Name: 희생 구성 요소의 증발을 사용하여 세 가지 차원 미세 만들기의 과정 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-02T17:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 31 s
Description: 학습하세요 희생 섬유를 이용한 3차원 미세혈관 구조 제작 방법을. 레이저 가공된 패턴 플레이트를 사용하여 정확한 기하학적 배치를 구현하고, PDMS 주조 및 열·진공 처리로 중공 미세채널을 형성합니다. 이 기법은 열 교환, 물질 수송 및 자가 치유 시스템에 활용됩니다.

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이 작품은 FA9550-12-1-0352와 3M 비 종신 교수 상 아래 AFOSR 젊은 조사자 프로그램에 의해 지원되었다. 저자는이 프로젝트에 관한 도움을 토론 Lalisa Stutts과 재닌 톰에게 감사의 말씀을 전합니다. 저자는 시설의 사용을 허용을 위해 캘리포니아 대학 어바인에 Calit2 현미경 센터 및 레이저 분광학 시설을 주셔서 감사합니다. 호지 할 랜드 및 UCI 물리 과학 기계 공장은 도구의 제작을 위해 확인됩니다. 폴리는 (유산균) 산 섬유는 넉넉한 테이 모노 필라멘트에 의해 제공되었다.

1. 희생 섬유를 촉매 <ol><li> 낮은 주위 폴리 (젖산) 산 섬유 ¾ 정의 스핀들의 원하는 금액을 래핑합니다. 최대 표면적 노출을 제공하기 위해 섬유 중복을 줄일 수 있습니다. </li><li> 밀폐 된 병에 Disperbyk 130 40 ml의 탈 이온화 된 H 2 O를 혼합하고 균질 한 용액이 얻어 질 때까지 흔 듭니다. 그런 다음 37 ° C에서의 물을 욕조에 1,000 ml로 비커를 놓고 비커에 트리 플루오을 붓는다. 사용하는 H 2 O와 TFE의 양이 사용되는 PLA 섬유의 직경에 따라 달라집니다. <table border="1"><tbody><tr><td> 섬유 직경 </td><td> H 2 O (ML)의 양 </td><td> TFE의 양 (ML) </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> 추가H 2 O / Disperbyk 187 비이커에 용액 균일 때까지 저어. </li><li> 혼합물 녹색 공작석 1 g을 용해 될 때까지 저어. </li><li> 비커 섬유 ½ 아래에서 인치로 정의 스핀들을 배치하고 디지털 믹서로 스핀들을 연결합니다. 그런 다음 400 rpm에서 디지털 믹서를 시작합니다. </li><li> 천천히 혼합물에 주석 (II) 수산 (SnOx) 촉매 1.3 g을 추가합니다. SnOx의 추가 솔루션에서 충돌에서 물질의 큰 응집을 방지하기 위해 점진적으로해야합니다. </li><li> pH가 ~ 6.8-7.2 될 때까지 수산화 나트륨을 사용하여 혼합물의 pH를 조정합니다. </li><li> 비이커에 뚜껑을 확보하고 24 시간 동안 500 rpm까지 스핀들 회전을 증가시킨다. SnOx의 응집이 관찰되는 경우, 수동으로 처음 2 시간 내에 그것을 휴식. </li><li> 35 ° C에서 하룻밤 오븐에 스핀들과 건조를 제거합니다. </li><li> 촉매 PLA 섬유의 과잉 촉매를 풀고 제거합니다. </li></ol> 2. 미세 혈관 가스 ExchanGE의 단위 제조 <ol><li> 클립 홀더에 원하는 미세 혈관 패턴 및 부착 플레이트 레이저 컷 황동 패턴 황동 플레이트의 쌍을 가져옵니다. </li><li> 마이크로 당 촉매 섬유의 10 인치 길이를 잘라 섬유 직경 (그릴 플레이트)로 절단 두꺼운 판을 사용하여 모든 남아있는 촉매를 제거합니다. </li><li> 천천히에 뜨거운 아교 총의 팁을 사용하여 테이퍼 섬유의 가장자리 섬유 팁을 돌출. </li><li> 황동 패턴 플레이트 쌍 구멍을 일치를 통해 섬유 스레드. </li><li> 성형 상자 위에 접시를 고정합니다. 번호판을 부착 할 때 섬유가 꼬여 있지 않은지 확인합니다. </li><li> 문자열 조정을 통해 섬유 팁은 사용자 정의 장력 보드의 말뚝을 박는 다. </li><li> 긴장 될 때까지 긴장 PLA 섬유를. 이상없는 긴장에주의하고 섬유 웁니다. </li><li> 압축 공기를 사용하여 섬유 패턴에서 초과 미립자를 제거합니다. </li><li> 10:1의 경화제, v를 혼합 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 기본 : V 비율. </lI&gt; <li> 10 분 데시 케이 항아리에 진공 탈 가스가 혼합. </li><li> 형 상자에 PDMS 혼합물을 부어. 기포의 포획을 줄이기 위해 섬유에 직접 붓지 마십시오. </li><li> 26 G 바늘을 사용하여, 성형 상자 내에서 또는 섬유 사이의 거품을 제거합니다. </li><li> 30 분 동안 85 ° C에서 PDMS 혼합물을 치료. </li><li> 번호판을 구부리거나 너무 세게 당기지 않도록주의하면서, 금형 상자에서 놋쇠 판을 풉니 다. 형 상자에서 치료 1 차 단계를 제거합니다. </li><li> 피하 주사 바늘과 엔드 캡에 구멍을 천공하여 RTV의 엔드 캡을 통해 섬유 스레드. 섬유 크기에 따라 최소한의 섬유의 외경 내경 배가 바늘 게이지를 사용합니다. 황동 패턴 플레이트와 유사한 패턴을 유지하지만, 더 넓게 퍼져. </li><li> 큰 형 상자의 끝으로 끝 캡을 고정하고 PDMS의 2 차 단계를 따르십시오. </li><li> 남아있는 가스 거품을 제거하고30 분 동안 85 ° C에서 치료. </li><li> PLA 섬유는 대부분 대피 한 24 시간 동안 ° C, 또는 때까지 210의 진공 오븐에서 샘플과 장소에서 초과 PLA 섬유를 잘라. </li><li> 모든 PLA는 제거 할 수없는 경우, 부드럽게 클로로포름 1 mL를 주입하여 미세에서 녹입니다. </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>
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</ol>

