å justere kanaldesignet for å ha flere kappestadier. Enten formingen skjer i ett eller flere stadier, kan en enkel sluttfase brukes til å redusere størrelsen på kjernen uten å endre formen.
Den enkle som en rekke reagenskombinasjoner kan brukes til å produsere fibre av forskjellige former og størrelser ved hjelp av denne mikrofluidiske kanaldesignen, vil være nyttig i et bredt spekter av applikasjoner, fra vevsteknikk til optisk kommunikasjon til smarte tekstiler.
Disclosures
Patentene som er oppført i referansene er tilgjengelige for lisens fra Sjøforsvaret (http://www.nrl.navy.mil/doing-business/tech-transfer/).
Acknowledgments
Darryl A. Boyd og Michael A. Daniele er postdoktorer i Nasjonalt forskningsråd. Arbeidet ble støttet av ONR/NRL Work Units 4286 og 9899. Synspunktene er forfatternes og representerer ikke den amerikanske marinens eller forsvarsdepartementets mening eller politikk.
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).
