Articolo metodologico

Patterning e innesto indotti dalla luce per superfici scivolose basate su strutture nanoporose rivestite di silano

DOI:

10.3791/69270

⸱

14 novembre 2025

 ,  ,  ,  ,  , 
1Global Institute for Advanced Nanoscience & Technology, Changwon National University, 2Department of Smart Manufacturing Engineering, Changwon National University

* These authors contributed equally

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Questo protocollo presenta un metodo indotto dalla luce per la fabbricazione di strutture tridimensionali scivolose tramite patterning digitale sequenziale e innesto su superfici nanoporose rivestite di silano. Questo approccio consente la formazione spazialmente controllata di regioni scivolose, consentendo la repellenza ai liquidi modellata e l'analisi quantitativa della scivolosità interfacciale, con applicazioni nella manipolazione dei fluidi e nell'ingegneria delle superfici.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Questo protocollo descrive un metodo indotto dalla luce per la fabbricazione di superfici scivolose spazialmente modellate tramite l'elaborazione digitale della luce (DLP) e la separazione di fase indotta dalla polimerizzazione. Una resina poliuretanica acrilica fotopolimerizzabile (PUA) viene miscelata con un porogeno solubile in acqua (PEG-200) ed esposta selettivamente alla luce ultravioletta (UV) utilizzando un sistema di proiezione DLP. Questo processo induce contemporaneamente la reticolazione del polimero e la separazione della fase porogena. Dopo la rimozione del porogeno, rimane una struttura nanoporosa, che viene modificata chimicamente tramite l'attivazione dell'ozono UV e la silanizzazione in fase vapore per migliorare l'idrofobicità. L'olio di silicone viene quindi infuso e innestato in modo covalente sulla superficie utilizzando luce UV a più lunghezze d'onda, formando uno strato stabile di polidimetilsilossano (PDMS). La superficie risultante presenta una forte repellenza ai liquidi, un'isteresi a basso angolo di contatto e un'elevata trasparenza ottica. La bagnabilità viene valutata quantitativamente utilizzando misure dell'angolo di contatto e dell'isteresi con acqua, ottano, miele e saliva umana artificiale. Questo metodo consente la scivolosità selettiva, dimostrata dirigendo le goccioline a base d'acqua lontano dai domini scivolosi verso le regioni idrofile non trattate, formando modelli liquidi ben definiti. L'approccio supporta la fabbricazione ad alta risoluzione e senza maschera su substrati flessibili e la modellazione scalabile per applicazioni in microfluidica, trasporto di goccioline, raccolta dell'acqua e dispositivi biomedici.

Introduzione

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Le superfici porose infuse di liquidi scivolosi (SLIPS)1 sono interfacce bioispirate che respingono un'ampia gamma di liquidi bloccando i fluidi lubrificanti all'interno di strutture solide micro o nanostrutturate 2,3. A differenza delle superfici superidrofobiche ispirate al loto4, gli SLIPS utilizzano un'interfaccia liquido-liquido stabilizzata, che consente alle goccioline di muoversi con un attrito minimo. Presentano onnifobicità, isteresi a basso angolo di contatto e comportamento autorigenerante 3,5 guidato dalla ridistribuzione del lubrificante indotta dai capillari6. Queste proprietà rendono SLIPS interessante per applicazioni in microfluidica7, antivegetativa 6,8, antighiaccio 9,10,11, raccolta dell'acqua 12,13,14 e superfici autopulenti 15.