우리는이 기술 싶게 미국 특허 미국 가출원 일련 번호 590분의 61, 086에 대한 임시 특허를 신청했다.

PLA 섬유에 SnOx 촉매의 도입은 섬유가 낮은 온도에서 depolymerize 할 수 있습니다. 이것은이 경우 PDMS에 임베딩 수지의 열화를 방지 할 수 있습니다. 사용자 정의 스핀들이 제대로 처리 솔루션 (그림 5A)를 혼합해야합니다. 스핀들은 디지털 믹서에 연결하는 중앙 코어를 둘러싸는 여섯 지원 봉으로 구성되어 있습니다. 섬유는 촉매 용액과 접촉하는 포장 섬유의 표면 영역을 최대화하도록 지원 막대 주위에 래핑됩니다. 스핀들의 바닥은 혼돈의 흐름을 소개하는 블레이드의 집합이 포함되어 있습니다. 혼돈의 흐름은 촉매의 응집을 방지 할 수 있습니다. 사용자 정의 장력 보드는 섬유 (그림 5B)의 병렬 집합을 만드는 데 사용됩니다. 이 보드의 가장자리를 따라 기타 튜닝 페그 보드로 구성되어 있습니다. 충분한 튜닝 페그가 prese만큼 보드의 치수만큼 중요하지긴장 패턴에 사용되는 섬유의 모든에 NT. 섬유의 피봇 포...

