Name: 犠牲成分の蒸発を用いた三次元微細構造を作る過程 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-02T17:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 31 s
Description: 学ぶ犠牲成分の蒸発を用いた三次元微細血管構造の作製法。ポリ乳酸繊維とレーザー加工ガイドプレートを使用し、生体材料や神経科学への応用可能性を示す。

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この作品はFA9550-12-1から0352までおよび3M非専任教員賞下AFOSR若手研究プログラムによってサポートされていました。著者は、このプロジェクトに関連した役立つ議論のためLalisa Stuttsとジャニーントムに感謝したいと思います。著者は、その施設の使用を可能にするために、カリフォルニア大学アーバイン校Calit2顕微鏡センターとレーザー分光施設に感謝します。ホッジハーランドとUCI物理科学マシンショップ、ツールの製作のために承認されます。ポリ（乳酸）酸繊維は寛大帝人モノフィラメントによって提供された。

1。犠牲繊維を触媒<ol><li>下周り（乳酸）、ポリ乳酸繊維¾カスタマイズスピンドルの所望の量をラップします。最大の表面積の露出を提供するために、繊維の重複を減らす。 </li><li>密閉瓶ディスパー130 40mlで脱イオンH 2 Oを混合し、均質な溶液が得られるまで振とうする。次いで、37℃の水浴1,000ミリリットルのビーカーに入れ、ビーカーにトリフルオロエタノールを注ぐ。使用するためのH 2 OおよびTFEの量は、使用PLA繊維の直径に依存する。 <table border="1"><tbody><tr><td> 繊維径 </td><td> H 2 O（ml）の量 </td><td> TFEの量（ml）を </td></tr><tr><td> 200 </td><td> 400 </td><td> 400 </td></tr><tr><td> 300 </td><td> 360 </td><td> 440 </td></tr><tr><td> 500 </td><td> 320 </td><td> 480 </td></tr></tbody></table></li><li>加えるH 2 O /ディスパービック187ビーカーを解決し、均一になるまで撹拌する。 </li><li>混合物にマラカイトグリーンの1グラムを加え、溶解するまでかき混ぜる。 </li><li>ビーカー中の繊維½下からインチでカスタムスピンドルを配置し、デジタルミキサーにスピンドルを取り付ける。その後、400rpmでデジタルミキサーを開始。 </li><li>ゆっくり混合物にスズ（II）シュウ（SnOx）触媒の1.3グラムを追加します。 SnOxの添加は、溶液からクラッシュからの材料の大きな凝集を防止するために、漸進的でなければならない。 </li><li> pHが6.8から7.2〜になるまでNaOHを用いて混合物のpHを調整します。 </li><li>ビーカーにふたを固定し、24時間500 rpmにスピンドル回転を上げる。 SnOxの凝集が観察されている場合は、手動で最初の2時間以内にそれを破る。 </li><li> 35℃で一晩オーブンでスピンドルとドライを削除します。 </li><li>触媒PLA繊維から余分な触媒のラップを解除して削除。 </li></ol> 2。微小血管ガスExchanGEユニット作製<ol><li>クリップホルダー上に所望の微小血管パターンと接辞プレートをレーザーカット真鍮パターニング真鍮プレートのペアを取得します。 </li><li>マイクロチャネルあたりの触媒繊維の10インチの長さをカットし、繊維径（プレートを描く）にカット厚いプレートを使用して、任意の残りの触媒を除去。 </li><li>徐々に繊維のヒントを押し出すためにホットグルーガンの先端を使用してテーパー繊維のエッジを。 </li><li>真鍮パターニングプレートペアで対応する穴を通して繊維を通します。 </li><li>成形ボックスの上に板をネジ止めします。プレートを取り付ける際に繊維がねじれていないことを確認してください。 </li><li>弦のチューニングを通して繊維のヒントは、カスタムテンションボードのペグ。 </li><li>ピンと張ったまでテンションPLA繊維を。しないオーバーテンションに注意してくださいと繊維をはめ込みます。 </li><li>圧縮空気を用いた繊維パターンから余分な微粒子を除去。 </li><li>ミックスポリジメチルシロキサン（PDMS）午前10時01分で硬化剤とベース、V：V比。 </lI&gt; <li>ドガ10分間デシケーター瓶に真空下で混合。 </li><li>モールドボックスにPDMS液を注ぐ。気泡の捕捉を低減させるための繊維の上に直接かけないでください。 </li><li> 26 Gの針を用いて、成形ボックス内または繊維間の任意の気泡を除去する。 </li><li> 30分間85℃でPDMS混合物を硬化させる。 </li><li>プレートを曲げすぎたり強く引っ張らないように確認しながら、金型ボックスから真鍮プレートを外し。モールドボックスから硬化1 回目のステージを削除します。 </li><li>皮下注射針とエンドキャップの穴を穿刺することによりRTVのエンドキャップを通して繊維を通します。ファイバのサイズに応じて、少なくともあなたファイバの外径の内径の2倍有する針ゲージを使用する。真鍮パターニングプレートと同様のパターンを維持しますが、より広く広がる。 </li><li>大きな金型ボックスの両端にエンドキャップを固定し、PDMSの第 2 段を注ぐ。 </li><li>残った気泡を除去し、30分間85℃で硬化する。 </li><li> PLA繊維は主に避難している24時間°Cまで、または210で真空オーブン内のサンプルと場所から余分なPLA繊維をカットします。 </li><li>任意のPLAを除去できない場合は、緩やかにクロロホルム1mlを注入を用いてマイクロチャネルのうち溶解する。 </li></ol>

