Summary
Yivli bir mikroakışkan kanaldan geçen iki bitişik sıvı, bir prepolimer çekirdeğinin etrafında bir kılıf oluşturmaya yönlendirilebilir; böylece hem şekil hem de kesit belirlenir. Tiyol tıklama kimyası gibi fotoinitiated polimerizasyon, çekirdek sıvısını önceden belirlenmiş boyut ve şekle sahip bir mikrofiber haline hızlı bir şekilde katılaştırmak için çok uygundur.
Abstract
Düşük Reynolds sayısındaki mikroakışkan bir kanaldan geçen bir "kılıf" sıvısı başka bir "çekirdek" akışı etrafında yönlendirilebilir ve şekli ve çekirdek akışının çapını dikte etmek için kullanılabilir. Mikroakışkan bir kanalın üst ve alt kısmındaki oluklar kılıf sıvısını yönlendirmek ve çekirdek sıvısını şekillendirmek için tasarlanmıştır. Kılıf ve çekirdek sıvılarının viskozitesi ve hidrofilizitesi eşleştirilerek, interfasiyal etkiler en aza indirilir ve karmaşık sıvı şekilleri oluşturulabilir. Kılım ve çekirdek sıvılarının göreli akış hızlarının kontrol altına uzaklıkları, çekirdek sıvının kesit alanını belirler. Lifler 300 nm ila ~1 mm arasında değişen boyutlarda üretilmiştir ve fiber kesitler çift çapa liflerinde olduğu gibi yuvarlak, düz, kare veya karmaşık olabilir. Çekirdek sıvının şekillendirme bölgesinden aşağı doğru polimerizasyonu lifleri katıleştirir. Fotoinitiated tıklama kimyaları, ultraviyole ışıkla ışınlama ile çekirdek sıvısının hızlı polimerizasyonu için çok uygundur. Sıvı kristaller, poli (methylmethacrylate), tiyol-ene ve tiol-yne reçineleri, polietilen glikol ve hidrojel türevleri dahil olmak üzere çok çeşitli şekillere sahip lifler polimerler listesinden üretilmiştir. Şekillendirme işlemi sırasında minimum kesme ve hafif polimerizasyon koşulları, imalat sürecini hücrelerin ve diğer biyolojik bileşenlerin kapsüllenmesi için de çok uygun hale getirir.
Introduction
Doku iskeleleri1,kompozit malzemeler2,optik iletişim3ve iletken hibrid malzemeler4 özel polimer lifleri kullanarak araştırma alanlarıdır. Lif üretimi için geleneksel yöntemler arasında eriyik ekstrüzyon, iplik, çizim, döküm ve elektrospinning sayar. Bu yöntemlerle üretilen polimer liflerinin çoğu, imalat sırasında polimer ve hava arasındaki yüzey geriliminden oluşan yuvarlak kesitler sergiler. Bununla birlikte, yönlendirilmemiş kesitlere sahip lifler kompozit malzemelerin mekanik özellikleriniartırabilir 5,6, yüzey alanı-hacim oranlarını artırabilir, ıslatma veya fitilleme7'yikontrol edebilir ve dalga kılavuzları8 veya polarizatörler9olarak kullanılabilir.
Başka bir akışı (çekirdek akışı) çevrelemek ve şekillendirmek için bir akış (kılıf akışı) kullanan mikroakışkan sistemler tarafından özel polimer liflerin üretimi, yüksek oranda tekrarlanabilir liflerin sürekli üretimi için hafif koşullar ve kapasite nedeniyle çekicidir. İlk deneyler, prepolimer ve kılıf sıvılarının bağıl akış hızlarına bağlı boyutlara sahip yuvarlak lifler üretti10-12. Mikroakışkan kanalın üst ve alt kısmındaki olukların, 13,14 çekirdek akışı için önceden belirlenmiş bir şekil üretmek için kılıfı saptırabileceğinin keşfi,10-12,15-17daha karmaşık lif şekilleri üretmek için teknolojiye yol açtı.
NRL araştırmacıları aşağıdaki kritik teknik özellikleri göstermiştir13-21:
- Kılıfi sıvısını çekirdek akışını şekillendirmeye yönlendirmek için çeşitli şekillendirme özellikleri kullanılabilir: oluklar veya sırtlar çizgili, köşeli çift ayraç veya herringbon olarak yapılandırılabilir.
- Bu özelliklere sahip bir araç kutusu istenen akış sonucuyla eşlenebilir.