자연 시스템은 많은 생물학적 기능을 촉진하기 위해 광범위한 혈관 네트워크를 사용합니다. 대중 교통은 볼륨 비율 및 최적화 포장 구조 표면적으로 인해 이러한 시스템에서 효율적으로 달성 될 수있다. 많은 합성 제조 기술은 미세 혈관 구조를 생성 할 수 있지만 기존의 제조 방법 1-5 복잡성과 호환성을 유지하면서, 아무도 대규모 미세 혈관을 생성 할 수 없습니다. 이러한 조류 폐와 같은 구조는 영감을 제공합니다. 우리가 어떻게 대중 교통을 향상이 복잡한 구조를 조작합니까? 희생 구성 요소의 증발 (VASC)는 대규모의 복잡한 혈관 구조 6-7 생성 할 수 있습니다. 이 방법은 열 해​​중합과 폴리의 증발 제거 (젖산) 섬유 템플릿의 역이다 빈 채널을 형성하는 산 섬유를 사용합니다. 이 기존의 제조와 호환 희생 기술입니다방법. 미터 길이의 원통형 미세 패턴이 제조 공정을 이용하여 형성 될 수있다. 이 예 7-10자가 치유 고분자 및 3D 미세 혈관 탄소 포집 장치와 같은 혈관 장치를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 탄소 포집 장치는 비행의 사용에 효율적인 가스 교환에 무게 비율 때문에 제공 조류 폐에 의해 영감을했다. parabronchus이 높은 가스 환율과 구조적으로 안정적인 가스 교환 장치를 제공 육각형 패턴 미세으로 구성되어 있습니다. 세 가지 차원에서 정렬 된 마이크로 기능과 함께 교환 단위를 생성하기 위해, 우리는 독립적 기타 튜너와 레이저 미세 가공 플레이트 맞춤 설계 장력 보드를 사용하여 섬유를 긴장하는 방법을 개발했다. 각각의 섬유는 외부 장력에 의해 장소에서 개최되고 패턴은 섬유가 실행되는 통해 플레이트에 구멍의 위치에 의해 설정됩니다.

<table><tbody><tr><td colspan="4">Reagent</td></tr><tr><td>Tin (II) oxalate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>402761</td><td></td></tr><tr><td>Disperbyk 130</td><td>BYK 첨가제 기기</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Trifluoroethanol</td><td>Halocarbon</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Malachite Green (technical grade)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M6880</td><td></td></tr><tr><td>수산화나트륨 (&ge; 98 %, 펠릿)</td> <td>Sigma-Aldrich</td><td>S5881</td><td></td></tr><tr><td>Polydimethylsiloxane (PDMS)</td> <td>Dow Corning</td><td>3097358-1004</td><td>Ellsworth Adhesives에서 배포</td></tr><tr><td>폴리 (젖산) 산 섬유</td><td>Teijin 모노 필라멘트</td><td></td><td></td></tr><tr> <td colspan = "4 ">Material</td></tr><tr><td>RW 20 디지털 믹서</td><td>IKA</td><td>3593001</td><td></td></tr><tr><td>Desiccator Jar</td><td>Pyrex</td><td></td><td></td></tr><tr><td>진공 오븐</td><td>Fisher Scientific</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Third Hand</td><td>Jameco Electronics</td><td>26690</td><td>플레이트 홀더</td></tr><tr><td>접착제 건</td><td>Stanley</td><td>GR20L</td><td></td></tr><tr><td>PLA 스핀들</td><td></td><td></td><td>맞춤형</td></tr><tr><td>텐셔닝 보드</td><td></td><td></td><td>맞춤형</td></tr></tbody></table>

