Name: ロボットディスペンシングシステムを介して、サスペンドミクロン/サブミクロンスケールの繊維構造体の所定の3-Dの直接書き込み (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 36 s
Description: 学ぶロボットディスペンシングシステムを用いたマイクロン・サブマイクロンスケールのポリマー繊維構造体の3次元直接書き込み法。CAD設計と精密制御により、生体材料や神経科学への応用が可能となる革新的なファイバー製造技術です。

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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。

<html> 1.機器のセットアップ<ol><li> 2.45マイクロリットル/分の流速で針先からのポリマー溶液を分注する15 psiで圧力を設定するために、圧力調整器を介して、分配システム組み立て、空気圧源にバルブコントローラと注射筒を接続します。 </li><li>安定した作業環境（ 図2）を確保するために熱エンクロージャに3軸ロボットおよび分配システムを挿入します。 </li><li>システムの製造元が提供するジョイントロボット制御ポイント（JR-Cポイント）ソフトウェアをインストールし、シリアル通信ポートを介してコンピュータに3軸ロボットを接続します。 </li><li> 3軸ロボットにバルブを分配マウントし、バルブに針の先端をインストールします。 </li><li>弁先端15の高さに対して平坦性を確保するために、製造業者のガイドラインに従ってロボットステージ定盤を水平に。 </li><li>環境制御を追加するために、エンクロージャ内にフィードバック制御ヒーターを組み立てます。 </li></ol>常に &quot;&gt;：&quot; =キープtogether.withinページFO」コンテンツ<img alt="図2" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> 筐体内に収容され、必要なアクセサリーと、図2（A）3軸分注ロボット。と、（B）可視化のための付属のUSB顕微鏡で分配弁の画像をクローズアップ。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">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。</a> 2.実験材料と制御要因<ol><li>制御因子およびそれらの組合せ。 <ol><li> JR C-ポイントソフトウェアにより、100％（500ミリメートル/秒）までの1％の速度（5 MM /秒）の速度を供給して変化する。 この用途では、製造するには、2％の速度（10ミリメートル/秒）を使用し繊維構造体は、この仕事で提示します。 </li><li>必要とされる特定の粘度、表面張力および揮発性のパラメータを得るために、ポリマー溶液濃度を変化所望の用途のために。 このアプリケーションでは、この作業に提示繊維構造体を製造するためにクロロベンゼン溶液に24％のポリメチルメタクリレート（PMMA）を使用します。 </li><li> このアプリケーションでは 。圧縮空気を介してソリューションを排出するために、0.02秒から1秒に制御弁吐出時間を変化させる、この仕事で提示繊維構造体を製造するために0.02秒を使用しています。 </li><li>ポリマー溶液を分配するために高精度の針先端のゲージサイズを選択します。 このアプリケーションでは、この作業に提示繊維構造体を製造するために30 G（内径（ID）= 152.4μm）の先端を使用しています。 </li><li>ポリマー試料の一定の蒸発速度を維持するための断熱箱に100°F、70°Fの間の動作温度範囲を設定する。 このアプリケーションでは、この研究で提示繊維構造体を製造するために70°Fの温度を使用します。 </li></ol></li><li>ポリマー溶液の調製。 <ol><li>ミックスポリメチルメタクリレートのポリマー樹脂（PMMA; 0.72グラム）、化学流フード下で溶媒クロロベンゼン（2.28グラム）です。 </li><li>溶液中のポリマーの所望の濃度を達成するために、ポリマー（PMMA）およびその溶媒（クロロベンゼン）の重量を計算します。 このアプリケーションでは、この作業に提示繊維構造体を製造するためにクロロベンゼン溶液に24％のポリメチルメタクリレート（PMMA）を使用します。 </li><li>ガラスバイアルにポリマー粉末/樹脂の所望の量を置きます。 