ここでは、3軸分配システムによって自動化された直接描画手順を介して生成された自由に懸濁し、ミクロン/サブミクロンスケールのポリマー繊維および「ウェブ様」構造を作製するためのプロトコルを提示します。
方法論記事
ここでは、3軸分配システムによって自動化された直接描画手順を介して生成された自由に懸濁し、ミクロン/サブミクロンスケールのポリマー繊維および「ウェブ様」構造を作製するためのプロトコルを提示します。
3軸ディスペンシングシステムは、ディスペンシングソフトウェアを介してファイバーの開始と終了の位置と軌道を制御するために使用されます。ポリマー繊維の長さと配向は、ディスペンシングシステムの3軸ステージの空間配置によって定義されます。繊維径は、分注システムバルブの所定の分注時間、供給速度(ステージが開始位置から終了位置に移動する速度)、分注チップのゲージ径、ポリマー溶液の粘度と表面張力、およびプログラムされた描画長さによって定義されます。ステージの供給速度は、ポリマー溶液の蒸発速度とフィラメントの毛細管分裂に影響を与えます。ディスペンシングシステムは、空気圧バルブコントローラー、液滴ディスペンシングバルブ、およびディスペンシングチップで構成されています。ダイレクトライトプロセスの特性評価を行い、最適な要素の組み合わせを決定することで、必要な範囲のファイバー径を繰り返し取得することにつながります。このロボットディスペンシングシステムの利点は、自動プロセス制御により、ミクロン/サブミクロンの繊維を目的のプログラムされた位置に正確に取得することが容易であることです。ここでは、説明した自己組織化ミクロン/サブミクロンスケールの3D構造を使用して、ミクロン/サブミクロンの流体デバイスとバイオエンジニアリングされた足場を作成するための吊り下げ構造を作製しています。
過去数十年、このような湿式紡糸、乾式紡糸およびエレクトロなどの製造技術、様々なにわたって、多様な生物学的な堅牢、化学的、電気的および機械的特性を有する新規1-12ポリマー繊維構造体を作成するために使用されてきました。これらの紡糸技術が中断三次元繊維を生成することが可能であるが、それらは正確にこれらのプロセスを介して繊維堆積から3次元の繊維配向を制御する能力が制限され、本質的にランダムです。また、これらの技術は、繊維製造のためのそれらの寸法範囲内で制限されています。数十ナノメートルからシングルミクロン13までの範囲の直径を有する収量繊維をエレクトロスピニングしながら具体的には、湿式及び乾式紡糸を経て製造された繊維は、数十から数百ミクロンの直径が変化します。
3-D空間内の繊維配向のより正確な制御を提供するために、私たちのグループは、自己の開発しました-assembleまたは直接その後、中空細管のうち、高分子材料を吐出すると、「直接書き込み「繊維製造プロセスは、表面張力駆動の流体力学14を利用することにより、予測可能な繊維直径に固化薄く、個々のフィラメントを描画します。我々の最初の直接書き込みファイバ位置の制御のレベルを増加させるためのシステムおよび直径は超高精度マイクロミリングマシン( 図1)特注の頭部に取り付けられたカスタム製作ばね式シリンジディスペンシングシステムから成ります。 UHPMMはX及びY方向に1.25 nmおよびプログラムミクロンおよびサブミクロンスケールワイヤおよび構造を作成するために、制御されたZ方向に20nmの位置分解能で段階を有していました。この特定の直接書込みシステムの1つの制限は、針先端を介して、ポリマー溶液のフロー制御の欠如でした。バネ仕掛けの分配システムが正常に一定floの生成が、先端を通るwは、ポリマー溶液の連続拡大球状のビーズは、環境条件に応じて大きさや体積に変化シリンジチップの出口で作成されました。