- Mikrokanetler litografi, kalıplama, frezeleme veya baskı teknikleri kullanılarak oluşturulabilir. Substrat malzemeler prepolimer veya kılıf çözeltilerinde çözülmemeli veya aşındırılmamalı ve fotoinitiated polimerizasyonlar için dış katmanlar ultraviyole ışığa şeffaf olmalıdır.
- Tek bir şekillendirme özelliği kümesi tarafından oluşturulan şekil, kanal üzerinden akış hızları değiştirilerek değiştirilebilir. COMSOL Mikrokanellerdeki sıvı akışının multifizik simülasyonları, elde edilen sıvı ve lif şekillerini tahmin edebilir.
- Kılıf ve çekirdek sıvılarının viskozitesi ve fazının (hidrofiliklik) eşleşmesi, sıvı arayüzü boyunca kesme suşundaki değişimden kaynaklanan bükülme tipi kararsızlığını önlemek için kritik öneme sahiptir. Büyük bir viskozite veya faz uyuşmazlığı varsa viskoz bükülme meydana gelebilir, muhtemelen son lif şeklini deforme edebilir veya hatta mikrokananı tıkayabilir.
- Lifler döküm veya polimerizasyon ile oluşturulabilir, ancak polimerizasyon şekil üzerinde daha fazla kontrol sağlar.
- Polimerizasyon (çekirdek sıvının katılaşması) mikrokanalden çıkmadan önce gerçekleşmelidir. Bununla birlikte, kanal içindeki daha yavaş polimerizasyon viskozitede bir artışa, lif şeklinin artmasına ve hatta kanalın tıkanmasına neden olabilir. Polimerizasyon olaylarının zamanı ve yeri dikkatle kontrol edilmelidir.
- Hızlı reaksiyon kinetiği nedeniyle, fotoğraf kaynaklı serbest radikal polimerizasyonları, özellikle tiyol bazlı tıklama kimyaları, özellikle lif üretimi için çok uygundur.
- Göreli akış hızları, nonuniform fiber çapları oluşturmak için imalat sırasında değiştirilebilir.
- Aşağıdaki nedenlerden dolayı birden fazla şekillendirme özelliği grubu tek bir kanala entegre edilebilir:
- Şekillendirme ve boyutlandırma işlevlerini ayırmak için
- Çok katmanlı veya içi boş lifler oluşturmak için
- Tek bir mikroakışkan kanaldan birden fazla lif üretmek için
- Polimere çok düşük konsantrasyonlarda dahil edilen sıvı kristal mezojenler polarize ışık altında birefringence gösterir, bu da polimer moleküllerinin liflerin ekseni boyunca hizalanabileceğini düşündürmektedir.
- Hücreler biyouyumlu hidrojel prepolimerlere dahil edilebilir ve yüksek canlılık ile imalat sürecinde hayatta kalabilir22.
Bir prepolimer akışını şekillendirmek için bir kılıfiz akışı ile hidrodinamik odaklama kullanarak polimer lifleri imal ederken, polimer malzemelerin seçimi pratik bir ilk adımdır. Uygun polimerler, karşılık gelen başlatıcı kimyalar ve kılım sıvıları aşağıdaki kılavuzlar içinde tanımlanmalıdır:
- Polimer ve kılıfet sıvıları yanılgıya kaptır ve benzer viskoziteye sahip. Örneğin, sulu bir monomer çözeltisi suyu canlı bir kılım sıvısı olarak kullanabilir, ancak kılım sıvısı olarak heksanı kullanamaz.
- Polimerizasyon mekanizması, şekillendirdikten sonra ve lif kanaldan çıkmadan hemen önce çekirdek sıvıyı katılaştıracak kadar hızlı oranlı kinetiklere sahip olmalıdır.
Malzemeler seçildikten sonra, istenen lif şeklini ve boyutunu oluşturmak için bir mikrokanel tasarlanmalıdır. Gerekli şekillendirme özelliklerini (şeritler, herringbones, köşeli çift ayraçlar) belirlemek için, akışkan akışkan akış modellerini tahmin etmek için hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımı kullanılabilir. Şekillendirme özellikleri kılım sıvısını çekirdek sıvısının etrafına taşır. Genel olarak, şeritler kılım sıvısını kanalın üst ve alt kısmı boyunca bir taraftan diğerine taşırken, herringbonlar ve şeritler sıvıyı yanlardan kanalın üst ve/veya altına doğru uzaklaştırır ve daha sonra doğrudan yapının noktasının altındaki kanalın merkezine doğru geri döner. Kanalın üst ve alt kısmındaki tekrarlayan olukların sayısı kılım sıvısının yönlendirilme derecesini etkiler. Çekirdek ve kılım sıvısının akış hızlarının oranı da etkiye aracılık eder. COMSOL Multiphysics yazılımını kullanan simülasyonlar, kesit şeklini tahmin etmek için şekillendirme özelliklerinin ve akış hızı oranlarının etkileşimlerini değerlendirmede güvenilir olduğunu kanıtlamıştır. Bu simülasyonlar ayrıca, önerilen kanalın boyutu, viskozite ve akış hızları ile çekirdek ve kılıf arasındaki solutların yayılması hakkında yararlı bir içgörü sağlar.
