Name: ステンレス鋼の滑りやすい表面の作製と高温の反付着挙動 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-03-29T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 52 s
Description: 学ぶステンレス鋼の滑りやすい表面作製法。高温耐性と反付着特性を持つ表面を用いて、電気外科手術器具の軟組織付着問題を解決する手法です。生体医工学における革新的な材料設計技術を習得できます。

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この仕事は、中国の国家自然科学基金 (許可番号 51290292) によって支えられた、また博士課程の学生のための学術の卓越性基盤の機械製造及びオートメによって支えられました。

1. ステンレス鋼の写真平版
<ol><li>機械図面のソフトウェアを使用してフォトマスクを設計し、フォトマスク プリンター4にそれを提出することにより、デザインを作製します。</li>
	<li>洗浄ステンレス (316 SS; lengthx 幅: 4 cm × 4 cm、厚さ: 1 mm) アルカリ溶液 (50 g/L の水酸化ナトリウムと 40 グラム/L の Na2CO3) 油汚染物質を除去する 15 分の室温での洗浄によって。</li>
	<li>超音波洗浄機の超音波洗浄を行いステンレス鋼を徹底的に掃除 (動作周波数: 40 KHz の超音波出力: 500 W)。脱イオン水、n-ヘキサン、アセトン、エタノール 10 分と順番にすすいでください。</li>
	<li>ステンレス鋼を配置することによってホット プレート上 150 ° c 30 分保護ステンレス鋼アルミニウム (Al) 箔のシートで覆うことによって乾燥します。</li>
	<li>スピン コーター部にステンレス鋼を配置します。フォトレジストは完全にステンレス鋼をカバーするまで、エッジ ・ センターから、ステンレスの上にポジ型フォトレジスト (約 1 mL) を入金するのにドロッパーを使用します。気泡のフォトレジストを避けてください。<ol>
<li>最初 6 700 回転/分の速度でスピン コーティングを行う s スピン サイクルを開始する 15 1,500 回転/分の速度で s、フォトレジストを均等に配分します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>真空バルブを解放し、ピンセットのペアを使用してステンレス鋼を取得します。フォトレジストを焼く 2 分の 120 ° C のホット プレートにステンレス鋼を配置します。</li>
	<li>場所写真平版機の真空バルブのステンレス鋼。写真平版機の露光時間を 25 に設定 s。 注: ここでは、フォトリソグラフィ マシンは 254 の紫外線 (UV) 光波長:mems nm と 13 mW/cm2の光の強さ。</li>
	<li>ステンレス鋼を解放し、開発者向けフォトレジストを UV ライトにそれを公開することがなく削除する 1 分。開発者ソリューションからステンレス鋼を除去、脱イオン水で洗って、N2ガス下で乾燥します。</li>
	<li>2 分の 120 ° C で焼くホット プレートにステンレス鋼を配置します。</li>
	<li>得られたレジスト テクスチャを検査するのにステンレス鋼の表面を観察するのに、100 倍の倍率で正立型顕微鏡を使用します。</li>
</ol>2. ステンレス鋼のエッチング
<ol><li>エッチング液 200 mL (400 g/L した FeCl3、リン酸 20 g/L と 100 g/L の塩酸) 500 mL ビーカーの容積と化学を準備します。</li>
	<li>10 分の薬液にフォトレジストの質感とステンレスを配置します。互いに接触するステンレス鋼片を許可しません。一度に最大 4 つのステンレス鋼片を配置します。</li>
	<li>ピンセットを使用して化学的にエッチングされたステンレスを取り出す、1 分、脱イオン水で部分を洗浄し、N2ガスで乾かします。</li>
	<li>フォトレジスト テクスチャを削除するには、5 分間超音波洗浄用アセトンでステンレス鋼を水没します。N2ガスを化学的にエッチングされたステンレスを乾かします。</li>
</ol>3. 自己組織化学的にエッチングされたステンレスの OTS
