Fabbricazione microfluidica di fibre polimeriche e bioibride con dimensioni e forma predesignate

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di dimostrare la modellazione di fluidi complessi osservati dalla produzione di microfibre. Ciò si ottiene assemblando un canale microfluidico con scanalature specifiche per produrre un nucleo realizzabile in polimero con una forma della sezione trasversale predeterminata. Come seconda fase, viene preparata una soluzione prepolimerica, che verrà modellata e polimerizzata una volta passata attraverso il canale.

Successivamente, la luce UV viene attivata nella parte inferiore del canale per polimerizzare il materiale polimerico. Queste micrografie elettroniche a scansione mostrano diverse forme di microfibra che sono state fabbricate. Allo stesso modo, i vantaggi di questa tecnica rispetto ad altri metodi esistenti come l'elettrofilatura e la filatura a fusione, includono il fatto che questa tecnica può essere eseguita a temperatura ambiente e questa tecnica può essere utilizzata con una varietà di materiali polimerici ragionevoli.

Inoltre, questa tecnica non richiede alte tensioni. Non richiede temperature elevate seguite da tempi di raffreddamento rapidi e non richiede nemmeno il controllo di fattori ambientali come l'umidità. La dimostrazione visiva di questa tecnica è fondamentale perché la fabbricazione di fibre microfluidiche non è così comune come altri metodi, e quindi può essere difficile concettualizzarla senza averla vista.

Visivamente, però, questo metodo è stato utilizzato per la produzione di microfibre polimeriche. Gli stessi principi sono in uso nel nostro laboratorio per lo sviluppo di altri sistemi come i micro vasi sanguigni. Inizialmente abbiamo avuto questa idea osservando micromiscelatori e sistemi di citometria a flusso con microchip confocali.

Come abbiamo visto, si sviluppano sezioni trasversali ornate sostenute. Abbiamo ipotizzato che, introducendo una soluzione polimerica, le forme potessero essere bloccate tramite fotopolimerizzazione in modo continuo e con relativa facilità. A dimostrare la procedura saranno Michael Danielle e Darrell Boyd, che sono postdoc del mio laboratorio.

Per prima cosa assemblare un dispositivo di flusso della guaina precedentemente progettato dal basso verso l'alto posizionando una piastra di fissaggio nella parte inferiore, seguita da uno strato di copolimero olefinico ciclico COC A e dalla piastra di fissaggio rimanente. Assicurarsi che le scanalature di sagomatura siano allineate tra loro lungo i bordi del canale e che le geometrie di sagomatura del fluido negli strati COC si sovrappongano perfettamente. Inserire i bulloni al centro del dispositivo e, utilizzando un cacciavite elettrico, serrare i dadi e i bulloni per bloccare il dispositivo insieme, alternandoli da sinistra a destra del centro.

Ripetere il passaggio precedente dal centro verso l'esterno per bloccare l'allineamento ed evitare perdite. Aggiungere il mandrino di ingresso quando vengono raggiunti i fori di montaggio e continuare a montare le viti in modo alternato. Quindi, collegare il dispositivo di flusso della guaina al tubo tigon.

Utilizzando raccordi HPLC standard, serrare manualmente tutti i collegamenti, montare il dispositivo verticalmente utilizzando un supporto ad anello e un morsetto, assicurarsi che il dispositivo sia verticale utilizzando una livella sulla parte più alta. Quindi posizionare la sorgente UV perpendicolarmente a circa un centimetro dalla faccia COC del dispositivo di flusso della guaina in modo tale che gli ultimi tre o cinque centimetri del microcanale vengano irradiati. Riempire una siringa da un millilitro con PEG 400 per fungere da fluido non polimerico e riempire una siringa da 30 millilitri con PEG 400 per fungere da fluido per la guaina.

Successivamente, integrare una soluzione di linea tiolica appena preparata con quattro volte 10 al meno quarto moli di fotoiniziatore DMPA in una piccola fiala. Dopo circa due minuti di agitazione, caricare una siringa da cinque millilitri avvolta in un foglio di alluminio con una soluzione di prepolimero. A seguire questo luogo, l'uscita del canale microfluidico in un bagno di raccolta contenente acqua.

Impostare le pompe a siringa del fluido di rivestimento del nucleo e della guaina in modo che siano in infusione rispettivamente a 30 e 120 microlitri al minuto. Quindi inserire i rispettivi diametri della siringa nelle pompe a siringa. Quindi montare le siringhe nelle pompe a siringa corrispondenti e collegarle al dispositivo di flusso della guaina.

Con il tubo tigon protettivo dai raggi UV, avviare il fluido della guaina per adescare il dispositivo di flusso della guaina ed eliminare l'aria dal sistema. Ispezionare visivamente il microcanale e prestare particolare attenzione alle scanalature di sagomatura per assicurarsi che non rimangano bolle d'aria nel microcanale prima di passare alla fase successiva. Se sono presenti bolle d'aria, agitare il dispositivo ruotandolo e/o picchiettando delicatamente mentre è sotto flusso per espellerle dal dispositivo.

Avviare il fluido di rivestimento, consentendo anche al flusso di stabilizzarsi. Dopo aver ispezionato il microcanale e aver eliminato le bolle d'aria, avviare il fluido centrale e assicurarsi che le bolle non siano presenti nel sistema nello stesso modo di prima. Infine, accendere la sorgente UV e osservare il bagno di raccolta per la produzione continua della microfibra cava mentre viene espulsa con il fluido della guaina.

Recupera la fibra dal bagno di raccolta, per creare fibre cave è stato utilizzato un semplice design a due stadi utilizzando scanalature di sagomatura e tre input di soluzione. Le simulazioni Comsol sono state utilizzate per determinare i rapporti di portata appropriati per ottenere la dimensione della sezione trasversale desiderata. Una combinazione di fresatura e stampaggio ha prodotto i componenti per l'assemblaggio del flusso della guaina per fabbricare le fibre.

La polimerizzazione del materiale di rivestimento è stata avviata dalla sorgente di luce UV e le fibre cave sono state estruse dal microcanale nel bagno di raccolta. La produzione di fibre continuò per minuti e generò una singola fibra lunga oltre un metro. Le fibre prodotte in queste condizioni avevano un diametro di circa 200 micrometri.

La struttura delle fibre è stata visualizzata utilizzando la microscopia ottica ed elettronica. Le fibre avevano una forma ovale con un nucleo cavo. L'azione capillare è stata utilizzata per introdurre liquido e bolle all'interno della fibra e ha confermato che la struttura cava era continua per tutta la lunghezza della fibra.

Una volta padroneggiato, questo processo può richiedere solo 45 minuti. Ciò include il tempo per impostare il canale, la preparazione della soluzione, la fabbricazione delle fibre e la raccolta delle fibre. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come progettare e assemblare un canale microfluidico per produrre microfibre cave.

Non dimenticare che quando lavori con sostanze chimiche pericolose e radiazioni UV, dovresti sempre indossare i tuoi dispositivi di protezione individuale.