Boyd ve ark.'da açıklanan "çift çapa" gibi karmaşık bir şekil isteniyorsa. 23, şekillendirme ve boyutlandırma işlevlerini ayırmak yararlıdır. Karmaşık bir şekil, bir dizi özellik ile oluşturulabilir ve daha sonra ikinci bir kılım akışının girişine yerleştirilen stratejik olarak yerleştirilmiş tek kanallı bir yapı, şeklini önemli ölçüde değiştirmeden polimerize edilebilir akışın kesit alanını azaltmak için kullanılabilir.
Karmaşık mikrokanel tasarımının başka bir örneği çok katmanlı lifler üretebilir. Bu tasarımda, sıralı şekillendirme özellikleri setleri ve ek kaplama sıvıları tanıtılmıştır. Bu eşmerkezli akışlar katı çekirdek kaplama liflerine veya içi boş borulara katılaştırılabilir. Bu cihazın bir örneği aşağıda sunulacaktır.
Mikroakışkan cihazın tasarımı seçildikten sonra, mikrokanel imalat süreci başlayabilir. Kullanılabilecek imalat aletleri arasında yumuşak litografi, CNC frezeleme, sıcak kabartma ve 3D baskı bulunur. Kullanılan aletlerden bağımsız olarak, mikroakışkan kanalın duvarına yanlışlıkla sokulan özelliklerin kılıf akışını da yönlendireceğini ve bu cihaz kullanılarak yapılan tüm liflerin kesit şeklinde yüksek oranda tekrarlanabilir sapmalara neden olabileceğini fark etmek önemlidir. Mikro kanal substrat malzemeleri de fiziksel olarak sağlam, kimyasal olarak hareketsiz ve UV hasarına dayanıklı olacak şekilde dikkatlice seçilmelidir. Örneğin, polidimetilsiloksan (PDMS) kolayca dökilebilir, conta benzeri contalar sağlar ve UV şeffaftır; PDMS, kanalın şeffaf üst kısmı için yararlıdır, ancak daha sertliğe ihtiyaç duyan kanalın kenarları ve alt kısmı için kullanışlı değildir.
Sonuç olarak, sıvı dinamiği simülasyonları tarafından tahmin edilen akış hızlarında uygun şekilde seçilmiş çekirdek ve kılıma sıvılarını tanıtarak, şekillendirme özellikleri uygun akışkan profilini oluşturacak ve aşağı akış UV kürleme lambası tasarlanan polimer liflerini katılaştıracaktır. Polimerize elyafların kanaldan sürekli ekstrüzyonu, sadece sıvı rezervuarlarının hacmi ile sınırlı uzunluklarda tekrarlanabilir lifler sağlayabilir.
Protocol
Bu protokol, fotoinitiated thiol-yne tıklama kimyası kullanılarak içi boş bir lifin imalatını açıklar. Mikrokanet, kanalın altındaki ve üstündeki şekillendirme özellikleri olarak köşeli çift ayraç oluklarına veya "çizgilere" sahiptir (Şekil 1). Üç sıvı tanıtılır ve eşmerkezli akışlara yönlendirilir; içten dış sıvı akışlarına kadar, bunlar çekirdek, kaplama ve kılım sıvısı olarak adlandırılır. Sadece kaplama akışı içi boş lifi oluşturmak için polimerize edilir. Seçilen malzemeler şunlardır:
- Çekirdek Sıvısı: PEG (M.W. = 400), ~100 mPa. sn (20 ºC)
- Kaplama Sıvısı: Thiol-yne Polimer (PETMP + ODY), Başlatıcı (DMPA)
- Kılım Sıvısı: PEG (M.W. = 400), ~100 mPa. sn (20 ºC)
Mikrokanel cihazı, CNC frezeleme ve PDMS dökümü ile üretilen alüminyum ve plastik parçalardan monte edilmiştir. Mikro kanaldaki akış üç şırınga pompası tarafından kontrol edildi.