<ol><li>脱イオン水の安定したストリームを化学的にエッチングされたステンレスをきれい、N2ガス、乾燥、表面が完全に乾燥する 30 分間 100 ° C のホット プレートの上に置きます。</li>
	<li>10 分、100 mbar の圧力、流量 20 sccm の 100 W の RF 電力の RF プラズマ機 O2プラズマ治療と化学的にエッチングされたステンレス鋼を hydroxylate します。</li>
	<li>ビーカーに無水トルエン 1 mM OTS ソリューションを準備します。ソリューションの準備の前に徹底的にビーカーを乾燥させます。</li>
	<li>室温で 4 h の OTS ソリューションと化学的にエッチングされたステンレスをすすいでください。密封された袋にビーカーを置きます。互いに接触するステンレス鋼片を許可しません。</li>
	<li>ステンレス鋼を取り外して無水トルエンとそれをきれいに、10 分間超音波洗浄を行い N2ガス乾燥します。</li>
</ol>4. 滑りやすい表面処理
<ol><li>約 10 mL/cm2シリコーン オイルを入金 (粘度: 350 cst; 表面張力: 21.1 mN/m) スポイトを使用して OTS コーティング、化学的にエッチングされたステンレスの上に。</li>
	<li>ステンレス鋼の表面 (10 x の倍率) のシリコーン オイルのぬれプロセスを観察するのに光学顕微鏡を使用します。</li>
	<li>ステンレス鋼を 1 h の垂直位置に配置することによって余分なシリコン オイルを削除します。</li>
</ol>5. 水の滑りやすい路面のすべり挙動の調査
<ol><li>滑りやすい面上 4 μ L の水滴を入金します。光学顕微鏡下におけるステンレス鋼を配置し、基板を 〜 2 ° 傾斜します。</li>
	<li>滑りやすい表面に摺動特性を簡単であることを確認する低倍率 (50 倍) で滑りやすい面上スライド水滴を視覚化します。</li>
</ol>6. 高温で滑りやすい表面上でアンチの濡れの解析
<ol><li>ピンセットを使用してホット プレート上滑りやすい表面にステンレスを配置します。(すなわち、 200 ° C 250 ° C、300 ° C) 異なる温度で反ぬれ挙動を分析する別の高温ホット プレートを設定します。 注意: 高温ステンレス鋼の手で直接触れないでください。</li>
	<li>滑りやすい表面に 10 μ L の水滴を入金するのにマイクロ注射器を使用します。 注: 水液滴を削除する前に滑りやすい表面の温度が均衡に達する必要があります。</li>
	<li>高速カメラを使用すると、フレーム レートは 500 Hz の水液滴の動きを記録します。<ol>
<li>三脚にカメラを固定、ステンレス鋼へのカメラのレンズを直接します。澄んだ水の液滴の画像を取得するカメラのフォーカスを調整します。ステンレス鋼表面上の水滴の動きを記録するには、カメラのスタート ボタンを押します。水液滴スライド オフ レコーディングを完了するステンレス製カメラの終了ボタンを押してください。</li>
	</ol>
</li>
</ol>7. 滑りやすい表面の軟部組織の癒着防止効果の解析
<ol><li>マニピュレーターを使用、動力計、ホット プレート、付着性を設定する固定具力計測プラットフォーム4、図 3 aに示すように。</li>
	<li>ホット プレート上試料の表面を配置します。プレートにステンレス鋼を修正するのにクランプを使用します。一定の高温試験表面を熱(例えば、 300 ° C)。 注: 試料の表面は、滑りやすい表面に効率的な熱輸送を確保するためのホット プレート密接にお問い合わせください。</li>
	<li>マニピュレーターにダイナモを修正します。シリンダー テーブルを接続 (直径: 2 cm) 軟部組織として機能する力頭の固定プラットフォーム。</li>
	<li>軟部組織を修正(例えば、鶏の胸肉; 長さ: 5 センチメートル、幅: 2 cm、厚さ: 3 mm) 細いワイヤを使用してシリンダー テーブルの上に。軟部組織の表面は約もを確認します。</li>
	<li>ダイナモ マニピュレーターのモーション ボタンを回転させることにより、特定の最大フォース (例えば4.5 N) に達するまでは、1 mm/s の速度で試験面に軟部組織をロードします。その後、同じ速度で軟部組織をアンロードします。</li>
	<li>データ伝送線路を用いた動力計にコンピューターを接続し、軟部組織と試料の表面との間のリアルタイムの力を記録します。</li>
</ol>