Tuttavia, l'estensione di SLIPS a superfici geometricamente complesse o spazialmente modellate rimane impegnativa. Le tecniche di fabbricazione convenzionali per scaffold porosi, come la fotolitografia16,17, l'anodizzazione18, la gelificazione 6,19 e l'elettrofilatura20, richiedono molto tempo e più fasi di lavorazione. La modellazione a deposizione fusa (FDM)21,22, un approccio standard alla stampa 3D, è stata utilizzata anche per creare SLIPS stampando polimeri porosi e infondendoli con lubrificanti. Sebbene sia più accessibile, l'FDM ha una deposizione lenta, punto per punto e una risoluzione limitata, che rende difficile fabbricare in modo efficiente caratteristiche superficiali fini o modelli di grandi aree. Inoltre, gli SLIP prodotti da queste tecniche sono tipicamente uniformemente scivolosi, il che ne limita l'utilità nelle applicazioni che richiedono un controllo selettivo dei liquidi.

Per ovviare a queste limitazioni, viene introdotto un metodo indotto dalla luce per la fabbricazione di superfici scivolose modellate utilizzando l'elaborazione digitale della luce (DLP)23. La DLP consente la proiezione rapida e ad alta risoluzione delle immagini progettate su materiali fotopolimerizzabili. Combinando la DLP con la separazione di fase indotta dalla polimerizzazione, si formano microstrutture nanoporose con capacità di ritenzione del lubrificante. Una resina poliuretanica acrilica fotopolimerizzabile (PUA) viene miscelata con un porogeno solubile in acqua ed esposta alla luce ultravioletta (UV) modellata, inducendo la reticolazione e la separazione della fase porogena. Il successivo lavaggio rimuove il porogeno, lasciando una matrice porosa.

La superficie viene successivamente silanizzata con ottadeciltriclorosilano (OTS) per migliorare l'idrofobicità24 e infusa con olio di silicone. Una breve esposizione ai raggi UV induce l'innesto covalente di uno strato di pennello di polidimetilsilossano (PDMS) 6,19,25 sul substrato, ancorando chimicamente il lubrificante e migliorando la stabilità interfacciale a lungo termine. Le caratteristiche delle superfici fabbricate, tra cui l'angolo di contatto statico, l'isteresi dell'angolo di contatto, l'angolo di scorrimento, la velocità di scorrimento e la trasmittanza ottica, sono valutate quantitativamente. Inoltre, un test di patterning liquido dimostra la scivolosità selettiva guidando le goccioline d'acqua verso le regioni non trattate. In questo lavoro, viene introdotta una fabbricazione SLIPS modellata indotta dalla luce tramite DLP, che consente il controllo spaziale dei domini scivolosi senza richiedere fotolitografia, anodizzazione o gelificazione complesse. Legando chimicamente il lubrificante tramite innesto fotoindotto su superfici nanoporose progettate, il metodo proposto produce superfici scivolose stabili e ad alta risoluzione adatte per la manipolazione selettiva di goccioline in microfluidica13, sistemi di raccolta dell'acqua 12,13,14 e dispositivi biomedici26,27.

Protocollo

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NOTA: Una panoramica schematica di questo processo è riportata nella Figura 1. I materiali e le attrezzature utilizzati in questo studio sono elencati nella Tabella dei materiali.

1. Superficie nanoporosa

  1. Miscelare la resina PUA fotopolimerizzabile con polietilenglicole-200 (PEG-200) come porogeno con un rapporto in peso del 50% in peso. Mescolare il composto a 500 giri/min per 5 minuti utilizzando un agitatore magnetico.
  2. Erogare la soluzione miscelata su un film di polietilene tereftalato (PET) sotto forma di goccioline sessili. Coprire le goccioline con un film di etilene propilene fluorurato (FEP) e applicare una pressione uniforme con un sistema roll-to-plate28 per garantire una diffusione uniforme.
  3. Esporre la resina PUA alla luce UV (365 nm) a una dose di energia di 180 mJ/cm2 con un sistema di polimerizzazione UV a LED per indurre la polimerizzazione. Dopo l'indurimento, rimuovere le pellicole FEP.
  4. Immergere il campione polimerizzato in acqua deionizzata (DI) per 1 ora per estrarre il PEG-200 non reagito. Asciugare il campione poroso in un forno a 70 °C per 1 ora per rimuovere l'acqua residua e finalizzare la fabbricazione della superficie nanoporosa (Figura 2).
    NOTA: Dopo l'essiccazione, un aspetto biancastro e opaco indica che PEG-200 è stato completamente rimosso e che esistono nanopori.