1. Mikrokanel Tasarımı ve Simülasyon
Mikrokanal içinde hem akışkan hızını hem de konveksiyon/difüzyonu hesaplarken, gelen her sıvıya uygun viskozitenin atanması kritik öneme sahiptir.
- Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımına (COMSOL) aktarılmak üzere istenen mikrokanalin bir bilgisayar modelini oluşturun. Şekil 1'deki örnek Autodesk Inventor CAD yazılımı ile oluşturulmuştır. Aşağıdaki adımlar, bir mikro kanal içindeki sıvı akışının hesaplanması için COMSOL Multiphysics kullanımına atıfta bulunmaktadır.
- Tasarlanan mikrokananın COMSOL'a ithal edildikten sonra, Yinelemeli sıvı akış hızları Navier-Stokes çözücüye sokulabilir.
- Program ayarını başlatın ve 3D Laminar Flow+Convection/Difüzyon Denklemleri'ni seçin. Mikrokanellerde üretilen düşük Reynolds sayıları, cihaz içinde tam laminer akış sağlar.
- Sayısal hesaplamaların yapılması için sonlu eleman ağı tasarlayın. Mesh, özelliklerin hızla değiştiği alanlarda daha rafine olmalıdır (küçük bölmelere sahip olmalıdır). Ağın hem şekillendirme özelliğinde hem de çıkışta <1 μm yan uzunluğa kadar rafine edilmesi önerilir. Bu, çekirdek kılıma sıvısı arayüzünün "net" görselleştirilmesini sağlar.
- Akışkan akışı için giriş malzemesi özellikleri, yani viskozite, difüzyon sabiti ve konsantrasyon. Şu anda, çıkış akışı için sınır koşullarını da ayarlayın. Açık bir çıkışı simüle etmek için sıfır viskoz stres öneriyoruz.
- Bir dizi giriş akış hızı boyunca yinelemeli olarak bisiklete binerek akışkan akışı hızı çalışmalarını hesaplayın. Örneğin, çekirdek sıvı = 7,5 μl/dk, kılım sıvısı = 30 μl/dk.
- Mikrokanel akışının konveksiyon/difüzyon özelliklerini çözmek için hız alanı çözümlerini başlangıç değerleri olarak içe aktarın. Konveksiyon/difüzyon problemlerinin çözümü, çekirdek kılıf sıvısı arayüzünü gösterecek ve üretilen nihai sıvı akışının ve lifinin şeklini tahmin etmeye yardımcı olacaktır.
Hesaplama sonuçlarından, istenen fiber şekline elde etmek için gerekli sayıda ve şekillendirme özelliklerinin türü tahmin edilebilir. Akışkan akış hızı girişleri, liflerin üretilmesi için gerekli akış hızlarıyla da ilişkili olacaktır. Bu tahminlerle polimer liflerin ekstrüzyonu için bir mikrokanal cihaz imal edilebilir.
2. Kılıt Akış Aparatı Bileşenlerinin İmalatı
Kılıf akış cihazının bileşenlerini oluşturmak için doğrudan mikromilling, sıcak kabartma ve/veya polimer dökümünün bir kombinasyonu kullanılabilir. Kaynaklara bağlı olarak, stratejiyi buna göre seçin. Sunulan örnek, Bilgisayar Sayısal Kodu (CNC) kullanan doğrudan bir frezeleme işlemidir. Şekil 2: 1'de gösterilen beş katman vardır (yukarıdan aşağıya). Giriş aynası (alüminyum), 2. Sabitleme plakası (alüminyum), 3. Mikrokanal üst tabaka (döngüsel olefin koalimör, COC veya PDMS), 4. Mikrokanal alt tabaka (COC veya polieter eter ketonu, PEEK), 5. Sabitleme plakası (alüminyum). (Doğrudan frezeleme için örnek dosyalar Destek Bilgileri'nde *.stl biçiminde mevcuttur)
- COMSOL simülasyonlarıyla uyumlu bir tasarım kullanarak, bilgisayar destekli taslak oluşturma (CAD) aracılığıyla sistemin 3D modelini geliştirin. Cihazın her katmanı için ayrı bir CAD dosyası oluşturun.
- Bir katman doğrudan mikromilling yoluyla üretilecekse, cihazı üretmek için bilgisayar sayısal kontrollü (CNC) freze tarafından yorumlanacak sayısal kod (NC) oluşturmak için CAD modellerini bilgisayar destekli bir işleme uygulamasına içe aktarın.
- En az 3,2 mm kalınlığında 30,5 cm × 30,5 cm kurbanlık tabaka malzemelerinden oluşan 5 yaprak elde edin.