<ol><li>Liu, Y., Chen, X., Xin, J. H. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2009/JM/B822168E">Can superhydrophobic surfaces repel hot water?</a> J Mater Chem. 19 (31), 5602-5611 (2009).</li>
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</ol>

著者が明らかに何もありません。

本稿では細部の高温耐滑りやすい表面を製造するためのプロトコル。私たちの準備された表面の滑りやすいプロパティは、水滴の簡単な滑り挙動を観察することによって示されました。その後、高温の表面に水滴を付着することによって異なる高温で準備された滑りやすい表面の反湿潤を調べた。それで 300 ° C 以上に加熱したときにも準備された滑りやすい表面は、滑りやすいプロパティを維持されることを示した滑りやすい表面の軟部組織の癒着防止効果も決定。
超撥水表面とは異なり、滑りやすい表面の表面構造は注入された潤滑剤の保持構造として機能します。以前の研究25によるとシリコン オイル注入表面構造、図 1 bに示すように、水滴シリコーン オイルに対する OTS コーティング表面の優遇の親和性のためフロートでしょう。その上、この液体/液体/固体界面ヒステリシスを与える表面接触角が非常に小さい液滴不混和性のシリコーン オイル。したがって、水滴は準備として滑りやすい表面に簡単にスライド可能性があります。...

高温液体や軟部組織で使用するため抗接着面は電気外科的器具で潜在的な広範な応用のためかなりの関心を受けているエンジン、パイプライン等1,2,3,4. 材料表面、特に超撥水表面は優れた反湿潤能力およびセルフ クリーニング特性5のための理想的な選択肢と見なされます。超撥水表面で反ぬれ性は、表面の構造でロックされた空気に帰されるべき。しかし、キャシー バクスター状態6,7だから、超撥水状態は安定しました。また、高温反液滴のぬれはヴェンツェル状態8キャシー バクスターから濡れ状態転移のために失敗します。この濡れ転移は、その場所の空気をロックに失敗した結果、構造体に小さな液滴濡れによって誘導されます。
最近では、食虫植物では、ウツボカズラの peritome の滑りやすい性質に触発さウォンら報告表面構造の9,10 に潤滑剤を注入することによって滑りを構築する概念 ,11。毛管力による構造は、超撥水表面上のロックされた空気のポケットと同様の場所で潤滑剤をしっかりと保持できます。したがって、潤滑剤及び表面構造は、安定した固体/液体表面を形成できます。複合表面上の液滴が非常に低い接触角ヒステリシスだけで簡単に、スライドできる潤滑剤に表面構造に対する優遇親和性がある場合 (例えば、 ~ 2 °)12。この潤滑層に顕著な反濡れ機能13、医療14,15の大きな可能性を示す表面ができます。ただし、滑りに関する先行研究では、主に常温または低温でのアプリケーションのための準備に焦点を当てた。高温耐滑りの準備に非常にほとんどの研究がありません。たとえば、張らは、潤滑剤の急速な蒸発が急速にでも少し高温16で滑りやすい特性の障害を引き起こすことを示した。
高耐熱性で滑りやすい路面はアプリケーションのポテンシャルを広げることができます。たとえば、液体障壁として電気楽器のヒントに軟部組織の付着を減少に使用できます。外科手術中に重度軟部組織癒着は電気楽器のヒントの高温のため発生します。ヒント17,18,19周辺の軟部組織を涙の機器の先端に付着する原因と、軟部組織を炭化できます。電気計測器の先端に付着の軟部組織操作に悪影響を及ぼす作用も止血19,20の失敗を引き起こす可能性があります.これらの効果は、人々 の健康と経済的利益を著しく損います。したがって、電気外科的器具に軟部組織の付着の問題の解決は、非常に緊急です。実際には、滑りやすい路面は、この問題を解決する機会を提供しています。
ここでは、高温で利用できる滑りやすい表面を作製するためのプロトコルを提案する.ステンレス鋼の高温抵抗表面材として抜擢。ステンレス鋼は、フォトリソグラフィ シスト化学エッチングによって荒くだった。その後、表面修飾と生体適合性材料、生理食塩水オクタデシルトリクロロシラン (OTS)21,22,23,24だった。滑りやすい路面は、シリコーン オイルを追加することによって準備されました。これらの材料は、高耐熱性を達成するために滑りやすい表面を有効にします。高温と軟部組織の癒着防止効果でアンチのぬれ性を調べた。結果は、高温で癒着防止問題を解決するために滑りやすい路面を使用しての可能性を示します。