このアプリケーションでは、PMMAの24％の濃度になるようにPMMA樹脂の0.72グラムを使用しています。 </li><li> 3グラムの総重量に達するまでピペットでバイアル内でポリマーに溶媒を移します。 </li><li>ボルテックスシェーカーを用いて1分間バイアルを混合し、超音波で完全にポリマー粉末/樹脂を溶解するために5時間のためにそれらを処理します。 </li><li>透明になるまで超音波処理していき、サンプルに任意の曇りまたは不透明がある場合は、ソリューションの透明性を確認してください。 </li></ol></li><li>ポリマー溶液の粘度測定。 <ol><li>コーン·アンド·プレート粘度計を介してメジャー溶液粘度（ 例えば、LVDV-II +とRVDV-II +）16。 </li><li>ロード粘度測定における誤差を最小にするために粘度計を較正する粘度計の製造業者によって提供さ知ら粘度標準サンプル（グリセリン系と水の混合物）0.5 mlです。製造業者は、粘度計を校正するための標準試料の様々な提供しました。 10万CPの粘度とグリセリン系標準試料を使用してください。 </li><li>一定の動作温度で試験流体を維持するために、粘度計、水ジャケットを接続します。 </li><li>スピンドルの回転を開始するために、ONの位置にオン/オフスイッチを移動させることにより、試験流体の測定を開始します。表示パネル上のトルクの値が安定したら、トルクを記録し、スピンドル1のトルク、スピンドル乗数定数と速度との関係を用いて最終粘度を計算します6 <img alt="式（1）" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> 粘度がどこにあるか、RPMがコーンに取り付けられた主軸の速度は、TKが（LVDV-II +、RVDV-II +のための1のための0.09373）のトルクであり、SMCは、粘度の間に使用されている特定のスピンドルに依存スピンドル乗数定数であります測定。この研究のために、CP-52スピンドルは9.83のスピンドル乗数定数を有するものを用いました。 </li></ol></li><li>ポリマー溶液の表面張力測定。 <ol><li>測定方法は、ウィルヘルミー法を指す。14 </li><li>高解像度のバランス（スケール分解能= 0.001グラム）の上にガラスバイアルに1ミリリットルの試験溶液を配置します。試験溶液中に既知の直径のガラス棒を浸し。 </li><li>表面にタッチして、部分的にゼロ接触で試験溶液に浸漬するサーボまたはステッパー制御リニアアクチュエータを介してロッドの位置を制御します。 </li><li>ときにバランスの質量測定の変化を監視し、記録します溶液表面からロッドを取り除きます。 </li><li>力変化、ロッドの周囲とロッド上の流体の接触角によって表面張力を計算します。 <img alt="式（2）" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> 、θは、液体の接触角は、ロッドに、ロッドの濡れ縁（L = 直径が 10.05 ミリメートル = 3.2 ミリメートル ）である場合には、Fは、ロッドの先端に試験流体の表面張力による力の変化です。 </li></ol></li><li>ソリューションの物質移動係数測定。 <ol><li>熱重量分析により、ポリマー溶液の物質移動係数を測定します。14 </li><li>バランスを風袋引きする前に白金板上に24％（重量）のPMMAポリマー溶液の負荷を30μl。 </li><li>室、プログラム対象溶液の量を監視するために2時間、所望の動作温度（70°F）で動作する装置を通気。 </li><li>ソリューションの質量の変化によって物質移動係数を計算し、溶液/空気界面と密度の領域。 <img alt="式3" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> M（t）がPMMA溶液の質量であり、Aは、溶液/空気界面の面積である（標準板に78.5ミリメートル2に等しい）、mPOLYMERは溶液中のポリマーの質量であり、溶液の密度です。 </li></ol></li></ol> 3.ダイレクトライトの実験手順<ol><li>システムのサンプルローディングプロトコル調剤。 <ol><li>ロードシリンジバレル内にポリマー溶液3mlを、一貫性のない空気圧分布を除去するために注射器バレル内にピストンを配置します。 </li><li>シリンジバレルの入口ラインアダプタをねじる、ソースラインエアチューブに接続します。 </li><li>実験を実行するために高精度の針の先端の所望のゲージサイズを選択します。 </li><li>ディスペンスコントローラパネルで、状態をパージし、そのポリマーとディスペンスバルブを埋めるために「サイクル」ボタンをクリックして切り替えます針の先端から排出されるまでリューション。 </li><li>プログラムされた繊維の書き込み手順の製造における先端からの残留ポリマー溶液を拭きます。 </li></ol></li><li> 3軸ロボットと分配システムとの直接書き込みポリマー繊維。 <ol><li>所定のマイクロ/サブミクロン繊維構造の開始点にデフォルトのホームポジションから分注針の先端の位置を変更するために、オフセットロボットステージを決定する描画されます。 Z軸に沿って移動ディスペンシング·システムのバルブブラケットにUSB顕微鏡（倍率= 200×）をマウントします。手動で正確に目的の場所、プレハブ基板またはデバイスに弁先端の位置決めを支援するUSB​​顕微鏡の焦点調節ノブを調整することによって、ディスペンサー先端に焦点を当てています。 </li><li>作成/ CADソフトウェアパッケージを使用して所望の繊維構造パターン（ 図3A、4A、および5A）を設計します。入力ロボの空間座標（x、y、z）T JR-Cは、CADプログラム（ 図3B、4B、および5B）内に作成された所望のパターンに対して順番にすべての開始と終了点のソフトウェアを制御する。15 </li><li> JR-Cソフトウェア15内のロボットメニューの「C＆Tのデータを送る」をクリックするだけでロボットにコンピューターから完成した繊維構造設計プログラムを転送します。 </li><li>負荷シリンジバレル、パージ弁と針に既知の濃度（24％）のPMMAの溶液試料の3ミリリットル、バルブコントローラとロボット制御ソフトウェアのすべての分配パラメータを設定します。 </li><li>ロボットステージ定盤の上にプレハブ基板を配置し、ポリマー溶液の不安定な蒸発を誘発することができ、周囲の空気の流れを防止する熱エンクロージャのドアを閉じます。 </li><li> 1 JR-Cソフトウェアからロボットメニューをクリックし、「実行中のテスト」を選択することにより、基板上に繊維を書き始めます5。 </li><li> DCスパッタコート金の2nmの厚さの層までの2分間の導電性の金の金属層は、走査型電子顕微鏡で繊維の可視化を可能にするために描かれた繊維上に堆積されます。 </li><li>走査電子顕微鏡17を介して繊維の直径及び構造を測定します。顕微鏡パラメータ：高電圧レベル：2.00 kVの。目的：InLens、作動距離（9.0ミリメートル）。 </li></ol></li><li>化学流フードの下でディスペンシングシステムのクリーニング手順を実行します。 <ol><li>洗浄手順を実行するために、化学流フードに分配システムを置きます。 </li><li>製造業者のプロトコルに従ってニードルバルブを分解します。 </li><li>すべての部品が浸漬されるまで、ビーカーにアセトンを注ぎ、ビーカーにすべての金属部品を配置します。 </li><li>全てのポリマー残骸を除去するために、30分間、超音波浴中でビーカーを置きます。 </li><li>流れるDI水の下にすべての部品を洗浄し、その後乾燥し、それらを爆破する空気銃を使用しています。 </li></ol></<html> LI&gt; </ol><img alt="図3" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" /> 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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">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。</a> <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> 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&gt;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。 <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" /> 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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">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。</a>

