Multiscala strutture aggregate da nanofibre impresse per superfici funzionali
11 settembre 2018
È presentato un metodo facile per fabbricare strutture multiscala nano-micro, per superfici funzionali, aggregando le nanofibre fabbricate utilizzando un filtro di ossido di alluminio anodico.
Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dall'ingegnere alla superficie nella comprensione della superficie funzionale per la morfologia tubolare e la bagnabilità. Il vantaggio principale del nostro approccio è che consente una fabbricazione più rapida di nanomicro strutture multiscala utilizzando solo un processo di impronta con un filtro anodico all'ossido di alluminio e un'autoaggregazione di nanofibre. Dopo l'imprinting, i modelli di superficie replicati hanno inizialmente mostrato superidrofilia.
Possiamo modificare la disponibilità superficiale delle strutture stampate utilizzando il trattamento di origine UV e il rivestimento monostrato autoassemblato. Ottenere un filtro all'ossido di alluminio anodico, o AAO, con una dimensione dei pori di 200 nanometri, un'altezza di 60 micron e un diametro di 25 millilitri. Pulire la superficie con polietilene tereftalato, o pellicola PET, con acetone al 99,8% per cinque minuti, seguito da 99,9.
alcol isopropilico per cinque minuti. Asciugare completamente la pellicola per tre minuti utilizzando una pistola ad aria compressa. Quindi, posizionare la pellicola in PET su una superficie piana senza contaminanti.
Aggiungere una goccia di 0,1 millilitri di resina poliuretanica acrilica polimerizzabile UV con una viscosità di 257,4 CPS sulla superficie. Posizionare il filtro AAO sulla resina e premere uniformemente utilizzando un rullo di gomma con un diametro di 32 millimetri. La diffusione della resina è visivamente confermata.
Il rullo deve essere ripetuto e spinto con cautela durante la pressatura. Il filtro AAO è fragile e può rompersi se viene applicata una forza eccessiva. Dopo la laminazione, esporre il campione realizzato con il filtro PET e AAO alla luce UV con una lunghezza d'onda di 365 nanometri per 30 secondi per polimerizzare la resina.
Quindi, immergere il campione polimerizzato in 100 millilitri di soluzione di idrossido di sodio a due molari per 10 minuti per sciogliere il filtro. Le immagini SEM mostrano la superficie e la sezione trasversale della struttura. Pulire il campione con acqua deionizzata.
Quindi, asciugarlo completamente per tre minuti utilizzando una pistola ad aria compressa. Utilizzare l'analisi a raggi X a dispersione di energia per confermare che il sodio e l'alluminio non vengono rilevati e sono completamente incisi. Per eseguire il trattamento con ozono UV, pulire prima il campione con strutture multiscala nanomicro utilizzando alcol isopropilico per cinque minuti e poi acqua deionizzata per cinque minuti.
Asciugare il campione lavato utilizzando una pistola ad aria compressa per tre minuti. Irradiare il campione utilizzando i raggi UV per 60 minuti utilizzando un'apparecchiatura ad ozono UV con un'intensità di 25 milliwatt per centimetro quadrato. Per l'autoassemblaggio OTS, posizionare il punto caldo all'interno del vano portaoggetti e mantenere un ambiente di azoto per il processo di deposizione da vapore.
Ai fini delle riprese, dimostreremo la procedura in simulazione all'esterno di un vano portaoggetti. Posizionare un becher sulla piastra calda e aggiungere due millilitri di soluzione OTS al becher utilizzando una pipetta. Coprire il becher con il bicchiere o la lastra rivolti verso il basso, con il campione rivolto verso il basso nel becher.
Lavorare per 60 minuti a 100 gradi Celsius prima di rimuovere il campione dal vano portaoggetti. Per fabbricare la superficie funzionale iniettando lubrificanti, depositare circa 0,2 millilitri per centimetro quadrato di liquido perfluorocarburico sull'assemblaggio di nanofibre autoaggregate rivestite OTS. Osservare il processo di bagnatura del perfluorocarburo utilizzando un microscopio ottico con un ingrandimento da cinque a 20 volte.
Infine, rimuovere il liquido perfluorocarburico in eccesso posizionando il campione in posizione verticale per alcune ore. Qui vengono mostrate le strutture ibride nanomicro multiscala ottenute dal processo di impronta e l'autoaggregazione derivata dall'evaporazione. È difficile misurare l'angolo di contatto a causa della superidrofilia della superficie fabbricata.
È interessante notare che, dopo il trattamento con ozono UV con tempo sufficiente, la morfologia superficiale e la bagnabilità superficiale cambiano da superidrofilia a idrofobicità, con un angolo di contatto di 126,8 gradi. Inoltre, l'angolo di contatto può essere aumentato a 133,6 gradi con un rivestimento aggiuntivo del monostrato autoassemblato. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo delle superfici ingegnerizzate per esplorare la funzionalità della superficie e il cambiamento della morfologia con il fenomeno dell'autoassemblaggio e un corretto trattamento superficiale.
Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sulla modifica della morfologia e della bagnabilità della superficie, può essere applicato anche ad altre applicazioni come i tessuti tramite bisturi, filtri ambientali, disgregatori catalitici o con ottiche diffuse, a causa delle sue strutture porose su larga scala.
