犠牲成分の蒸発を用いた三次元微細構造を作る過程

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。