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</ol>

著者らは開示するものは何もない。

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。

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。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> 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 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">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。</a> 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。

<table><tbody><tr><td>ロボットDR2203N 3軸 200MM X 200MM</td><td>ノードソンEFD</td><td>7023145</td><td>3軸ロボット</td></tr><tr><td>コントローラー 7100、ディスペンスバルブ</td><td>ノードソンEFD</td><td>7015340</td><td>バルブコントローラー</td></tr><tr><td>マイクロドットバルブ</td><td>ノードソンEFD</td><td>7021233</td><td>マイクロドットバルブ</td></tr><tr><td>ロボットACCフィクスチャプレート 200MM</td><td>ノードソンEFD</td><td>7028276</td><td>フィクスチャプラテン</td></tr><tr><td>ロボットACC DRN / DSRNポイント ソフトワー</td><td>ノードソン EFD</td><td>7023144</td><td>JR-C ソフトウェア</td></tr><tr><td>ロボット マウント バルブ ユニバーサル</td><td>ノードソン EFD</td><td>7028273</td><td>マイクロドット バルブ マウント</td></tr><tr><td>15 PSI バレル プレス。レギュレータ</td>ー <td>ノードソン EFD</td><td>7020585</td><td>バレル レギュレータ</td></tr>ー <tr><td>KIT O BRL/PIST 5CC CL/WH 40</td><td>ノードソン EFD</td><td>7012096</td><td>5CC バレル</td></tr><tr><td>ピストン付き アダプター ASM O 5CC BL</td><td>ノードソン EFD</td><td>7012054</td><td>空気圧バレル アダプター</td></tr><tr><td>チップ 30GA .006X.25 LAVNDR 50PC</td><td>ノードソン EFD</td><td>7018424</td><td>30 ゲージ ニードル チップ (0.250" 長さ)</td></tr><tr><td>電気ベースボード ヒーター (500&nbsp;W、30 "長さ)</td><td>Cadet</td><td>2F500</td><td>タイマー</td></tr><tr><td></td><td>制御会社</td><td>130726596</td><td>温度コントローラーeScopeUSB</td></tr><tr><td>顕微鏡</td><td>OiTez</td><td>DP-M02</td><td>200X USB顕微鏡</td></tr><tr><td>ポリ(メタクリル酸メチル)</td><td>Aldrich</td><td>182265-500G</td><td>PMMA粉末</td></tr><tr><td>クロロベンゼン</td><td>シグマAldrich</td><td>284513</td><td>PMMAを溶解する溶媒</td></tr></tbody></table>

ロボットディスペンシングシステムを介して、サスペンドミクロン/サブミクロンスケールの繊維構造体の所定の3-dの直接書き込み

Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System

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。

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。 <img alt="図6" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> 図6（A）オペアンプ<html>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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">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。</a> <img alt="図7" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> 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= &quot;_空白&quot;&gt;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。 <img alt="図8" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> （;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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">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。</a> 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<html>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 。 <img alt="図9" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> 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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">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。</a> 2834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; 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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">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。</a> 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。 <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> 図6の構造の直径</td><td> 図7の構造の直径</td><td> 図8の構造の直径</td></tr><tr><td> 支持繊維 </td><td> 8.65±1.43ミクロン</td><td> 9.39±1.23ミクロン</td><td> 9.31±1.65ミクロン</td></tr><tr><td> ブランチの繊維 </td><td> 20.96±3.35ミクロン</td><td> 15.92±1.44ミクロン</td><td> 12.24±5.42ミクロン</td></tr></tbody></table> 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。 <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> 24％のPMMA </td></tr><tr><td> 粘度（PA *秒） </td><td> 35.19 </td></tr><tr><td> 表面張力（mN / m） </td><td> 262.01 </td></tr><tr><tD&gt; 物質移動係数（10m /秒） </td><td> 8.59×10 -8 </td></tr></tbody></table> 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。

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。

ロボットディスペンシングシステムを介して、サスペンドミクロン/サブミクロンスケールの繊維構造体の所定の3-Dの直接書き込み

A 3-axis dispensing system is utilized to control the initiating and terminating fiber positions and trajectory via the dispensing software. The polymer ...