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Panoramica
Questo articolo presenta un metodo per la fabbricazione di strutture nano-micro multiscala finalizzate alla creazione di superfici funzionali. La tecnica utilizza un filtro di ossido di alluminio anodico per aggregare le nanofibre, facilitando una produzione più rapida di queste strutture.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Scienza dei materiali
- Ingegneria delle superfici
- Nanotecnologia
Sfondo
- Comprendere le superfici funzionali è fondamentale per numerose applicazioni ingegneristiche.
- I metodi precedenti per la creazione di strutture multiscala erano spesso lunghi e laboriosi.
- La superidrofilia è una proprietà desiderabile per molte superfici funzionali.
- L'autoaggregazione delle nanofibre può potenziare le proprietà della superficie.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo più rapido per la fabbricazione di strutture nano-micro su scala multipla.
- Esplorare l'impatto dei trattamenti superficiali sulla bagnabilità.
- Utilizzare filtri di ossido di alluminio anodico per una replicazione efficiente delle strutture.
Metodi Utilizzati
- Processo di imprinting mediante un filtro di ossido di alluminio anodico.
- Autoaggregazione di nanofibre per la formazione della struttura.
- Trattamento superficiale con origine UV e rivestimento con monostrato autoassemblato.
- Pulizia con tereftalato di polietilene e acetone.
Risultati principali
- Le superfici realizzate hanno mostrato superidrofilia dopo la stampatura.
- La disponibilità della superficie può essere modificata mediante trattamento UV.
- Il metodo consente una produzione rapida di modelli superficiali complessi.
- L'utilizzo di filtri AAO con dimensioni specifiche migliora il processo.
Conclusioni
- Questo metodo riduce in modo significativo il tempo di fabbricazione delle superfici funzionali.
- I trattamenti superficiali possono modificare efficacemente le proprietà delle strutture.
- L'approccio ha potenziali applicazioni in diversi campi dell'ingegneria.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La fabbricazione rapida di strutture micro-nano multiscala consente la creazione di superfici funzionali con bagnabilità regolabile, supportando interfacce di materiali avanzati nel settore biofarmaceutico R&D. Questo approccio semplifica lo sviluppo di superfici ingegnerizzate per la prototipazione di dispositivi, per applicazioni di filtrazione e di interfaccia con i tessuti. La scalabilità e l'adattabilità del metodo ne fanno una capacità riutilizzabile per l'innovazione all'interno di flussi di lavoro di ricerca e traslazionali.
Applicazioni Strategiche nella Biotecnologia Farmaceutica R&D
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Facilita la creazione di superfici biomimetiche per studi basati su ipotesi sulle interazioni cellula-materiale.
- Consente la prototipazione rapida di topografie micro-nanometriche per ridurre i rischi associati alle risposte biologiche indotte dalla superficie.
- Supporta una previsione affidabile nella selezione dei materiali per lo sviluppo di dispositivi e saggi.
Sviluppo di screening e saggi
- Fornisce superfici standardizzate e riproducibili per la valutazione quantitativa della bagnabilità e della morfologia.
- Permette la preparazione scalabile di substrati funzionalizzati per piattaforme di screening ad alto rendimento.
- Consente una valutazione affidabile delle risposte di composti o cellule a caratteristiche superficiali ingegnerizzate.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Offre proprietà superficiali regolabili per l'allineamento con modelli di tessuti rilevanti per le malattie o sistemi di filtrazione.
- Garantisce continuità dalla valutazione del materiale nella fase di scoperta alla prototipazione preclinica del dispositivo.
- Riduce il rischio nel progresso dei materiali ingegnerizzati a livello superficiale verso traguardi traslazionali.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo protocollo di fabbricazione si integra nel percorso dalla scoperta alla fase preclinica, consentendo una generazione rapida e riproducibile di superfici funzionali per test iterativi e ottimizzazione.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi su fenomeni biologici guidati dalla superficie e la riduzione dei rischi associati ai materiali.
- Screening: Fornisce substrati pronti per saggi con bagnabilità e morfologia controllate per risultati riproducibili.
- Analisi: Offre letture quantitative dell'angolo di contatto e della morfologia superficiale per analisi comparative.
- Ricerca traslazionale: Allinea le superfici ingegnerizzate ai requisiti dei modelli preclinici e agli studi sui biomarcatori.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma scalabile ed economicamente efficiente per la ripetuta ingegnerizzazione di superfici in diversi programmi.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva e riduce l'ambiguità nelle interazioni tra superficie e materiale.
- Valore operativo: Consente una fabbricazione standardizzata e ad alto rendimento con risultati riproducibili.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione nello sviluppo di materiali e dispositivi, ottimizzando l'allocazione delle risorse.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione corretta in base al rischio delle risorse ingegnerizzate a livello superficiale all'interno dei flussi di R&D.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nell'ingegneria delle superfici e nelle tecniche di nanofabbricazione.
- Necessita dell'accesso a dispositivi per la polimerizzazione UV, filtri AAO e strumentazione analitica per la caratterizzazione delle superfici.
- Richiede una standardizzazione tra i diversi gruppi di lavoro per garantire riproducibilità e scalabilità.
- Adattabile a diversi materiali di substrato e sistemi modello, come indicato dal protocollo.
- I limiti includono la manipolazione di filtri AAO fragili e il controllo preciso dei trattamenti superficiali.
Domande frequenti sul biopharma
Chapters in this video
0:04
Title
0:52
Fabrication of Nano-Micro Multiscale Structure Surface Using an AAO Filter
2:58
Surface Treatments and Fabrication of Functional Surface by Injecting Lubricants
4:40
Results: The Change of the Surface Wettability and Morphology by Surface Treatment
5:29
Conclusion