<table><tbody><tr><td>ステンレス鋼</td><td>Hongtu株式会社</td><td>316</td><td>受け取ったオ</td></tr><tr><td>クタデシルトリクロロシラン</td><td>Huaxia試薬</td><td>112-04-9</td><td>受け取ったように使用</td></tr>フォト<tr><td>レジスト</td><td>Kempurマイクロエレクトロニクス株式会社</td><td>317S</td><td>受け取ったシリコーンオイルとして使用</td></tr><tr><td>北京</td><td>化学工業</td><td>350 cst</td><td>受け取った無</td></tr><tr><td>水トルエン</td><td>北京として使用ケミカルワークス</td><td>108-88-3</td><td>受け取ったリンゴ</td></tr><tr><td>酸(H3PO4)</td><td>Tianjin Chemical Corporation</td><td>7664-38-2</td><td>受け取った塩</td></tr><tr><td>酸(HCl)</td>として使用<td>天津化学公司</td><td>7647-01-0</td><td>受け取ったとおりに使用</td></tr><tr><td>Ferric chloride (FeCl3)</td><td>天津化学公司</td><td>7705-08-0</td><td>受け取ったとおりに使用</td></tr><tr><td>光学直立顕微鏡</td><td>オリンパス</td><td>BX51</td><td></td></tr><tr><td>光学ステレオ顕微鏡</td><td>オリンパス</td><td>SZX16</td><td></td></tr><tr><td>ハイスピードカメラ</td><td>オリンパス</td><td>i-SPEED LT</td><td></td></tr><tr><td>超音波洗浄機</td><td>KUNSHAN ULTRASONIC INSTRUMENTS CO., LTD</td><td>KQ-500E</td><td></td></tr><tr><td>ダイナモメーター</td><td>Yueqing Handapi Instruments Co., Ltd</td><td>HP-5</td><td></td></tr><tr><td>マニピュ</td><td>レーターYueqingHandapi器械Co.株式会社</td><td>HLD</td><td></td></tr><tr><td>ホットプレート</td><td>シンセンJingyihuang株式会社</td><td>DRB-1</td><td></td></tr></tbody></table>

ステンレス鋼の滑りやすい表面の作製と高温の反付着挙動

Preparation and High-temperature Anti-adhesion Behavior of a Slippery Surface on Stainless Steel

高温抵抗耐表面電気外科的器具、エンジン、およびパイプラインの潜在的な用途があります。典型的な反濡れ超撥水表面は、高温の液体にさらされると簡単に失敗します。最近、ウツボカズラ-インスピレーションの滑りやすい路面接着の問題を解決する新しい方法を示した。滑りやすい表面に潤滑層反発材料と表面構造間の障壁として使用できます。しかし、以前の研究で滑りやすい路面はほとんど高温抵抗を示した。ここでは、高温耐滑りの準備のためのプロトコルについて述べる。フォトリソグラフィによる方法は、ステンレス鋼の柱構造を作製する使用されました。生理食塩水で表面による、滑りやすい表面はシリコン オイルを追加することによって準備されました。準備された滑りやすい表面、水の反ぬれ性を維持は、表面で 300 ° C に加熱したときにもまた、滑りやすい表面は偉大な癒着防止に及ぼす高温で軟部組織を展示しました。このタイプのステンレス鋼の滑り面には、医療機器、機械設備などのアプリケーションがあります。