2. Superficie trattata OTS

  1. Eseguire il trattamento con ozono UV a lunghezze d'onda di 185 e 254 nm con un'intensità UV di 25 mW/cm2 per 20 minuti per introdurre gruppi ossidrilici sulla superficie come pretrattamento per la formazione di monostrato autoassemblato (SAM) OTS. Eseguire questo processo in condizioni ambientali standard di laboratorio a temperatura ambiente e pressione atmosferica.
    CAUTELA: Il trattamento con ozono UV genera ozono (O3) e specie reattive dell'ossigeno (ROS) in seguito all'esposizione a luce UV a 185 nm e 254 nm. Questi sottoprodotti sono dannosi per la salute umana e possono irritare il sistema respiratorio. Assicurarsi che il sistema di ozono UV sia collegato a un sistema di scarico o di estrazione dei fumi funzionante.
    L'esposizione prolungata all'ozono UV oltre i 20 minuti può danneggiare la superficie del polimero e causare deformazioni strutturali.
  2. Posizionare una piastra riscaldante all'interno di una scatola a guanti piena di azoto. Posizionare un becher pulito sulla piastra riscaldante ed erogare 1 mL di soluzione OTS sul fondo del becher sotto forma di gocciolina sessili.
    CAUTELA: L'ottadeciltriclorosilano è altamente reattivo con l'umidità e genera acido cloridrico gassoso corrosivo (HCl) dopo l'idrolisi. Può irritare la pelle, gli occhi e il sistema respiratorio. Maneggiare l'OTS solo in una scatola a guanti piena di azoto e indossare dispositivi di protezione individuale (DPI) adeguati, inclusi guanti, occhiali di sicurezza e camice da laboratorio.
  3. Fissare i campioni di pellicola in PET su vetrini. Capovolgere i vetrini e posizionarli a faccia in giù sopra il becher per condurre la deposizione in fase vapore di OTS. Riscaldare la configurazione a 120 °C per 40 min.
    NOTA: La sovraverniciatura dell'OTS dovuta a un riscaldamento eccessivo o a un'esposizione prolungata può causare difetti superficiali.
  4. Rimuovere i campioni dal vano portaoggetti e pulire il becher con un panno privo di lanugine.
    NOTA: Se il becher non viene pulito correttamente, l'OTS residuo può solidificarsi e apparire bianco, compromettendo le condizioni di lavorazione ripetute.

3. Innesto indotto dalla luce

  1. Eseguire il trattamento con ozono UV a lunghezze d'onda di 185 e 254 nm con un'intensità UV di 25 mW/cm2 per 20 minuti sulla superficie rivestita in OTS per introdurre gruppi ossidrilici come fase di pretrattamento per l'innesto covalente dello strato di pennello PDMS. Questo processo viene condotto in condizioni ambientali standard di laboratorio a temperatura ambiente e pressione atmosferica.
    NOTA: Questo passaggio è fondamentale. Senza l'attivazione dell'ossidrile, lo strato di pennello PDMS non si forma e non si svilupperà un'interfaccia scivolosa.
  2. Applicare 20 μL/cm2 di olio siliconico 10 cS sulla superficie mediante deposizione di goccioline sessili per garantire un rivestimento uniforme.
  3. Irradiare il campione per 15 minuti con una lampada UV ad alta intensità posizionata a 15 cm sopra la superficie. Utilizza una sorgente a più lunghezze d'onda con picchi prominenti a 207 nm (149 mW/cm2), 214 nm (155 mW/cm2), 296 nm (125 mW/cm2), 317 nm (93 mW/cm2) e 321 nm (89 mW/cm2). L'irraggiamento produce calore e il substrato raggiunge i 103,3 ± 5,2 °C, facilitando la formazione di pennelli covalenti.
    ATTENZIONE: Durante l'irradiazione UV ad alta intensità, l'olio siliconico può raggiungere temperature elevate (>100 °C). Sebbene l'olio di silicone in sé abbia una bassa tossicità acuta, l'inalazione di nebbia d'olio può causare irritazione respiratoria. A temperature elevate, la sua volatilità aumenta e l'esposizione prolungata in spazi scarsamente ventilati o chiusi può comportare rischi per la salute. Indossare occhiali che bloccano i raggi UV e garantire un'adeguata ventilazione di scarico per sfiatare l'ozono. Tenere i materiali infiammabili o volatili lontani dall'impianto per evitare rischi di incendio dovuti al calore e all'esposizione ai raggi UV.
  4. Inclinare il campione con un angolo di 30° e mantenerlo per 5 minuti per consentire all'olio di silicone in eccesso di defluire dalla superficie.
    NOTA: Il successo del drenaggio è confermato quando la superficie presenta un film sottile e uniforme di olio siliconico senza ristagni o grandi goccioline visibili.

