Disegno e idrofobicità-patterning lunghi filamenti di Polydimethylsiloxane Silicone
7 gennaio 2019
Qui, presentiamo un protocollo per la produzione di lunghi filamenti di polidimetilsilossano (PDMS) silicone di gravità-disegno attraverso una fornace. Filamenti sono dell'ordine di centinaia di micrometri di diametro e decine di centimetri di lunghezza e sono idrofobicamente derivativazione tramite un sistema controllato da Arduino effetto corona.
Il polidimetilsilossano è un materiale versatile che fino ad ora non poteva essere formato in filamenti lunghi. Mentre i filamenti di silicone possono avere applicazioni nella tessitura o nella produzione additiva, siamo particolarmente interessati a loro come foldamer modello. La produzione scalabile è abilitata disegnando il silicone già polimerizzabile attraverso un forno a tubo.
Dimostriamo anche un modo per modificare la superficie dei filamenti di silicone utilizzando uno scaricatore di corona controllato dal computer. La tempistica in questa procedura è fondamentale perché il polimero si polimericola continuamente. Tieni un timer nelle vicinanze ed preparati per il prossimo passo in anticipo.
Senza una dimostrazione visiva, il processo dinamico di produzione dei filamenti non sarebbe facilmente riprodotto. Il processo prevede diversi passaggi sensibili al tempo che richiedono l'adattamento alle condizioni in evoluzione. Per iniziare, collegare tubi in silicone ad alta temperatura di diametro interno da 1/8 di pollice all'aria compressa attraverso una valvola di misurazione.
Collegare l'altra estremità del tubo a un adattatore di estrusione in ottone con un'apertura di apertura di 2,15 millimetri di diametro. Quindi, fissare verticalmente il forno cilindrico a tubo di ceramica in una cappa aspirante, due piedi sopra il pavimento della cappa. Posare un foglio di alluminio sotto il forno per catturare il PDMS in eccesso durante l'estrusione.
Montare l'adattatore di estrusione sopra il forno a tubo con l'apertura centrata sull'apertura del forno. Assicurarsi che il forno non sia inclinato in modo che i filamenti estrusi non contattino il forno. Successivamente, attaccare uno stampo con un taglio circolare a un estrusore e utilizzare una cravatta con zip per collegare tubi di gomma siliconica ad alta temperatura alla parte dell'estrusore.
Collegare l'altra estremità del tubo all'adattatore di estrusione. Dirigere un termometro a infrarossi verso il forno e quindi riscaldare il forno fino a quando la temperatura interna è di circa 250 gradi Celsius. Quindi, spostare il forno da sotto l'adattatore di estrusione in modo che l'adattatore non si riscaldo prima dell'inizio della produzione del filamento.
Quindi, inizia a preriscaldare un tubo campione usa e getta a 65 gradi Celsius in un viscometer in grado di misurare da 200 a 10 mila secondi millipascali. Controllare il saldo, impostare la velocità di rotazione su cinque rpm e impostare la velocità di misurazione su una volta al minuto. Mentre il tubo campione si riscalda, mescolare 18 grammi di base PDMS con 1,8 grammi di agente polimerizzante, in una barca di pesatura.
Degasa la miscela PDMS in un essiccatore sottovuoto a temperatura ambiente per 15 minuti o fino a quando non rimangono bolle nella miscela. Sfiatare periodicamente l'essiccatore per far scoppiare bolle vicino alla superficie. Quindi rimuovere il tubo campione preriscaldato dal viscometer.
Versare la miscela PDMS degassata in esso e rimettere il tubo nel viscometer. Avviare immediatamente la sequenza di misurazione. Quando la viscosità dinamica PDMS raggiunge i quattromila secondi millipascali, annotare il tempo, quindi utilizzare le pinze per rimuovere il tubo campione dal viscometer.
Versare immediatamente la miscela PDMS nell'estrusore a temperatura ambiente. Verificare che il forno sia a 250 gradi celsius e attendere che il PDMS sia fuori dal viscometer per circa quattro minuti. Quindi, spostare il forno sotto l'adattatore di estrusione e allineare l'ago interno dell'adattatore con il forno a tubo.
Ruotare la vite dell'estrusore di una mezza rivoluzione e iniziare a raccogliere il filamento su un bastoncino di legno. Ogni tre o cinque secondi, ruotare l'estrusore un'altra mezza rivoluzione per mantenere il flusso costante di PDMS. La finestra di viscosità per disegnare filamenti è molto stretta.