<ol><li>Bellan, L. M., Singh, S. P., Henderson, P. W., Porri, T. J., Craighead, H. G., Spector, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+an+artificial+3-dimensional+vascular+network+using+sacrificial+sugar+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Fabrication of an artificial 3-dimensional vascular network using sacrificial sugar structures.</a> Soft Matter. 5 (7), 1354(2009).</li>
<li>Bellan, L. M., Strychalski, E. A., Craighead, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nano-channels+fabricated+in+polydimethylsiloxane+using+sacrificial+electrospun+polyethylene+oxide+nanofibers%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vac.+Sci.+Technol.+B+Microelectron.+Nanometer+Struct.+Process.+Meas.+Phenom%22%5BJournal%5D)">Nano-channels fabricated in polydimethylsiloxane using sacrificial electrospun polyethylene oxide nanofibers.</a> J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanometer Struct. Process. Meas. Phenom. 26 (5), 1728(2008).</li>
<li>Borenstein, J. T., Weinberg, E. J., Orrick, B. K., Sundback, C., Kaazempur-Mofrad, M. R., Vacanti, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfabrication+of+three-dimensional+engineered+Scaffolds%5BTitle%5D)+AND+%22Tissue+Eng%22%5BJournal%5D)">Microfabrication of three-dimensional engineered Scaffolds.</a> Tissue Eng. 13 (8), 1837-1844 (2007).</li>
<li>Wu, H., Odom, T. W., Chiu, D. T., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+complex+three-dimensional+microchannel+systems+in+PDMS%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Fabrication of complex three-dimensional microchannel systems in PDMS.</a> J. Am. Chem. Soc. 125 (2), 554-559 (2003).</li>
<li>Trask, R. S., Bond, I. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomimetic+self-healing+of+advanced+composite+structures+using+hollow+glass+fibres%5BTitle%5D)+AND+%22Smart+Mater.+Struct%22%5BJournal%5D)">Biomimetic self-healing of advanced composite structures using hollow glass fibres.</a> Smart Mater. Struct. 15 (3), 704-710 (2006).</li>
<li>Dong, H., Esser-Kahn, A. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemical+treatment+of+poly%28lactic+acid%29+fibers+to+enhance+the+rate+of+thermal+depolymerization%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl.+Mater.+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Chemical treatment of poly(lactic acid) fibers to enhance the rate of thermal depolymerization.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 503-509 (2012).</li>
<li>Esser-Kahn, A. P., Thakre, P. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+microvascular+fiber-reinforced+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional microvascular fiber-reinforced composites.</a> Adv. Mater. 23 (32), 3654-3658 (2011).</li>
<li>White, S. R., Blaiszik, B. J., Kramer, S. L. B., Olugebefola, S. C., Moore, J. S., Sottos, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-healing+polymers+and+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+Sci%22%5BJournal%5D)">Self-healing polymers and composites.</a> Am. Sci. 99 (5), 392(2011).</li>
<li>Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+three-dimensional+microvascular+gas+exchange+unit+for+carbon+dioxide+capture%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">A three-dimensional microvascular gas exchange unit for carbon dioxide capture.</a> Lab Chip. 12 (7), 1246(2012).</li>
<li>Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+membrane+thickness+on+a+microvascular+gas+exchange+unit%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">The effect of membrane thickness on a microvascular gas exchange unit.</a> Adv. Funct. Mater. , (2012).</li>
</ol>