4. Fabbricazione di strutture scivolose modellate

  1. Progetta le forme desiderate con software CAD (ad es. CATIA) ed esportale come file STL (ingranaggio, labirinto e testo JoVE; File supplementare 1, File supplementare 2, File supplementare 3 e File supplementare 4). Carica i file STL nel software di slicing (ad esempio, Carima Slicer) per generare immagini di proiezione 2D compatibili con la stampante 3D DLP. Inviare i file risultanti alla stampante per la proiezione digitale della luce.
  2. Posizionare la pellicola rivestita di soluzione polimerica (dal passaggio 1.2) sulla finestra della stampante DLP. Esporre il campione a una luce UV a 365 nm a un'intensità di 180 mJ/cm2 con il pattern digitale proiettato per polimerizzare selettivamente la resina.
  3. Immergere il campione esposto in acqua deionizzata per 1 ora per estrarre PEG-200. Asciugare il campione in un forno a 70 °C per 1 ora per rimuovere l'acqua residua e produrre la struttura nanoporosa. Condurre il trattamento superficiale OTS e l'innesto indotto dalla luce per completare la fabbricazione di superfici scivolose modellate.

Risultati

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Le superfici nanoporose fabbricate tramite separazione di fase indotta dalla polimerizzazione hanno mostrato una distribuzione granulometrica dominante di 60-100 nm, come mostrato nella Figura 2. Questa distribuzione è stata confermata da tre misurazioni replicate utilizzando immagini SEM ad alta risoluzione. Le immagini SEM sono state elaborate tramite analisi di immagini basate su pixel in MATLAB per determinare i diametri dei pori, ipotizzando una sezione trasversale circolare.

L'angolo di contatto statico dell'acqua misurato sulla superficie porosa era di 84,4 ± 1,4°, sulla base di cinque test replicati con 5 μL di goccioline d'acqua sessili (Figura 3A). Per valutare i cambiamenti nella bagnabilità superficiale, l'angolo di contatto è stato monitorato attraverso le fasi di modifica della superficie, tra cui la formazione della struttura nanoporosa, l'attivazione dell'ozono UV, la silanizzazione e l'innesto PDMS indotto dalla luce. Dopo la silanizzazione, la superficie è diventata idrofoba; tuttavia, un secondo trattamento UV-ozono, eseguito prima dell'innesto PDMS, ha temporaneamente ridotto l'angolo di contatto perché sono stati introdotti gruppi ossidrilici. Questa riduzione è stata invertita dalla formazione di uno strato di pennello PDMS legato covalentemente, ripristinando l'idrofobicità della superficie29. A differenza dei rivestimenti in olio siliconico libero, che possono esaurirsi facilmente, la spazzola PDMS vincolata fornisce uno strato molecolare stabile e flessibile che trattiene il lubrificante e consente un comportamento scivoloso a lungo termine11. Se il processo di innesto non viene completato, le goccioline rimangono bloccate sulla superficie e non riescono a scivolare, indicando che la fase di innesto è essenziale per ottenere un comportamento scivoloso.