희생 구성 요소의 증발을 사용하여 세 가지 차원 미세 만들기의 과정

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

자연 시스템의 혈관 구조는 높은 표면적과 최적화 된 구조를 통해 높은 대량 전송을 제공 할 수 있습니다. 몇 가지 합성 물질 제조 기술은 확장 성을 유지하면서 이러한 구조의 복잡성을 모방 할 수 있습니다. 희생 구성 요소 (VASC) 프로세스의 증발은 그렇게 할 수 있습니다. 이 과정은 매트릭스 내에 포함 된 중공 원통형 미세을 형성하는 템플릿으로 희생 섬유를 사용합니다. 주석 (II) 수산 (SnOx)는 폴리 (젖산)이 프로세스의 사용을 용이하게 산 (PLA) 섬유 내에 포함되어 있습니다. SnOx 낮은 온도에서 PLA 섬유의 해중합을 촉진. 젖산 단량체는이 온도에서 기체이며 행렬을 손상하지 않는 온도에서 내장 행렬에서 제거 할 수 있습니다. 여기에서 우리는 3 차원 배열 마이크로의 복잡한 패턴을 만들 미세 접시와 장력 장치를 사용하여 이러한 섬유를 정렬하는 방법을 보여줍니다.이 과정은 섬유의 거의 모든 배열의 탐사 토폴로지 구조를 할 수 있습니다.

이 절차는 수지 내에 포함 된 미세 혈관 구조를 제조하는 방법을 제공합니다. 이러한 구조는 다양한 패턴 (그림 2)을 준수 할 수 있습니다. 미세 혈관 네트워크의 구조는 희생 섬유 형성 할 수 구조에 의해 제한됩니다. 가스 투과성 채널 간 막을 통과로 미세 혈관 채널, 유체 흐름 사이의 가스 수송의 병렬 배열을 사용하는 것이 용이합니다. 이러한 장치는 리소그래피에 대한 필요성 (그림 3)없이 확장 가능한 방식으로 조작 할 수 있습니다. 형성된 미세 완전히 투명하며보다 50 μM로 구분 될 수있다. 누수와 플러그가 모두 마이크로 (그림 4) 내에 표시하는 것이 가능합니다. 플러그의 형성은 마이크로를 통해 어떤 유체의 흐름을 방지하고 수동으로 제거해야합니다. 채널 사이의 누설 승을 형성 할 수암탉 섬유는 철저하게 청소하고 장력이되지 않습니...

희생 구성 요소 (VASC) 프로세스의 증발은 미세 혈관 구조를 조작하는 데 사용됩니다. 이 절차는 레이저 미세 가이드 플레이트가 제공하는 정확한 3D 기하학적 위치와 중공 미세을 형성하는 희생 폴리 (젖산) 산 섬유를 사용합니다.