我々はこの技術ウント米国米国特許仮出願第61/590 086で仮特許を申請しました。

PLA繊維にSnOx触媒の導入は、繊維が低い温度で解重合することができます。これは、この場合にはPDMS、埋め込み樹脂の劣化を防止することができる。カスタムスピンドルが正しく処理溶液を（ 図5A）混合する必要があります。スピンドルはデジタルミキサに取り付ける中心コアを取り囲む6の支持棒から構成されている。繊維は、触媒溶液と接触してラッピング繊維の表面積が最大にされたように、支持ロッドの周りに巻かれている。スピンドルの底部は、カオス流れを導入するためのブレードのセットを含んでいた。混沌とした流れは、触媒の凝集を防ぎます。 カスタムテンション基板は、繊維（ 図5B）の並列セットを作成するために使用される。これにより、ボードのエッジに沿ってギターのチューニングペグ付きボードで構成されています。十分なチューニングペグがpresaの複数形であるように、ボードの寸法は限り重要ではありませんパターンで使用される繊維の張力すべてにNT。繊維のピボットポイントの添加は、ガイドプレート境界角度が大きすぎるからで曲げ繊維を防止するため...

自然のシステムは、多くの生物学的機能を容易にするための広範な血管網を使用しています。質量輸送は体積比と最適化されたパッキング構造体に対して高い表面積に起因するこのようなシステムで効率的に達成することができる。多くの合成製造技術は、微小構造体を製造することができるが、既存の製造方法1-5と複雑さとの互換性を維持しながら、未大規模な微小血管を生成することができない。そのような鳥類の肺のような構造は、インスピレーションを提供します。どのように我々は大量輸送を向上させるためにこのような複雑の構造を作製するのですか？ 犠牲成分の蒸発（VASC）は、大規模で複雑 ​​な血管構造は6-7生成することができます。この方法は、熱解重合とポリの蒸発除去（乳酸）繊維テンプレートの逆数である中空チャネルを形成するために乳酸繊維を使用しています。これは、既存の製造と互換性犠牲テクニックです方法。メートルの長さ、円筒状のマイクロパターンがこの製造プロセスを用いて形成することができる。これは、自己修復ポリマーおよび7-10 3D微小炭素捕捉部として血管形成デバイスを作成するために使用することができる。 炭素捕捉部は、飛行中のその使用効率的なガス交換対重量比を提供する鳥類により肺に触発された。 parabronchus、高いガス交換率と構造的に安定したガス交換ユニットを提供する六角形パターン化されたマイクロチャネルから構成される。 3次元に整列機能を備えたマイクロ交換ユニットを作成するために、我々は、独立して、ギターのチューナーとレーザマイクロマシンプレートをカスタム設計された張力ボードを使用して繊維に張力をかける方法を開発した。各繊維は、繊維が実行されるプレートの穴を通って配置することによって設定された外部張力とパターンによって適所に保持される。

<table><tbody><tr><td colspan="4">試薬</td></tr><tr><td>錫 (II) シュウ酸</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>402761</td><td></td></tr><tr><td>Disperbyk 130</td><td>BYK 添加剤 機器</td><td></td><td></td></tr><tr><td>トリフルオロエタノール</td><td>ハロカーボン</td><td></td><td></td></tr><tr><td>マラカイト グリーン (テクニカルグレード)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M6880</td><td></td></tr><tr><td>水酸化ナトリウム (&ge;98%, pellets)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5881</td><td></td></tr><tr><td>ポリジメチルシロキサン (PDMS)</td><td>Dow Corning</td><td>3097358-1004</td><td>Distributed from Ellsworth Adhesives</td></tr><tr><td>ポリ(乳酸)繊維</td><td>帝人モノフィラメント</td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">Material</strong</td></tr><tr><td>>RW 20 デジタルミキサー</td><td>IKA</td><td>3593001</td><td></td></tr><tr><td>デシケータージャー</td><td>パイレックス</td><td></td><td></td></tr><tr><td>真空オーブン</td>フィ<td>ッシャーサイエンティフィック</td><td></td><td></td></tr><tr><td>サードハンド</td><td>Jameco</td>エレクトロニクス<td>26690</td><td>プレートホルダー</td></tr><tr><td>グルーガン</td><td>スタンレーGR20L</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PLAスピンドル</td><td></td><td></td><td>カスタムメイド</td></tr>テン<tr><td>ションボード</td><td></td><td></td><td>カスタムメイド</td></tr></tbody></table>

犠牲成分の蒸発を用いた三次元微細構造を作る過程

Process of Making Three-dimensional Microstructures using Vaporization of a Sacrificial Component