Convalidare il comportamento scivoloso di quattro liquidi rappresentativi (Figura 3B) - acqua deionizzata, ottano (bassa tensione superficiale), miele (alta viscosità) e saliva umana artificiale (un imitatore di biofluidi; soluzione sintetica commerciale) - il loro angolo di contatto (Figura 3C), l'angolo di scorrimento (Figura 3D), la velocità di scorrimento (Figura 3E) e l'isteresi dell'angolo di contatto (CAH) (Figura 3F). Per ogni liquido, è stata utilizzata una goccia sessile da 5 μl per misurare gli angoli di contatto e di scorrimento (velocità di inclinazione: 0,8°/s) e un'altra gocciolina da 5 μl è stata posizionata su una superficie inclinata di 30° per misurare la velocità di scorrimento su una distanza di 8,5 mm. La CAH è stata quantificata in ogni caso. Tutti i test di comportamento scivoloso sono stati eseguiti in quintuplicato. In ogni esperimento, gli angoli di scorrimento sono rimasti al di sotto dei 3°. La velocità di scorrimento del miele era notevolmente inferiore perché la sua elevata viscosità provoca una maggiore dissipazione viscosa interna, che resiste fortemente al movimento delle goccioline a parità di forza motrice. Inoltre, il CAH è rimasto al di sotto di 10° (Figura 3F), indicando un'interfaccia scivolosa robusta e omnifobica.

Prima di implementare il protocollo di patterning scivoloso con proiezione DLP, la risoluzione di stampa della resina PEG-PUA è stata valutata utilizzando modelli di test lineari e spaziali (Figura 4). Data la risoluzione nativa in pixel del chip DMD (50 μm x 50 μm), la larghezza minima della linea è stata fissata a 50 μm, con aumenti incrementali fino a 300 μm. Ogni larghezza di linea è stata fabbricata e analizzata cinque volte. Le caratteristiche da 50 μm hanno mostrato un'elevata fedeltà alla geometria progettata (50,3 ± 6,3 μm). Tuttavia, le deviazioni dimensionali sono leggermente aumentate con caratteristiche più ampie, probabilmente a causa della diffusione della luce e della diffusione laterale durante l'esposizione di aree più ampie, portando a una sovrapolimerizzazione oltre i limiti del modello previsto. Questi effetti di sovrapolimerizzazione sono comunemente osservati nelle resine fotopolimeriche che non sono progettate appositamente per la produzione additiva. In questo studio, la resina PEG-PUA è stata inizialmente sviluppata per il fotopatterning e non è stata ottimizzata per la stampa 3D, il che probabilmente ha contribuito a questo comportamento. Tuttavia, tali limitazioni possono essere mitigate ottimizzando la composizione della resina e le caratteristiche di fotopolimerizzazione.

Con il processo DLP sono state fabbricate con successo superfici nanoporose modellate con disegni a forma di lettera (JoVE) e grafici (labirinto, ingranaggio) (Figura 5A). Dopo aver completato tutte le fasi di modifica della superficie, tra cui la silanizzazione, l'attivazione dell'ozono UV, l'innesto PDMS e l'infusione di olio di silicone, i modelli sono diventati otticamente trasparenti (Figura 5B). Questa transizione deriva dal disallineamento dell'indice di rifrazione tra l'aria (na = 1,0) e la matrice polimerica (np = 1,5), che provoca la dispersione nelle strutture porose non riempite. Dopo l'infiltrazione con olio siliconico (ns = 1,4), il contrasto dell'indice di rifrazione è stato ridotto, ottenendo una superficie visibilmente trasparente con trasmittente superiore al 90% (Figura 5C). Quando è stato applicato l'inchiostro contenente acqua, le goccioline sono migrate selettivamente verso le regioni idrofile non trattate (ad esempio, il film PET), evitando i domini scivolosi (Figura 5D), formando così modelli di liquidi ben definiti (Figura 5E). Questi risultati dimostrano che il protocollo consente un efficace controllo spaziale della bagnabilità superficiale.