- 30,5 cm × 30,5 cm ve 3,2 mm kalınlığında COC, PEEK, alüminyum ve poli (metilasyonacrylate) her biri 1 yaprak alın.
- 30,5 cm × 30,5 cm ve 9,5 mm kalınlığında 1 yaprak alüminyum elde edin.
- 2.4-2.5 adımlarındaki sayfaların her birini çift taraflı yapıştırıcı ile 2.3. En fazla 2,5 cm dış bantlanmamış kenarlık olduğundan emin olun. Bant, frezelenirken iş malzemesini yerinde tutmaya ve frezelenmiş parça değirmen döngüsünün sonunda stok malzemesinden kesildikten sonra korumaya yarar.
- COC + kurban stoğunu CNC Değirmeni'nin masasına sabitleyin, sayısal kodda (NC) belirtilen araçları yükleyin ve aletleri ve stok (iş) malzemelerini x, y ve z olarak kalibre edin.
- NC kodunu yükleyin ve COC katmanını frezeleyin.
- Malzeme tabakasını değirmenden çıkarın ve işlenmiş parçayı substrattan dikkatlice çıkarın. Bu işlem sırasında, freze soğutma sıvısı parçayı ve stoğu doyuracaktır. Parçayı hafifçe çıkarmadan önce iyice durulayın. Hafif bir deterjanla yıkayın, ardından% 70 izopropil alkolle yıkayın. Hafif deterjan yağlı kalıntıları giderir ve alkol artık yapıştırıcıyı giderir. Çapaklar mikro mimarisinde sıkışıp kalırsa, onları yerinden çıkarmak için sonication gerekebilir.
- Kılım akış aygıtını oluşturmak için kullanılacak diğer katmanların her biri için 2.7 ve 2.9 adımlarını yineleyin.
- PMMA katmanı dışında, bu noktaya kadar hazırlanan katmanların her biri doğrudan cihazda kullanılacaktır. PMMA, 10 parça Sylgard 184 tabanını 1 parça kürleme maddesi ile birleştirerek ve karıştırarak iyice karıştırarak pdms katmanı hazırlamak için kullanılacaktır. Bu bilgiler, COC katmanlarından birini conta benzeri PDMS malzemesiyle değiştirmeyi tercih eder diye sağlanır.
- Sylgard 184'ü daha önce hazırlanan PMMA kalıp boşluğuna dökerek hava kabarcıklarının ortadan kaldırılmasını sağlayın. Gerekirse, kabarcıklar bir vakumda çıkarılabilir. PDMS oda sıcaklığında 48 saat, 100 °C'de 45 dakika, 125 °C'de 20 dakika veya 150 °C'de 10 dakika kürlenebilir.
3. Kılıt Akış Aparatı Montajı
- Bir sabitleme plakasını alta, ardından COC katmanını ve ardından diğer COC katmanını ve kalan sabitleme plakasını(Şekil 2)yerleştirerek kılım akış cihazını aşağıdan yukarıya monte edin. Şekillendirme oluklarının kanalın kenarları boyunca birbiriyle hizalanıp hizalanıp COC katmanlarındaki sıvı şekillendirme geometrilerinin mükemmel bir şekilde üst üste geldiğinden emin olun. Hizalamaya yardımcı olmak için bir diseksiyon mikroskobu kullanılabilir.
- Cıvataları cihazın ortasına yerleştirin ve cihazı birbirine sıkıştırmak için somunları ve cıvataları elle sıkın.
- Merkezin solundan sağuna değiştirerek, hizalamayı kilitlemek ve sızıntıları önlemek için 3.2 adımını merkezden dışarı doğru tekrarlayın. Montaj deliklerine ulaşıldığında giriş mandrenini ekleyin ve vidaları alternatif bir şekilde monte etmeye devam edin.
- Kılım akış cihazını kılım sıvısı ve prepolimer çözeltisi içeren boru ve şırınglara arayüz yapmak için standart HPLC bağlantı parçalarını kullanın. El sıkma tüm bağlantılar için yeterlidir.
- Cihazı bir halka standı ve kelepçe kullanarak dikey olarak monte edin. Cihazın en üstteki bir düzey kullanarak dikey olduğundan emin olun. Kılım akış cihazı dikey değilse, lif mikrokanel duvarına dokunabilir ve tıkanmaya neden olabilir.
- UV kaynağını kılıf akış cihazının COC yüzünden dik olarak ~1 cm yerleştirin, böylece mikrokanalın son 3-5 cm'si ışınlanır. UV kaynağı ~200 mW/cm2teslim etmek için kalibre edilmelidir.