滑りやすい路面は、OTS コーティング、化学的にエッチングされたステンレス鋼にシリコーン オイルを追加することによって準備されました。彼らと同様の化学的性質により表面は完全にシリコン オイルで湿らせた。ぬれプロセスは、図 1 aに表示されます。赤の点線は、濡れ行をマークします。ぬれ後、表示オイル層は乾燥した部分から区別すること。約 2 ° の角度で滑りやすい表面に水滴を付着することによって準備された滑りやすい表面の滑りやすい特性を調べた。図 1 bは、滑りやすい表面上の in situ水液滴運動を示しています。黄色の点線は接触線を示し、水滴フローティングと滑りやすい表面に摺動を示した。
高温の水滴に準備された滑りやすい表面の反ぬれ挙動を調べた。滑りやすい路面で異なる温度に加熱した、水滴が表面に堆積しました。200 °...

滑りやすい路面では、接着の問題を解決する新しい方法を提供します。このプロトコルでは、高温で滑りやすいサーフェスを作成する方法について説明します。結果は、滑りやすい路面が反湿潤液体や高温で柔らかいティッシュの驚くべき癒着防止効果を示したことを示します。

Anti-adhesion surfaces with high-temperature resistance have a wide application potential in electrosurgical instruments, engines, and pipelines. A ...