超高精度マイクロミリングマシン図1.画像:ミクロン/サブミクロンスケールの構造体を製造する際に用いられる第一の直接書き込みシステム この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
このソースビーズの矛盾を繰り返し、所定の直径のワイヤを製造するシステムの能力に影響を与えました。構造は正常にこの直接書き込みプロセスを使用して生成された、あるが、ポリマー溶液の流れの制御を増加させることにより、プロセスの向上がよりPRECIを可能にしますSE、シリンジ先端にビーズサイズの調節を介して繊維直径を規定。したがって、この研究は、正確に規定する、ミクロン/サブミクロンの懸吊構造物を作成するために、ポリマー溶液の流量とチップビーズのサイズを制御するために空気圧作動ディスペンサ弁と3軸自動分配システムの実装を記述する。
1.機器のセットアップ

2.実験材料と制御要因



3.ダイレクトライトの実験手順

10ミリメートル×10ミリメートルフレームの設計された「クワッド」ウェブ構造の図3(A)の例、(B)JR-Cポイントソフトウェアに入力するシーケンシャルポイント·ツー·ポイントの空間的な指示を。 表示するにはこちらをクリックしてくださいこの図の拡大版。

10ミリメートル×10ミリメートルフレームの設計された「対称」ウェブ構造の図4(A)の例、JR-Cポイントソフトウェアに入力される(B)のシーケンシャルポイント·ツー·ポイントの空間的な命令。「ブランク>この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

JR-Cポイントソフトウェアに入力される図5(A)は、10ミリメートル×10ミリメートルフレームに設計された「二重シェブロン」ウェブ構造の例、(B)のシーケンシャルポイント·ツー·ポイントの空間的な命令。 表示するにはこちらをクリックしてくださいこの図の拡大版。
図3-5A&B上記で定義されたそれぞれのデザインやJR C-ポイントアルゴリズムのそれぞれについて、3軸ロボットと直接書込み方法によって生成される実際の構造物の画像は、図6A、7A&8Aに示されています。得られた画像に見られるように、三次元の、自由懸濁繊維が正常であった正確な開始/終了点、ならびに交点を含む所定の空間位置に分注チップを操作することによって、基板上に「書き込まれ」。これらの図の挿入図は、正確に3次元空間内の繊維配向( 図6B、7Bおよび8B)を制御するシステムの能力を実証懸濁繊維の交点を拡大します。

図6(A)オペアンプスケール;単一二股ファイバ(289X倍率の、(B)のSEM像;製造されたウェブ構造は2支持繊維(対角線)と12二股分岐鎖状のPMMA繊維(スケールバー= 1ミリメートル15X光学倍率)を有する懸濁「クワッド」のtical画像バー= 100μm)で。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図7(A)1支持繊維(水平)と11二股分岐鎖状のPMMA繊維(15X光学倍率;スケールバー= 1 mm)を有する製造された「対称」懸濁ウェブ構造の光学像単一二股の、(B)のSEM画像繊維(107X倍率;スケールバー= 100μm)で。52834fig7large.jpg「ターゲット= "_空白">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

(;スケールバー= 1ミリメートル15X光学倍率)、(B)単一のSEM像を図8(A)を作製「二重シェブロン」の光学像は、1支持繊維(水平)と22二股分岐したPMMA繊維を有するウェブ構造を中断し二股ファイバ(80X倍率;スケールバー= 100μm)で。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
図9のディスプレイは3軸ロボットおよび分配システムが自由に吊り下げウェブ状の構造体を生成することができるでファイバ製造の連続ポイント·ツー·ポイントのためのビューをクローズアップ。 P数字で表示されたolymerの接触点は、上記の図3Bに参照JR-Cソフトウェアでプログラムされ、開始と終了点に対応します。矢印は、ロボットの軌跡を表す。様々なサイズのワイヤを製造する直接書き込みシステムの能力を実証するディスプレイ10ミクロン及びサブミクロンの高分子繊維を図 。