Se la viscosità è troppo bassa, attendere 30 secondi e riprovare. Il PDMS continuerà a reticolazione a temperatura ambiente. Posare i filamenti trafilati su rastrelliere di legno per curare.
Lasciare che i filamenti si curino a temperatura ambiente per 12 ore al termine. Per iniziare il processo di creazione della serie, impostare l'assieme di patterning in una cappa aspirante e inviare il modello desiderato al microprocessore. Quindi, lavare un filamento PDMS stagionato con solfato di dodecil di sodio all'1%.
E sciacquarlo accuratamente con acqua ultra pura. Rimuovere le gocce visibili di acqua con aria compressa e lasciare che il filamento finisca l'essiccazione nell'aria ambiente. Quindi, legare la lenza non conduttiva al taglio circolare del vassoio del filamento non conduttivo.
Appoggiare il filamento PDMS asciutto sul taglio centrale del vassoio e fissarlo in posizione con nastro a doppia fronte. Inserire il vassoio in una scatola di scarico corona ventilata e assicurarsi che sia livellato. Posizionare una lastra metallica sotto il vassoio del filamento in modo che il filamento sia allineato lungo il bordo della lastra.
Montare l'elettrodo di scarica corona circa tre millimetri sopra il filamento e collegare lo scaricatore della corona al microcontrollore. Fissare l'estremità libera della linea non conduttiva al mandrino montato sul motore del passo, assicurando che la linea sia tesa. Eseguire il programma micro controller per modellare il filamento con sezioni idrofile.
I filamenti PDMS prodotti con questo metodo avevano un diametro di circa 200 micrometri e fino a 0,5 metri di lunghezza. Rimuovere il PDMS dal calore prima che la sua viscosità fosse abbastanza alta da disegnare i filamenti e lasciarlo incrociare a temperatura ambiente per quattro minuti e mezzo, ha esteso la finestra di tempo in cui i filamenti possono essere girati a circa quattro minuti. Il successo della modelliatura della corona è stato confermato attraverso misurazioni dell'angolo di contatto delle goccioline.
L'acqua formava goccioline simmetriche a forma di botte sul PDMS idrofilo trattato con corona e goccioline asimmetriche a forma di guscio sul PDMS idrofobico non trattato. La chiave di questa procedura è che stai manipolando la viscosità del PDMS con tempo e temperatura. La viscosità aumenta con il tempo mentre si incrocia e la polimerizzazione accelera a temperature più elevate.
L'approccio di polimeri parzialmente polimerici e di disegnarlo attraverso un forno a tubo, può essere adattato ad altri polimeri polimeri polimerici a temperatura. Questi filamenti sono abbastanza flessibili da adottare molte conformazioni e le regioni idrofobiche aderiscono affettivamente insieme nell'acqua. Stiamo studiando come il modello di idrofobicità dei filamenti influenzi le loro vie pieghevoli.
Il PDMS può gocciolare sul forno e produrre una piccola fiamma. Allineare accuratamente l'estrusore con il forno e rimuovere rapidamente eventuali detriti dal forno con un tassello di legno.
Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo per la produzione di filamenti lunghi di silicone in polidimetilsilossano (PDMS) mediante una tecnica di trafilaggio per gravità attraverso un fornetto. I filamenti, che misurano centinaia di micrometri di diametro e fino a mezzo metro di lunghezza, possono essere trattati con un sistema di scarica al corona controllato da Arduino per creare motivi idrofobici.
Componenti Chiave dello Studio
Ambito Scientifico
- Scienza dei materiali
- Ingegneria dei polimeri
- Modifica della superficie
Sfondo
- Il polidimetilsilossano (PDMS) è un materiale al silicone versatile.
- La produzione di filamenti lunghi è stata finora una sfida.
- I filamenti hanno potenziali applicazioni nella tessitura e nella produzione additiva.
- Le tecniche di modifica superficiale possono migliorare le funzionalità.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo scalabile per la produzione di filamenti in PDMS.
- Esplorare la modellizzazione superficiale del PDMS per applicazioni specifiche.
- Studiare gli effetti dell'idrofobicità sui percorsi di piegamento dei filamenti.
Metodi Utilizzati
- Collegamento di tubi in silicone a un estrusore e a un sistema di forno.
- Miscelazione della base PDMS con un agente indurente e degasaggio della miscela.
- Controllo della temperatura e della viscosità durante l'estrazione del filamento.
- Utilizzo della scarica al corona per la lavorazione superficiale dei filamenti.
Risultati principali
- I filamenti prodotti avevano un diametro di circa 200 micrometri e una lunghezza fino a 0,5 metri.