自然のシステムにおける血管構造は、高い表面積及び最適化構造を介して高質量輸送を提供することができる。いくつかの合成材料の製造技術は、スケーラビリティを維持しながら、これらの構造の複雑さを模倣することができる。犠牲成分（VASC）プロセスの蒸発はそうすることができます。このプロセスは、マトリックス内に埋め込まれた中空円筒状のマイクロチャネルを形成するためのテンプレートとして犠牲繊維を使用する。スズ（II）シュウ酸（SnOx）は、このプロセスの使用を容易にポリ（乳酸）乳酸（PLA）繊維の中に埋め込まれている。 SnOxは、より低い温度でのPLA繊維の解重合を触媒する。乳酸モノマーは、これらの温度で気体であり、マトリックスに損傷を与えない温度で埋め込まれたマトリックスから除去することができる。ここでは、三次元的に配列されたマイクロチャネルの複雑なパターンを作成するマイクロマシンプレートとテンション装置を使用して、これらの繊維を整列させるための方法を示す。プロセスは繊維トポロジおよび構造の事実上すべての配置の探査を可能にします。

この手順は、樹脂内に埋め込まれた微小構造体の製造方法を提供する。これらの構造は、様々なパターン（ 図2）に適合することができる。微小血管ネットワークの構造は、犠牲繊維で形成することができる構造によって制限される。 ガス透過性チャネル間膜を横切るように微小流路の並列配置を用いて、流体流との間のガス輸送が容易になる。これらのデバイスは、リソグラフィ（ 図3）を必要とせずにスケーラブルな方法で製造することができる。形成されたマイクロチャネルは完全に中空であり、50μm未満によって分離することができる。 リークとプラグの両方がマイクロチャネル（ 図4）内に表示することが可能です。プラグの形成は、マイクロチャネルを介して任意の流体の流れを防ぐことができますし、手動で削除する必要があります。チャネル間の漏れは、wを形成することができるめんどり繊維は完全に洗浄し、張られていません。 <p class="jove_content" f...

犠牲成分（VASC）工程の気化を微小構造を作製するために使用される。この手順では、レーザーマイクロマシンガイドプレートが提供する正確な3D幾何学的なポジショニングと中空マイクロチャネルを形成するために犠牲（乳酸）、ポリ乳酸繊維を使用しています。

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material ...