本手順の目的は、3軸ディスペンシングシステムによる自動ダイレクトライティング法を用いて、自由に懸架されたミクロンからサブミクロン規模のポリマーファイバーおよびウェブ状構造を作製することである。まず、バルブコントローラーとディスペンシングシステムを用いて自動化装置をセットアップする。機械的なセットアップの後、液体ポリマーソースを合成し、表面張力や粘度などの流体パラメータを測定して品質管理を行う。次に、CADソフトウェアを使用して構造を設計します。その後、設計した構造の空間座標をロボットコントローラーソフトウェアに転送します。続いて、ロボットが吐出針をあらかじめ設定した位置に移動させ、自由に懸垂したミクロンおよびサブミクロン規模のポリマーファイバーやウェブ状の設計を作製します。ウェットスピニング、ドライスピニング、エレクトロスピニングなどの他の手法に対する本手法の主な利点は、繊維径、および3次元空間における繊維の配向と寸法を精密に制御できることです。一般的に、この技術を初めて扱う人は、表面張力、緩やかな蒸発速度、および供給速度の相乗効果を調整して、広範囲の直径で繊維を安定して作製させることに苦労します。本日の手順の実演は、私の研究室の大学院生であるHan Yonが行います。ロボット装置を設置するために、まずラボベンチ上でディスペンサーシステムを組み立てます。この工程で接続する4つの空気圧コンポーネントは、圧力源、ソース圧を制御するレギュレーター、ダウンストリームバルブコントローラー、およびメインシリンジバレルです。空気圧コンポーネントを組み立てた後、メインレギュレーターを15 PSIに調整します。これにより、ポリマー溶液が2.45 microliters per minuteの流速でニードルチップから吐出されます。次に、3軸ロボットベースを専用のサーマルエンクロージャー内に配置し、ディスペンシングシステム全体とバルブコントローラーをロボットベースの上に mounted します。温度管理されたエンクロージャーは、ロボット組立プロセスの次の段階において、ポリマー溶液と精密電子機器の両方が動作するための安定した環境を提供します。まず、ロボットベースとコンピュータの間でシリアルポート接続を行います。次に、専用のコントローラーソフトウェアをコンピュータにインストールし、操作を進める前にソフトウェアとハードウェア間の通信を確認します。さらに、ロボットステージのプラテンを水平に調整します。製造元のガイドラインに従い、これにより、水平方向の動作時にディスペンスチップがロボットステージに対して完全に垂直に保持されることが保証されます。さらに、これにより、針を垂直に作動させる際のZ軸に沿った精密な動作も保証されます。目的の特定濃度でポリマー溶液を調製するには、まず、2つの基準を同時に満たすために必要なポリマー粉末量と溶媒量を計算します。重量比が目的の濃度パーセントと等しく、かつ、2つの成分の合計重量が正確に3 gになる必要があります。例えば、繊維加工に24%アクリル溶液を使用する場合、まず72 gのポリメタクリル酸メチル（PMMA）を計量し、そこに2.28 gのクロロベンゼンを加えることで混合物を調製できます。次に、空のガラスバイアルをマイクロバランスの上に置きます。風袋引き（ゼロ点調整）後、バイアルにPMMA粉末を加えます。次に、ガラスピペットを使用して、2つの化学物質の合計重量が3 gになるまで、バイアルにクロロベンゼンを分注します。促進させるため、ポリマーペレットの溶液を折り畳みます。バイアルを1分間ボルテックスし、約5時間超音波バスに入れます。得られた溶液がまだ不透明である場合は、透明度を確認してください。溶液が完全に透明になるまで、超音波撹拌の工程を繰り返します。CADソフトウェアを用いてファイバーパターンを設計するには、この原点参照関係を確定させるために、ステージ原点とCAD作図原点の物理的な位置座標との関係が必要になります。まず、USB顕微鏡をディスペンシングバルブ横の取付ブラケットに固定します。