- Il corretto patterning superficiale è stato confermato mediante misurazioni dell'angolo di contatto delle gocce.
- La manipolazione della viscosità è stata fondamentale per la produzione dei filamenti.
- Il metodo potrebbe essere adattato per altri polimeri polimerizzabili a temperatura controllata.
Conclusioni
- Il protocollo sviluppato consente la produzione di filamenti lunghi di PDMS.
- I modelli di idrofobicità influenzano in modo significativo i percorsi di ripiegamento.
- Questo approccio apre nuove strade per ulteriori ricerche nelle applicazioni dei polimeri.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo metodo consente la produzione scalabile di filamenti lunghi e strutturabili in PDMS, affrontando una limitazione fondamentale nei materiali per sistemi biomimetici e microingegnerizzati. Fornendo un percorso per regolare l'idrofobicità lungo il tratto principale dei filamenti, supporta la riduzione del rischio negli studi meccanicistici sul ripiegamento e sull'autoassemblaggio di tipo peptidico. L'approccio offre una piattaforma riproducibile per generare componenti a base di silicone con proprietà superficiali controllate, utili per la validazione precoce di bersagli e lo sviluppo di saggi.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Consente l'analisi degli effetti della sequenza anfifilica sulla dinamica conformazionale in sistemi modello di foldamer.
- Valore operativo: Fornisce filamenti standardizzati e lunghi con proprietà di superficie definite in modo preciso per saggi di legame o assemblaggio riproducibili.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Produce filamenti in silicone omogenei e permeabili ai gas, adatti per interfacce di sensori microfluidici o studi sul microambiente cellulare.
- Valore operativo: Consente la fabbricazione di elementi riutilizzabili con pattern idrofili/idrofobici per l'integrazione in piastre multipozzetto o piattaforme di organo-su-cip.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Favorisce l'analisi struttura-funzione dei modelli di idrofobicità coinvolti nei percorsi di ripiegamento di peptidomimetici rilevanti per il legame al bersaglio.
- Valore operativo: Consente la produzione di filamenti lunghi e flessibili per la prototipazione preclinica di componenti di sensori impiantabili o indossabili che richiedono permeabilità ai gas.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nei flussi di lavoro della fase iniziale di scoperta in cui sono necessarie una chimica di superficie controllata e una flessibilità meccanica per modellare interazioni biomolecolari o analizzare risposte ambientali.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi su come la modellizzazione della superficie influenzi l'autoassemblaggio o la cinetica di legame in ambienti acquosi.
- Screening: Fornisce filamenti pronti per saggi con un contrasto quantitativo di idrofobicità per lo screening degli effetti dei composti sulla stabilità o sull'aggregazione dei filamenti.
- Analisi: Permette misurazioni dell'angolo di contatto come lettura quantitativa del successo della modifica della superficie e della coerenza tra diversi lotti.
- Ricerca traslazionale: Collega il comportamento del ripiegamento dei filamenti a modelli preclinici di aggregazione peptidica o di interazione con membrane.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma riutilizzabile per la generazione di filamenti in silicone in diversi progetti che richiedono proprietà superficiali regolabili.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Migliora la fiducia predittiva nella modellizzazione del ripiegamento guidato da agenti anfifilici e delle interazioni simili al bersaglio.
- Valore operativo: Garantisce la riproducibilità attraverso un'estensione controllata della viscosità e un impaginato automatizzato della corona.
- Valore strategico: Riduce i tempi di riduzione del rischio biologico consentendo un'iterazione rapida sui modelli di idrofobicità negli analoghi dei foldamer.
- Impatto sul portafoglio: Supporta le decisioni di avanzamento o interruzione in progetti precoci che esplorano materiali biomimetici a base di silicone o interfacce sensoriali.
Considerazioni sull'Implementazione
- Richiede competenze specifiche in reologia dei polimeri e monitoraggio della viscosità durante il reticolaggio.
- Necessita dell'accesso a un forno tubolare, un viscosimetro, un impianto di estrusione e un sistema a scarica al corona con controllo tramite microcontrollore.
- Richiede la standardizzazione dei protocolli temporali a causa della reticolazione continua e delle finestre ristrette di viscosità.
- Comporta considerazioni di adattamento nel trasferire il metodo ad altri polimeri termoindurenti con differenti cinetiche di reticolazione.
- Comprende limitazioni pratiche, come i vincoli sul diametro del filamento e la sensibilità all'umidità ambientale durante la definizione dei pattern.