ミクロンおよびサブミクロンポリマー繊維(29X倍率;スケールバー= 200μm)を描画するためのシーケンシャルポイント·ツー·ポイントの製作順序を示す図9のSEM像。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
2834 / 52834fig10.jpg "/>
ミクロン(6.5ミクロン)の図10のSEM画像および20%濃度のPMMAポリマー溶液(2,270X倍率;スケールバー= 2μm)を使用して描画サブ ミクロン(555 nm)の繊維。 の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてくださいこの図。
ポリマー繊維の長さ及び直径は、走査型電子顕微鏡を用いて測定した。 表1は、分岐した分岐ファイバと支持繊維に対応する上記の図6-8に示された各固有の構造のための平均線径を示している。 表2に、測定されたポリマー·パラメータ上記の構造を作製するために利用された24%のPMMA溶液から。
| 図6の構造の直径 | 図7の構造の直径 | 図8の構造の直径 | |
| 支持繊維 | 8.65±1.43ミクロン | 9.39±1.23ミクロン | 9.31±1.65ミクロン |
| ブランチの繊維 | 20.96±3.35ミクロン | 15.92±1.44ミクロン | 12.24±5.42ミクロン |
24%のPMMA溶液については、図6-8に示す吊り下げ支持し、分岐繊維の表1の平均直径。
| 24%のPMMA | |
| 粘度(PA *秒) | 35.19 |
| 表面張力(mN / m) | 262.01 |
| 物質移動係数(10m /秒) | 8.59×10 -8 |
この研究で提示繊維構造体を製造するために利用された24%のPMMA溶液の表2のポリマーパラメーター。
各試験を開始する前に、ポリマー溶液の粘度は、物質移動係数と表面張力試験を正確にロボット及び分配システムは、所望のポリマーを処理することができるかどうかを決定するために測定することが重要です。我々のグループによって以前に説明したように、ポリマー溶液は、適切な保存しなければならない:1)表面張力は、ミクロン/サブミクロン構造に液体フィラメントの形成を可能にします。 2)粘度は、毛管ブレークアップに耐えます。そして、3)蒸発速度は、繊維固化18を強化します。これらのパラメータ間の相乗効果が正常直径の指定した範囲にわたって繊維を製造するためのキーです。同時に、これらのパラメータのいずれかにおける不安定性はミクロン/サブミクロンスケールの繊維の形成を防止します。繊維製造中に、これらのパラメータの間の相乗効果を維持するためには、ニードルとニードルバルブが完全に直接書き込みの後に洗浄されることを保証することが重要です防ぐためにession:溶液1)汚染; 2)針を通してポリマー溶液の流量の減少。針の先端のポリマービーズで、3)過度の成長。また、ヒータで温度制御装置は、ポリマー溶液の一定の蒸発速度を維持するために所望の温度に設定されなければなりません。
二股分岐繊維は24%のPMMA溶液を用いて、それぞれ図6-8の支持構造よりも直径が59%、41%および24%大きかったです。これは、主に繊維が描画される距離に起因するものです。具体的には、支持構造体は、基板の全幅にわたって描かれている(XおよびY方向に10.0ミリメートル、斜めに14.4ミリメートル)。その結果、これらは、全体の懸吊構造物の最も長い繊維です。二股の分岐構造は、7ミリメートル最大長から2.5ミリメートルまでの範囲、かなり短いです。この短い繊維延伸長は何もしませんtは効果小さな直径の繊維を製造するために繊維の間引き処理中に必要な繊維の歪みを引き起こします。一方、より大きな直径のワイヤは、効果的に分岐した分岐延伸プロセスの間に誘導揺さぶるや変形を維持するために、支持繊維として機能するために必要とされます。分岐分岐が支持繊維を横切って描かれているように、支持繊維形状の改造が原因で存在する溶媒からの描画力だけでなく、支持体との間の界面でのPMMAポリマーの局所溶解及び分岐繊維に発生する可能性がありますポリマー溶液。したがって、いくつかの例では、支持ファイバは、より大きな直径及び機械的に強い繊維を製造するために、ポリマーのより高い濃度からなるポリマー溶液から製造される必要があり得ます。