本実験の全体的な目的は、高温耐性を有する滑り面（スリッパリーサーフェス）の作製方法を記述し、作製した表面の高温における防汚・抗付着効果を調査することです。この手法は、電気手術器具における軟組織の付着問題など、生物医学分野における重要な課題の解決に役立ちます。この手法の主な利点は、作製されたスリップ表面が高温で優れた密着性を達成できることです。手順の実演は、私の研究室の大学院生であるLiu Guangが行います。この手順を開始するために、テキストプロトコルに記載されている通りにフォトマスクの設計および作製を行ってください。次に、ステンレス鋼プレートを室温で15分間、アルカリ溶液で洗浄します。超音波洗浄機を用い、動作周波数 40 kilohertz、超音波出力 500 watts でプレートを徹底的に洗浄します。その後、脱イオン水、ヘキサン、アセトン、エタノールの順に、それぞれ10分間ずつ順次すすぎます。洗浄したプレートを150°Cに設定したホットプレートの上に置きます。ステンレスをアルミホイルで覆い、ホットプレート上で30分間放置して乾燥させます。その後、ステンレスをスピンカッターに移し、中心に配置します。スポイトを使用して、プレートの中心から端に向かって、プレート全体が覆われるまで約1 milliliterのポジ型フォトレジストを滴下します。次に、スピンカッターを700 rpmで6秒間回転させ、その後1500 rpmに上げて15秒間回転させ、フォトレジストを均一に展延させます。その後、真空バルブを開放します。ピンセットを用いて、スピンカッターからコーティング済みの鋼材を取り出します。フォトレジストを焼き付けるため、鋼材を120 °Cのホットプレート上に2分間保持します。次に、ステンレス鋼をフォトグラフィー装置の真空バルブへと移します。露光時間を25秒に設定し、フォトマスク露光機を起動します。その後、鋼材を取り出します。UV光にさらさない状態で、現像液に1分間浸漬してフォトレジストを除去します。次に、プレートを現像液から取り出し、脱イオン水で洗浄します。洗浄したプレートを窒素ガスで乾燥させます。その後、乾燥させたスチールをホットプレートの上に置きます。120 °Cで2分間加熱します。100倍の正立顕微鏡を用いて、ステンレス鋼上のフォトレジストの質感を確認します。まず、500 mLビーカーに化学エッチング液を200 mL用意します。次に、ステンレス鋼を加えます。プレートを溶液中に10分間放置します。ピンセットを使用して、化学エッチングされた鋼を取り出します。脱イオン水で1分間洗浄します。窒素ガスを用いて乾燥させます。超音波洗浄機を使用し、アセトン中で5分間鋼材を洗浄してフォトレジストの残渣を除去します。次に、エッチングしたプレートを窒素ガスで乾燥させます。脱イオン水の一定の流れを用いて、化学的にエッチングされたステンレス鋼を洗浄してください。その後、窒素ガスで乾燥させます。ホットプレートを使用し、鋼材を100 °Cで30分間加熱して表面を完全に乾燥させます。次に、鋼材をRFプラズマ装置に移します。RF出力100 W、システム圧力100 millibar、流量20 SSCMの条件下で、O2プラズマ処理を10分間行い、鋼材を水酸化させます。その後、無水トルエンを用いてOTS溶液を1 mL調製します。エッチング済みの鋼材をOTS溶液に浸します。ビーカーを密閉し、室温で4時間放置します。その後、鋼材を溶液から取り出し、無水トルエンで洗浄します。超音波洗浄機を用いて、プレートを10分間洗浄します。窒素ガスで乾燥させます。まず、スポイトを使用して、OTSコーティングを施し化学エッチングしたステンレス鋼上にシリコーンオイルを約10 milliliters滴下します。次に、光学実体顕微鏡を用いて、鋼材表面におけるシリコーンの濡れ過程を観察します。過剰なオイルを除去するため、鋼板を垂直の状態に1時間保持します。次に、滑りやすいシリコン表面に4 µLの水滴を滴下します。スチールを光学顕微鏡にセットし、約2度まで傾けます。低倍率で水滴を観察し、滑らかな表面上で容易に移動できることを確認します。ピンセットを使用して、鋼材をホットプレート上に移動させます。テキストプロトコルに記載されている通り、さまざまな高温下での防濡挙動を分析するために温度を設定します。高速カメラを三脚に固定し、鋼材に向けます。フォーカスを調整した後、マイクロシリンジを用いて滑り面の上に10 µLの水を滴下し、水滴の動きを500 Hzのフレームレートで記録します。水滴が鋼製の滑り面から滑り落ちた時点で記録を停止します。その後、試験プロトコルに従って、軟組織に対する滑り面の防接着効果を分析します。本研究では、化学エッチングを施しOTSをコーティングしたステンレス鋼にシリコンオイルを加えることで、滑り面を作製します。濡れ処理が完了すると、乾燥した表面から視認可能なオイル層を区別することができます。その後、作製した表面を2度の角度に傾け、水滴を滴下させることで、滑り特性を調査します。黄色の点線が接触点を示しており、水滴が表面に浮いて滑る様子が見て取れます。次に、さまざまな高温条件下で撥水挙動を調査します。200 °Cでは、水滴が最初は表面にしっかりと接触していますが、時間の経過とともにその接触が減少することがわかります。6200ミリ秒時点で、液滴が表面から滑り落ち始めます。250°Cでは、液滴の初期接触面積が大幅に小さくなっていることがわかります。この温度では、液滴はわずか800ミリ秒後に表面から滑り落ち始めます。しかしながら、300 °Cでは液滴は接触した直後に不安定となり、わずか250 milliseconds後に表面から急速に滑り落ちます。次に、付着力を測定することにより、滑りやすい表面の軟組織に対する抗付着効果を評価します。付着力は、滑らかなステンレス鋼では0.80 ± 0.18 newtonsであり、滑りやすい表面では0.04 ± 0.02 newtonsであることがわかります。このように、滑りやすい表面と滑らかなステンレス鋼表面との間では、密着力に1桁の差がありました。習得すれば、適切に実施することでこの手法を12時間で完了させることができます。本手法は、効果的な密着効果を得るために、滑りやすい表面を持つ電気手術器具の設計および作製に関する知見を提供します。本手法は、コントロールの潤滑や薬剤の接着など、他のシステムにも適用可能です。この手順を行う際は、ホットプレートが高温であるときに触れないよう十分注意してください。本技術の開発により、生体医工学分野の研究者が電気手術器具における軟組織の癒着問題に対処する道が開かれました。このビデオを視聴することで、耐熱性の高い滑りやすい表面を作製する方法について十分に理解することができます。

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工学

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CD47由来ペプチド固定化による金属インプラントへの血液媒介性細胞の取り付けの軽減

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