4. Çözüm Hazırlama
Daha önce de belirtildiği gibi, benzer protokoller ve kılıf akış sistemleri kullanılarak mikrofiber oluşturmak için birçok malzeme kullanılabilir, ancak burada tiyol-yne kimyası kullanılır. Depolamada zamanla oluşabilecek viskozite artışını önlemek için fiber ekstrüzyon işlemine başlamadan hemen önce prepolimer çözeltisini hazırlayın.
- Kılıf sıvısı olarak hizmet etmek için bir aliquot polietilen glikol 400 (PEG 400) hazırlayın.
- 1 ml Luer uçlu bir şırınnayı PEG 400 ile doldurarak sulandırılamaz bir çekirdek sıvısı olarak hizmet edin ve kılım sıvısı olarak hizmet etmek için 30 ml Luer uçlu bir şırınnayı PEG 400 ile doldurun.
- 0.01 mol pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate (PETMP) ve 0.01 mol 1,7-oktadiyne (ODY) içeren bir prepolimer çözeltisi hazırlayın. İki bileşenin deney boyunca iyi karıştığından emin olun, tüm prepolimer reaktiflerin ortam ışığı da dahil olmak üzere UV ışık kaynaklarına maruz kalmasını en aza indirin(örneğin şırınnaları folyo ile sarın).
- PETMP / ODY çözeltisini 4 x 10-4 mol 2,2-disetoksi-2-fenilosetophenon (DMPA) fotoinatörü ile destekleyin. Kapları alüminyum folyo ile kaplayarak çözeltilerin iyi karıştırıldığından ve UV ışığına maruz kalmadıklarından emin olmaya devam edin.
- 5 ml alüminyum folyo sarılı, Luer uçlu şırınnayı prepolimer çözeltisi ile yükleyin.
5. Mikrofiber Üretimi (Video Odağı)
- Mikroakışkan kanalın çıkışının toplama banyosundaki bir çözelti ile temas halinde olduğundan emin olun (Şekil 3). Karmaşık yapılar için, toplama banyosundaki çözelti, çekirdek ve kılıfet sıvılarıyla viskozite ile eşleştirilmelidir, ancak basit içi boş lifler için su yeterlidir.
- Çekirdek, kaplama ve kılıf sıvı şırınna pompalarını sırasıyla 1, 30 ve 120 μl/dak'a demlenmeye ayarlayın. İlgili şırınd çaplarının şırınna pompalarına düzgün bir şekilde girilmiş olduğundan emin olun.
- Şırınnaları ilgili şırınna pompalarına monte edin ve UV koruyucu Tygon boru ile kılıt akış cihazına bağlayın.
- Kılım akış cihazını astarlamak ve sistemdeki havayı ortadan kaldırmak için kılım sıvısını başlatın. Mikrokanalı görsel olarak inceleyin, bir sonraki adıma geçmeden önce mikro kanal içinde hava kabarcıklarının kalmamasını sağlayın. Çizgilere özellikle dikkat edin. Mikrokanel muayenesine yardımcı olmak için bir diseksiyon mikroskobu kullanılabilir. Hava kabarcıkları varsa, hava kabarcıklarını cihazdan temizlemek için akış altındayken hafifçe döndürerek ve/veya dokunarak cihazı ajite edin.
- Kaplama sıvısını başlatın, ayrıca akışın stabilize olmasını sağlar. Bir sonraki adıma geçmeden önce mikro kanal içinde hava kabarcıklarının kalmadığından emin olun. Şekillendirme oluklarına özellikle dikkat edin. Hava kabarcıkları varsa, hava kabarcıklarını cihazdan temizlemek için akış altındayken cihazı ajite edin.
- Son olarak, çekirdek sıvısını başlatın; yine, kabarcıkların sistemde bulunmadığından emin olun.
- UV kaynağını açın ve kılıf sıvısı ile dışarı atıldığı için içi boş mikrofiberin(Şekil 4A)sürekli üretimi için toplama banyoyu gözlemleyin. Değiştirilmiş bir spatula veya aşılayan bir döngü kullanarak toplama banyosundan lifi alın ve sürekli lifin motorlu bir makadırda toplanmasına izin verin (Şekil 3).