この手順の全体的な目的は、三次元的な微小血管構造を作製することである。これは、まずポリ乳酸繊維にシュウ酸スズ(II)を組み込むことで犠牲繊維を作成し、次にパターニングプレートを用いてこれらの繊維を三次元的にパターニングすることで達成される。次に、繊維を埋め込み樹脂でキャストします。最終ステップは、加熱と真空条件下で樹脂から繊維を脱気させることです。最終的に、この微小血管系は、熱交換、物質輸送、自己修復システムなど、多くの目的に利用することが可能です。一般に、この手法に不慣れな方は、ファイバーの操作に必要な手先の器用さと視覚的な認識レベルが高いため、習得に苦労することがあります。ファイバーの化学処理やパターンプレートへの張り込み作業は、手と目の協調動作と専用の装置を必要とするため、学習が困難であり、本手法の視覚的なデモンストレーションが不可欠です。まず、カスタムスピンドルと直径が既知のポリ乳酸ファイバーを用いて、ファイバーへの触媒注入プロセスを開始してください。ここでは200 µmとします。必要な量のファイバーをスピンドルの下側4分の3に巻き付けます。密閉可能なボトル内で表面積を最大限に露出させるため、ファイバーの重なりを減らしてください。脱イオン水400 millilitersとdysbaric. One 30を40 milliliters混合します。ボトルを閉め、均質な溶液になるまで振り混ぜます。次に、1000 mLビーカーを37 °Cのウォーターバスに入れます。ビーカーにトリフルオロエタノールを400 mL注ぎます。そこに水分散溶液を加え、均一になるまで撹拌します。1 gのマラカイトグリーンまたは他の染料を混合物に加え、溶解するまで撹拌します。次に、スピンドルをデジタルミキサーに取り付け、スピンドルが底から0.5インチの高さになるように調整します。ミキサーを400 RPMに設定し、ゆっくりと混合を開始します。混合物に1.3 gのシュウ酸スズ触媒を加えます。水酸化ナトリウムを用いて、混合物のpHを約6.8から7.2に調整します。次に、ビーカーに蓋をし、スピンドルの回転数を500 RPMまで上げます。これを24時間維持しますが、最初の2時間以内に完了させてください。シュウ酸スズの凝集が発生した場合は、手動で分散させてください。24時間後、オーブンを35 °Cに予熱しておきます。スピンドルをミキサーから取り出し、オーブンに入れます。一晩乾燥させます。少なくとも8時間乾燥させた後、スピンドルをオーブンから取り出し、スピンドルからファイバーを解きます。繊維から過剰な触媒を除去します。微小血管ガス交換ユニットの作製は、目的の微小血管パターンでレーザーカットされた一対の真鍮製パターニングプレートを入手することから始まります。プレートをクリップホルダーに固定します。マイクロチャネル1本あたり、触媒処理済みファイバーを10 inchの長さに切断します。ファイバー径に合わせてカットしたプレートを用いて、ファイバーに残っている触媒を除去します。ホットグルーガンのチップを使用して、ファイバーの端をテーパー状に整えます。ファイバーの先端をゆっくりと押し出して行います。完了後、ファイバーを真鍮製パターニングプレート対の対応する穴に通します。次に、プレートをモールディングボックスにねじ込んで固定します。プレートを取り付ける際、ファイバーがねじれていないことを確認してください。次に、カスタムテンションボードのチューニングペグにファイバーの先端を通し、PLAファイバーがピンと張るまで緊張させます。過度に緊張させてファイバーを切断しないよう注意してください。圧縮空気を使用して、ファイバーパターンから過剰な微粒子を取り除きます。次に、ポリジメチルシロキサンベースとその硬化剤を容量比10:1で混合し、混合物をデシケーターに入れます。真空状態で10分間、混合物を脱泡させます。PDMS混合液を成形ボックスに注ぎます。ただし、ファイバーに直接注がないでください。26ゲージの針を使用して、成形ボックス内またはファイバー間の気泡を取り除きます。完了後、アセンブリを85 °Cで30分間硬化させます。ボックスが冷却されたら、プレートを曲げたり強く引っ張ったりしないように注意しながら、成形ボックスから真鍮製プレートを外します。成形ボックスから硬化した第1段階の構造体を取り出します。繊維の外径の少なくとも2倍のゲージの皮下注射針を使用して、RTVエンドキャップに穴を開け、針を刺したまま繊維を穴に通します。次に、ニードルを取り除きます。穴のパターンは真鍮製のパターニングプレートと同様であるはずですが、より広く分散している必要があります。次に、エンドキャップをより大きなモールディングボックスに固定します。PDMSの2層目を流し込み、残っている気泡を除去します。再度、85 degrees Celsiusで30分間硬化させます。2回目の硬化後、サンプルから余分なPLAファイバーを切り取ります。それを真空オーブンに入れ、210 °Cで24時間、またはPLAファイバーの大部分が除去されるまで加熱します。PLAが除去できない場合は、クロロホルム 1 mLを注入して、マイクロチャネル内に残ったものを溶解させます。これでユニットの作製は完了です。この手順では、上図のガス交換ユニットに見られるような、樹脂内への微小血管構造の作製方法について説明します。左下は、構造の一部を拡大した詳細図です。視覚的な明確さを高めるために染料を使用しています。右側は、マイクロチャネルを作成するために使用した200 micronおよび300 micronの孔の六角形パターンです。マイクロチャネルは完全に中空であり、その間隔を50 microns未満にすることが可能です。微小血管ネットワークの構造は、犠牲ファイバーで形成可能な構造によってのみ制限されます。マイクロチャネル内には、リーク（漏れ）とプラグ（閉塞）の両方が現れる可能性があります。このガス交換ユニットの左側にはプラグが存在しています。これらは多くの場合、溶媒で除去できます。右側はリーク（漏れ）の例です。これらは、犠牲繊維が十分に洗浄されていないか、適切に張られていない場合に発生します。この手法を習得すれば、繊維の作製に45分、微小血管ユニットの作製に60分で完了させることができます。このビデオを視聴することで、犠牲ファイバーを用いて三次元パターンを作成する方法と、その広範なプロセスにおけるトラブルシューティングについて十分に理解することができます。

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JoVE Journal

Engineering

工学

我々は、三次元細胞培養用多孔性ポリマーチップの微細加工のための2つのプロセスを提示する。最初のものは、溶剤蒸気の溶接プロセスと組み合わせて熱エンボス加工です。もう一つは製造の大幅な簡素化につながるイオン飛跡技術と組み合わせた最近開発microthermoformingプロセスを使用しています。...

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再入可能および二重再入可能なキャビティまたは柱を含むガスを覆うマイクロテクスチャを彫ることによってSiO2/Si表面をレンダリングする

学ぶ犠牲成分の蒸発を用いた三次元微細血管構造の作製法。ポリ乳酸繊維とレーザー加工ガイドプレートを使用し、生体材料や神経科学への応用可能性を示す。

犠牲成分の蒸発を用いた三次元微細構造を作る過程

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