サポートおよび分岐ファイバの広い範囲を生成するために、既存のプロトコルを変更するための3つの効果的な方法は、主にあります。直径:1)最初に、より大きな針の先端からのポリマーを分配( 例えば、25 G; ID = 254μm)の支持繊維を生成し、小さい針の先端( 例えば、32 Gのために交換する; ID = 101.6μm)を製造するために小さい分岐した繊維; 2)上記のように、複数のポリマー濃度を使用します。および/ または、3)、すなわち 、供給速度を増加させることは、より小さな直径の繊維を生成し、送り速度を減少する、より大きな直径の繊維を生成する段階を横断する速度を、送り速度を調整します。これまで、我々は正常には90nmほどの小さな繊維を製造することができました。しかし、この次元での繊維収量は毛細管分裂に低いです。
自動化された直接描画プロセスの1つの制限は、ポリマー溶液の濃度のみが一度に分配することができるということです。これは、することなく、開発される吊り下げ構造の複雑さのレベルを制限する:1)ロボットに第二の分配弁を追加します。または、2)既存のバルブを取り外し、さらに時間がかかる第二のポリマー溶液を、分配する前に、洗浄プロトコル(3.4節)を行います。第2の制限は、システムが達成することができる最大の送り速度は、500ミリメートル/秒である送り速度(または印刷速度)です。しかし、送り速度と繊維形成の間にトレードオフが存在します。慣性力(供給速度による力)が表面張力とポリマー溶液の蒸発速度よりも大きい場合には具体的には、繊維形成は起こりません。供給速度が低すぎる一方、繊維が伸び処理前との間に過度の蒸発を破壊します。第三に、繊維構造の寸法は、それぞれx、y、z方向におけるロボットのステージの動作範囲、 すなわち、200ミリメートル、200ミリメートルと(10μmの位置精度を有する)は、25 [mm]に制限されています。それにもかかわらず、このプロセスは、高アスペクト比(繊維Lの形成を可能にいength:直径)繊維。戦略的に分注チップのサイズおよびポリマー溶液濃度を変化させることは、より高い複雑さの自由に懸吊構造物を生成する能力を作成する、より広範な繊維径の範囲を可能にします。
上記のプロトコルに従うことにより、ミクロンおよびサブミクロン径ポリマー繊維他、湿潤、乾燥またはエレクトロスピニングのプロセスで制御することができないポリマー溶液の表面張力駆動の流体力学を利用して空間的制御の高レベルで生成することができ。従来の研究8,19から、我々はこの技術は、複雑なミクロ/サブミクロン流体デバイス19と生体工学によって作られた足場8を製造するために利用することができることを知っています。この安価で簡単な技術は、多くの点で、従来の平面製造方法に比べて、独自の利点があります。
著者らは開示するものは何もない。
この作業は、NSF-EPSCoR (grant #0814194) と Department of Bioengineering によってサポートされています。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| ロボットDR2203N 3軸 200MM X 200MM | ノードソンEFD | 7023145 | 3軸ロボット |
| コントローラー 7100、ディスペンスバルブ | ノードソンEFD | 7015340 | バルブコントローラー |
| マイクロドットバルブ | ノードソンEFD | 7021233 | マイクロドットバルブ |
| ロボットACCフィクスチャプレート 200MM | ノードソンEFD | 7028276 | フィクスチャプラテン |
| ロボットACC DRN / DSRNポイント ソフトワー | ノードソン EFD | 7023144 | JR-C ソフトウェア |
| ロボット マウント バルブ ユニバーサル | ノードソン EFD | 7028273 | マイクロドット バルブ マウント |
| 15 PSI バレル プレス。レギュレータ | ノードソン EFD | 7020585 | バレル レギュレータ |
| KIT O BRL/PIST 5CC CL/WH 40 | ノードソン EFD | 7012096 | 5CC バレル |
| ピストン付き アダプター ASM O 5CC BL | ノードソン EFD | 7012054 | 空気圧バレル アダプター |
| チップ 30GA .006X.25 LAVNDR 50PC | ノードソン EFD | 7018424 | 30 ゲージ ニードル チップ (0.250" 長さ) |
| 電気ベースボード ヒーター (500 W、30 "長さ) | Cadet | 2F500 | タイマー |
| 制御会社 | 130726596 | 温度コントローラーeScopeUSB | |
| 顕微鏡 | OiTez | DP-M02 | 200X USB顕微鏡 |
| ポリ(メタクリル酸メチル) | Aldrich | 182265-500G | PMMA粉末 |
| クロロベンゼン | シグマAldrich | 284513 | PMMAを溶解する溶媒 |