Representative Results
İçi boş lifler oluşturmak için şekillendirme olukları ve üç çözelti girişi kullanılarak basit bir 2 aşamalı tasarım kullanılmıştır (Şekil 1). COMSOL simülasyonları, istenen kesit boyutunu elde etmek için uygun akış hızı oranlarını belirlemek için kullanılmıştır (Şekil 1, ESI Video). Frezeleme ve kalıplama kombinasyonu, lifleri imal etmek için kılı kılıba akış tertibatı için bileşenler üretti (Şekil 2). Komple montaj kılıfta akış cihazı, fiber optik bağlantılı UV lazer, üç şırıng pompası, bir toplama banyosu (beher) ve bir fiber toplama makarası(Şekil 3)içeriyordu.
Kaplama malzemesinin polimerizasyonu UV ışık kaynağı tarafından başlatıldı ve içi boş lifler mikrokanaldan toplama banyosuna ekstrüde edildi. Lif oluştu ve UV ışığı kapatılana kadar sürekli toplandı. Lif üretimi dakikalarca devam etti ve bir metre uzunluğunda tek bir lif üretti. Bu koşullar altında yapılan liflerin çapı yaklaşık 200 μm'dir. Fiberlerin yapısı optik ve elektron mikroskopisi kullanılarak görselleştirildi. Lifler içi boş bir çekirdeğe sahip oval bir şekle sahipti. Kılcal etki, lifin iç kısmına sıvı ve kabarcıklar sokmak için kullanıldı ve içi boş yapının lifin uzunluğu üzerinde sürekli olduğunu doğruladı (Şekil 4A).
Şekil 1. Kılıfet akış cihazı tasarımı ve COMSOL verileri. Düz oluklu iki bölümlü imalat cihazı, içi boş bir lif üretmek için seçildi (x ekseni 45 ° etrafında döndürüldü). Soldaki COMSOL simülasyonları, çekirdek:kaplama:kılıma akış hızı oranlarının (her simülasyonun altındaki sayılar) içi boş liflerin son boyutunu nasıl etkilediğini gösterir. Mikrokanel kesiti 1 mm x 0,75 mm'dir ve şeritler 0,38 mm genişliğinde ve 250 μm derinliğindedir. Şeritler kanala göre ∠45° seviyesindedir.
Şekil 2. Kılıfi akış tertibatının patlatılmış görünümü. Yukarıdan aşağıya, (A) giriş mandreni, (B) sabitleme plakası, (C) mikrokanel kapağı, (D) mikrokanel tabanı, (E) sabitleme plakası. Bileşenler sırasıyla alüminyum, alüminyum, COC (veya PDMS), COC (veya PEEK) ve alüminyumdan üretilmiştir. Düzenli aralıklı delikler montaj vidalarını barındırır.
Şekil 3. Düzen fotoğrafı ve şematik genel bakış. Kurulum, su banyosu içeren beher üzerine dikey olarak sabitlenmiş kılım akış tertibatı, fotopolimerizasyon için fiber optik lazer, üç şırıngam pompası ve polimer lifleri toplamak için mil içerir. Inset, UV aydınlatmalı imalat tertibatlarını gösterir. (A) Kılıf ve çekirdek girişleri, (B) mikroakışkan kanal, (C) UV ışığı, (D) toplama rezervuarı, (E) polimerize lif toplanmaktadır.
Şekil 4. Hidrodinamik odaklama kullanılarak yapılan liflerin optik ve taramalı elektron mikrografi görüntüleri. Lifler hidrodinamik odaklama kullanılarak aşağıdaki şekillerde imal edilmiştir: (A) İçi boş tüpler, (B) Dikdörtgen şeritler, (C) İnce elastik kurdeleler, (D) Üçgenler, (E) Barbunyalar, (F) İnci dizisi, (G) Gömülü karbon nanofiberli yuvarlak lif ve (H) Çift bağlantılı şekilli. Lifler akrilatlar, metakrilatlar ve tiyol-enes dahil olmak üzere çeşitli malzemelerden yapılmıştır.
ESI Video. COMSOL Multiphysics'te üretilen dilim çizimi, mikrokanallerin bir yarısını çekirdek, kaplama ve kılıf sıvılarının cihaza girdiğini ve iki aşamalı akış değiştiren çapraz şeritli oluklardan geçiş yaptığını tasvir eder. Simüle edilen çekirdek, kaplama ve kılım akış hızları sırasıyla 1, 28 ve 256 μl/dk'dır. Video gerçek zamanlı olarak ~6 sn'yi temsil eder, açıklayıcı amaçlar için 6 kat yavaşladı.