次に、作製済みの基板をロボットステージ上に配置し、ポリマー堆積の目的領域が顕微鏡の視野に入るように、ステージのおおまかな位置調整を行います。ディスペンサーのニードルに焦点が合うまで、手動で顕微鏡を調整してください。ソフトウェア制御を用いて、X、Y、Z軸にさらなる微調整を行い、ニードルの物理的な位置をCAD図面内の対応する構造的な原点に一致させます。次に、ステージ座標を設計原点コードとして、ポリマーファイバー設計の各線分における開始座標と終了座標を、現在のXYステージ座標とともにコンピュータに記録します。最後に、ロボットメニューの「sense c and t」データコマンドを選択し、コンピュータからロボットへCADファイルをアップロードします。ロボットの準備が整い、ポリマー溶液の充填とファイバーネットワークのダイレクトライティングが可能な状態になりました。気泡が入らないように注意しながら、清澄化したポリマー溶液3 mLをシリンジバレルに慎重に充填してください。その後、ピストンをシリンジバレルに挿入します。これにより、以降のステップにおける空気圧分布の不均一さが解消されます。次に、シリンジバレル上のインレットラインアダプターを回し、バレルと空気源ラインを直接接続できるようにします。続いて、シリンジバレルの反対側に注意を向けます。希望のゲージサイズのニードルチップを選択し、精密ニードルをディスペンシングバルブに取り付けます。ニードルの装着後、ディスペンスコントローラーパネルを確認し、状態をパージ（purge）に切り替えてサイクルボタンをクリックし、ディスペンシングバルブ内にポリマー溶液を満たします。精密ニードルからポリマー溶液が滴下し始めたら、ニードルから過剰に排出されたポリマーを拭き取ります。最後に、必要な吐出パラメータを吐出バルブとロボットコントローラーの両方にロードし、ロボットのメインメニューからテスト実行オプションを選択して、ダイレクトライティングルーチンを開始します。構造の定性的視覚化にはビデオ光学顕微鏡を用い、ファイバーおよび構造の定量的な寸法データの取得には走査電子顕微鏡を用います。これらの画像は、24% PMMA溶液から形成された構造のものです。図に示すように、ダイレクトライティングプロセスにより、支持繊維と分枝繊維の相対的な配置パターンおよび直径をすべて独立して調整し、所定のウェブパターンを織りなすことができる三次元繊維マトリックスを合成しました。ロボットステージは、液状ポリマーを同時に吐出させながら、逐次的な方向に移動するようにプログラムされています。PMMA濃度を20%まで下げて供給速度を変更することで、ポリマー繊維径のダイナミックレンジを数十ミクロンからサブミクロンレベルまで変化させることができます。この接合技術を習得すれば、適切に実施することで30分で完了させることができます。しかし、PMA溶液の調製、CADソフトウェアでの構造設計、PMA溶液を用いたディスペンシングシステムのロード、および30分間のファイバー描画工程を含めると、全工程に約6時間かかります。この手順を行う際は、ファイバーの形成と供給速度のトレードオフに留意することが重要です。例えば、供給速度によって生じる慣性力が、使用している特定の流体材料の表面張力や蒸発速度よりも高い場合、毛管破断が起こり、ワイヤは形成されません。逆に、供給速度が遅すぎると、形成後の特定のワイヤの直径を制御できなくなります。この手法により、我々やマイクロファブリケーションおよびナノファブリケーション分野の他の研究者が、3次元および従来の形式の両方で新しいマイクロ流体デバイスやプラットフォームを開発し、さらにバイオエンジニアリング分野において新しい生物学的プラットフォームやスキャフォールドを開発することが可能になりました。

prescribed-3-d-direct-writing-suspended-micronsub-micron-scale-fiber

Research

JoVE Journal

Engineering

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