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Figura 1: Schema del processo di fabbricazione di una superficie scivolosa modellata digitalmente costruita su una struttura nanoporosa rivestita di silano. (A) Processo roll-to-plate per il rivestimento uniforme della resina PEG-PUA tra un film PET e un film FEP, seguito da patterning indotto dalla luce con un sistema di proiezione DLP. (B) Sequenza di fabbricazione della superficie scivolosa: (fase 1) formazione di una superficie nanoporosa mediante separazione di fase; (passaggio 2) trattamento con ozono UV per generare gruppi ossidrilici sulla superficie nanoporosa; (passaggio 3) deposizione da vapore OTS per formare un SAM idrofobo; (fase 4) secondo trattamento con ozono UV per introdurre i gruppi ossidrilici sulla superficie del SAM; (fase 5) infiltrazione di olio siliconico; (fase 6) innesto superficiale indotto dalla luce per formare uno strato di pennello PDMS. Abbreviazioni: PEG-PUA = Polietilenglicole-Poliuretanico acrilato; PET = Polietilene tereftalato; FEP = Etilene propilene fluorurato; DLP = Elaborazione digitale della luce; OTS = Ottadeciltriclorosilano; SAM = Monostrato autoassemblato; PDMS = Polidimetilsilossano. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 2: Superficie nanoporosa fabbricata. (A) Immagine SEM e fasi di elaborazione delle immagini per l'analisi delle dimensioni dei nanopori: (i) immagine SEM originale; (ii) mappa di profondità che mostra la profondità relativa dei pori con una scala di pseudocolori derivata dalla luminosità; (iii) immagine binarizzata per la segmentazione della regione dei pori; (iv) etichettatura dei pori, in cui a ciascun poro viene assegnato un colore distinto. Barra di scala = 500 nm. (B) Distribuzione dimensionale dei nanopori. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 3: Analisi della bagnabilità superficiale. (A) Misure dell'angolo di contatto con l'acqua (5 μL) dopo ogni fase di fabbricazione: superficie porosa (fase 1), superficie trattata con ozono UV (fase 2), superficie rivestita OTS (fase 3), SAM trattata con ozono UV (fase 4), superficie rivestita con olio di silicone (fase 5) e superficie innestata con luce (fase 6). (B) Tensione superficiale di vari liquidi: ottano (28,7 ± 0,5 mN/m), acqua (70,6 ± 4,4 mN/m), miele (51,0 ± 0,2 mN/m), saliva umana artificiale (66,7 ± 0,4 mN/m) (C) Angolo di contatto statico, (D) Angolo di scorrimento (5 μL), (E) Velocità di scorrimento (5 μL) e (F) Isteresi dell'angolo di contatto (CAH) misurata per le goccioline di questi liquidi. Tutti gli esperimenti sono stati eseguiti a temperatura ambiente e con un'umidità relativa del 40 ± 5%. Le barre e i punti rappresentano i valori medi e le barre di errore indicano la media ± SD (n = 5 esperimenti indipendenti). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 4: Strutture di microlinee stampate per il test di risoluzione del sistema DLP, con larghezze di linea misurate nel punto medio di ogni linea (cinque ripetizioni). Barra della scala = 500 μm. I punti rappresentano i valori medi e le barre di errore indicano la media ± SD (n = 5 esperimenti indipendenti). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 5: Superfici modellate fabbricate a partire da immagini progettate digitalmente tramite proiezione DLP. (A) Superfici nanoporose prima dell'infiltrazione di olio siliconico, che mostrano opacità. Modelli: (i) ingranaggio, (ii) labirinto, (iii) testo JoVE. Barra scala: 10 mm. (B) Superfici scivolose dopo infiltrazione di olio siliconico, che appaiono trasparenti. Modelli: (i) ingranaggio, (ii) labirinto, (iii) testo JoVE. (C) Confronto della trasmittanza ottica tra le superfici scivolose e porose. (D) Rimozione selettiva delle goccioline d'acqua indirizzate verso le regioni idrofile designate (film PET) sulla superficie scivolosa. (E) Modellazione guidata da liquidi con goccioline d'acqua sulla superficie scivolosa. Modelli: (i) ingranaggio, (ii) labirinto, (iii) testo JoVE. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussione

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Un passaggio critico in questo protocollo è la formazione di una struttura nanoporosa tramite separazione di fase indotta dalla polimerizzazione durante la polimerizzazione UV basata su DLP. La miscelazione di PEG-200 con una resina PUA fotopolimerizzabile e la successiva irradiazione della miscela con luce UV modellata producono reti porose reticolate e strutture spazialmente definite che trattengono efficacemente i lubrificanti1. Per consentire il successivo innesto di uno strato di pennello PDMS11, la fondazione di un'interfaccia scivolosa stabile con ozono UV è stato eseguito due volte durante il processo: in primo luogo, per introdurre gruppi ossidrilici sulla superficie porosa del polimero prima della silanizzazione e, in secondo luogo, per riattivare la superficie silanizzata prima dell'innesto PDMS.

È necessario prestare attenzione durante entrambe le fasi UV-ozono, poiché l'esposizione a condizioni di alta energia, come la luce UV a lunghezza d'onda corta e temperature elevate, può danneggiare il substrato polimerico o deformare la struttura superficiale25. Dopo la seconda fase dell'ozono UV, l'olio di silicone si è depositato sulla superficie attivata. La successiva esposizione ai raggi UV a più lunghezze d'onda avvia l'innesto delle catene PDMS. Sebbene la reazione sia guidata principalmente dalla luce UV, l'energia termica che la accompagna supporta le interazioni molecolari e promuove un robusto legame superficiale. Questo processo di innesto porta alla formazione di uno strato di pennello PDMS ancorato covalentemente, con conseguente creazione di interfacce scivolose stabili caratterizzate da bassi angoli di scorrimento, basso CAH e elevata velocità di scorrimento. Tuttavia, un'idrossilazione insufficiente durante entrambe le fasi dell'ozono UV può comportare uno scarso innesto e una riduzione delle prestazioni scivolose. Inoltre, se l'intensità UV utilizzata durante la fase di polimerizzazione per fabbricare la superficie nanoporosa scende al di sotto del valore raccomandato, la superficie tende a diventare eccessivamente ruvida e la dimensione dei pori altamente irregolare e lo strato nanoporoso può persino delaminarsi dal substrato PET durante il risciacquo23. Inoltre, sebbene le superfici nanoporose possano essere fabbricate aumentando il contenuto di PEG-200 oltre il 50% in peso, le strutture risultanti mostrano spesso pori dilatati e una maggiore rugosità superficiale, che può ostacolare il comportamento scivoloso poiché le goccioline si incastrano all'interno dei grandi pori. Pertanto, i parametri di fabbricazione devono essere attentamente mantenuti entro gli intervalli prescritti.

Una limitazione di questo protocollo riguarda la fabbricazione di strutture scivolose di grandi dimensioni o completamente 3D (su scala millimetrica) utilizzando formulazioni di resina trasparente nella produzione additiva. A causa dell'elevata trasmittanza ottica della resina PEG-PUA, la luce UV può penetrare oltre lo strato di esposizione previsto e avviare l'indurimento in regioni incassate o concave. Ciò può causare solidificazioni involontarie e una perdita di fedeltà strutturale, in particolare all'interno delle cavità interne. Pertanto, l'estensione di questo metodo alle architetture 3D volumetriche scivolose rimane impegnativa senza ulteriori ottimizzazioni delle proprietà di assorbanza ottica della resina23.