Discussion
Polimer liflerin kılım akışı yaklaşımını kullanarak imalatı, diğer lif imalat tekniklerine göre birden fazla avantaja sahiptir. Bu avantajlardan biri, çeşitli reaktif kombinasyonlarını kullanarak lifler üretebilme yeteneğidir. Burada belirli bir tiyol-yne kombinasyonu sunulmasına rağmen, diğer birkaç tiol tıklaması (thiol-ene dahil) kimya kombinasyonları eşit derecede iyi çalışır. Kılım çözeltisi polimerize edilecek çekirdek malzeme ile yanıltıldığı sürece lif üretmek için çok çeşitli kombinasyonlar kullanılabilir. Bu katkı maddelerinin prepolimer çözeltisinin viskozitesine katkıları dikkate alındığı sürece nanofiberler, parçacıklar ve hücreler gibi inklüzyonlar da mümkündür.
Tiyol tıklama kimyası, tiyol grubuna sahip bir kompleksin UV ışık fotopolimerizasyonu ile alkene (çift bağ) veya alkin (üçlü bağ) fonksiyonel grubu olan bir komplekse kurcalanabilir olduğu tıklama kimyası ailesinin bir alt kümesidir. Alkenes içeren reaksiyonlar thiol-ene reaksiyonları olarak, alkinleri içeren reaksiyonlar ise thiol-yne reaksiyonları olarak adlanır. Bir pi bağı (bir alkene veya alkinden) UV ışık ışınlanması üzerine bir tiyol grubuna bağlanır. İşlem, tıklama reaksiyon ailesine iyi uyum sağlar ve mikroakışkan kanalımızda çok sayıda tiyol tıklama başlangıç bileşeninden çeşitli şekillerde(örneğin yuvarlak, kurdele şeklinde, çift çapa) lifler üretmek için etkili bir şekilde kullanılmıştır.
Burada özetlenen yöntemin diğer benzer süreçlerin çoğuna kıyasla özel bir avantajı, üretilen liflerin hem şeklini hem de boyutunu kontrol etme yeteneğidir (Şekil 4A-H). Çizgili, köşeli çift ayraçlı veya herringbonlu bir kanal tasarlayarak, üretilen lif farklı bir kesit şekline sahip olacaktır. Genel olarak, şeritler yuvarlak şekiller üretmek veya daha önce şekillendirilen akışları tamamen çevrelemek ve polimerizasyondan önce kanal duvarlarından uzaklaştırmak için ek kılı kılı kılıt akışlarının tanıtılması için yararlıdır. Köşeli çift ayraçlar, yatay simetriyi koruyarak şekilli akışın ortasındaki dikey boyutu azaltır. Herringbonlar, şekilli akışın bir tarafının dikey boyutunu azaltarak asimetri üretir. Bu şekillendirme araçları sayısız kombinasyon halinde karıştırılabilir. Eşdeğer özelliklerin sayısı(yani 7 köşeli çift ayraç ve 10 köşeli çift ayraç) farklı kesit profillerine sahip lifler üretmek için de kullanılabilir.
Lif şeklini kontrol etme yeteneğine ek olarak, sunulan lif imalat metodolojisi, tek bir kılıf akış tertibatı kullanarak bile üretilen liflerin boyutunu kontrol etme yeteneğine sahiptir(örneğin Şekil 1). Kılıma:çekirdek akış hızı oranının ayarlanması, farklı kesit alanlarına sahip liflerin imalatının bir yoludur. Kanal tasarımını ek kılıf aşamalarına sahip olacak şekilde ayarlayarak fiberin boyutunu kontrol etmek de mümkündür. Şekillendirme ister bir veya daha fazla aşamada gerçekleşse de, şekli değiştirmeden çekirdeğin boyutunu küçültmek için basit bir son aşama kullanılabilir.
Bu mikroakışkan kanal tasarımını kullanarak çeşitli şekil ve boyutlarda lifler üretmek için çok sayıda reaktif kombinasyonunun kullanılabilme kolaylığı, doku mühendisliğinden optik iletişime ve akıllı tekstillere kadar çok çeşitli uygulamalarda yararlı olacaktır.
Disclosures
Referanslarda listelenen patentler Deniz Kuvvetleri Bakanlığı'ndan(http://www.nrl.navy.mil/doing-business/tech-transfer/)lisans alınabilir.
Acknowledgments
Darryl A. Boyd ve Michael A. Daniele, Ulusal Araştırma Konseyi Doktora Sonrası Bursiyerleridir. Çalışma ONR/NRL Çalışma Birimleri 4286 ve 9899 tarafından desteklendi. Görüşler yazarların görüşleridir ve ABD Donanması veya Savunma Bakanlığı'nın görüşünü veya politikasını temsil etmez.
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).