Nonostante questa limitazione, il protocollo offre chiari vantaggi rispetto ai metodi convenzionali di fabbricazione SLIPS. A differenza degli approcci basati su FDM22, che sono limitati da basse risoluzioni e deposizione lenta, punto per punto, o da tecniche di anodizzazione e gelificazione20, che richiedono procedure a più fasi e modelli rigidi, il metodo basato su DLP proposto consente la fabbricazione diretta di substrati porosi infusi di lubrificante attraverso un processo di proiezione in un'unica fase, senza maschera e programmabile digitalmente. Questo approccio non solo riduce i tempi di fabbricazione, ma semplifica anche la procedura e aumenta sostanzialmente la produttività della modellazione, consentendo la produzione efficiente di superfici modellate. Inoltre, il processo è compatibile con substrati flessibili come i film in PET. Inoltre, la strategia di separazione di fase indotta dalla luce offre un'alta risoluzione, flessibilità di patterning e formazione semplificata di scaffold porosi in grado di trattenere i lubrificanti. L'uso di processi fotoindotti facilita anche l'integrazione con substrati modellati, consente la scivolosità selettiva e supporta la fabbricazione scalabile di strutture multiscala. Nel loro insieme, questi vantaggi rendono il metodo particolarmente adatto per applicazioni come il trasporto direzionale di goccioline, la microfluidica a canale aperto, i rivestimenti antivegetativi8 e i sistemi di raccolta dell'acqua13,14, dove è essenziale un controllo spaziale preciso della bagnabilità superficiale.

Dichiarazioni

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.

Ringraziamenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Questo lavoro ha ricevuto il sostegno delle sovvenzioni della National Research Foundation of Korea (NRF) finanziate dal governo coreano (MSIT) (n. 2023R1A2C3006499 e RS-2023-00238462). Questa ricerca è stata supportata anche dall'iniziativa LAMP (Global Learning & Academic Research Institution for Master's and PhD Students and Postdocs) della National Research Foundation of Korea (NRF) finanziata dal Ministero dell'Istruzione (n. RS-2024-00444460).

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Sistema LED UV a 365 nmLichtzenLZL-FL-220220-CApparecchiature per la polimerizzazione UV
Saliva artificialeTMABIOTB0924Saliva umana artificiale (un biofluido mimico; soluzione sintetica commerciale)
Carima SlicerCARIMAV2.0Software di slicing
CATIASistemi DassaultV5R20Software CAD
Acqua deionizzata (DI)CHIMICA DI PULIZIA COREANAKCU-PW3Risciacquo e rimozione del porogeno
Stampante 3D DLP (UV 365 nm)CARIMAIMD-CApparecchiature per la patterning digitale
Film di etilene propilene fluorurato (FEP)ALPHAFLONFEP0250Film di uscita
PortaoggettiMADE LABG801Utilizzato per la maneggiazione sicura di materiali pericolosi
Agitatore a piastra caldaCorningPC-420DPiastra riscaldante e Apparecchiature per agitatori magnetici (5" x 7")
Sistema di lampade UV multi-lunghezza d'ondaRaynicsRX-H1000SApparecchiature per l'innesto indotte dalla luce
Ottadeciltriclorosilano (OTS)Sigma-Aldrich104817Rivestimento superficiale idrofobo
FornoSH ScientificSH-VDO-30NHUtilizzato per l'essiccazione dei campioni
Resina fotopolimerizzabileTecnologia MinutaMINS-311RMResina a base di acrilato di poliuretano (PUA)
Polietilenico glicole (PEG) 200Industria chimica di TokyoP0840Porogen
Film di polietilene tereftalato (PET)DP bluSubstrato per l'imprinting
Olio di siliconePolimero Shin-EtsuKF-96-10CS10cS
SmartDropFemtobiomedMisurazione dell'angolo di contatto
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Riferimenti

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