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

본 실험의 전반적인 목표는 3차원 미세혈관 구조를 제작하는 것입니다. 이는 먼저 polylactic acid 섬유에 tin two oxalate를 혼입하여 희생 섬유를 생성함으로써 수행됩니다. 두 번째 단계는 패턴 플레이트를 사용하여 섬유를 3차원적으로 패턴화하는 것입니다.다음으로, 섬유를 매립 수지에 캐스팅합니다. 마지막 단계는 열과 진공 상태에서 수지로부터 섬유를 적출하는 것입니다. 최종적으로, 이러한 미세혈관 시스템은 열교환, 물질 전달 및 자가 치유 시스템을 포함한 다양한 용도로 사용될 수 있습니다.일반적으로 이 방법에 익숙하지 않은 개인은 섬유를 다루는 데 필요한 정밀한 손재주와 시각적 인지 수준이 높기 때문에 어려움을 겪을 수 있습니다. 섬유의 화학적 처리와 패턴 플레이트의 스트링 작업은 수개 협응력과 전문 장비가 필요하여 습득하기 어렵기 때문에, 이 방법에 대한 시각적 시연이 매우 중요합니다. 맞춤형 스핀들과 직경을 알고 있는 폴리락틱산 섬유 소스를 사용하여 섬유 촉매 주입 공정을 시작하십시오.여기서는 200 microns를 사용합니다. 스핀들의 하단 4분의 3 지점에 원하는 양의 섬유를 감으십시오. 밀폐 가능한 병 내에서 표면적이 최대한 노출될 수 있도록 섬유의 겹침을 최소화하십시오.탈이온수 400 milliliters를 dysbaric. One 30 40 milliliters와 혼합하십시오. 병을 닫고 균질한 용액이 얻어질 때까지 흔들어 섞으십시오.다음으로 1000 milliliter 비커를 37 °C 항온수조에 넣습니다. 비커에 tri fluoro ethanol 400 milliliters를 붓습니다. 여기에 수분산 용액을 넣고 균일해질 때까지 교반합니다.혼합물에 1 g의 말라카이트 그린 또는 다른 염료를 넣고 완전히 녹을 때까지 저어 줍니다. 이제 디지털 믹서에 스핀들을 부착하고, 스핀들이 바닥에서 0.5 inch 거리에 있도록 높이를 조절합니다. 믹서를 400 RPM으로 설정하고 천천히 혼합을 시작합니다.혼합물에 1.3 grams의 주석 옥살레이트 촉매를 추가합니다. 수산화나트륨을 사용하여 혼합물의 pH가 약 6.8에서 7.2가 될 때까지 조정합니다. 다음으로, 비커에 뚜껑을 닫고 스핀들 회전 속도를 500 RPM으로 높입니다.처음 2시간 이내에 이를 24시간 동안 유지하십시오. 발생하는 주석 옥살레이트의 응집물은 수동으로 분쇄하십시오. 24시간이 지나면 오븐을 35 °C로 예열해 두십시오

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Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

우리는 세 차원 세포 배양을위한 다공성 고분자 칩의 microfabrication 두 가지 프로세스를 제시한다. 첫 번째는 용매 증기 용접 공정과 결합 핫 엠보싱입니다. 두 번째는 생산의 중요한 단순화하기 위해 선도적인 이온 트랙 기술과 함께 최근에 개발된 microthermoforming 프로세스를 사용합니다.

입체 세포 배양을위한 칩 크기의 공사장 공중 발판의 Microfabrication

우리는 수직으로 정렬된 탄소 나노튜브 (CNTs) 및 조직 nanoscale 표면 텍스처와 폴리머 microstructures 생산을위한 마스터 금형 등 자신의 이용 패턴 microstructures의 제조를위한 방법을 제시. CNT 숲이 크게 자신의 패킹 밀도를 증가 및 3D 형상의 자기 지향성 형성을 가능하게 기판, 위에 용매의 응축에 의해 densified됩니다.

3D 카본 나노튜브 Microstructures의 제조, Densification 및 복제 성형

우리는 자유 서 microspheres 및 온칩 microtoroids 포함한 실리카 공진 충치를 조작하는 이산화탄소 레이저 reflow 기법의 사용을 설명합니다. reflow 메서드는 두 장치 사이 긴 광자 수명 있도록, 표면 결함을 제거합니다. 그 결과 디바이스는 통신에서 biodetection에 이르기까지 애플 리케이션을 가능하게, 초고 품질 요인이 있습니다.

실리카 초고 품질 팩터 Microresonators의 제작

3 차원 (3D) 미세 복합 빔은 3 차원 다공성 미세 유체 네트워크로 나노 복합 재료의 감독 및 지역화 침투를 통해 제조된다. 이 제조 방법의 유연성은 기능적 3D 강화 나노 복합체 거시적 다양한 제품을 달성하기 위해 서로 다른 열경화성 재료와 nanofillers의 이용을 가능하게한다.

미세 유체 침투를 통해 세 가지 차원 미세 구조 나노 복합 재료의 제조

이 논문은 미세 전자 기계 시스템 (MEMS) 구조 및 장치의 유연한 제작을위한 3D 첨가제 micromanufacturing 전략 (라고 '마이크로 벽돌')을 소개합니다. 이 접근법은 급속 열 어닐링 사용 재료 본딩 기술과 함께 마이크로 / 나노 스케일 물질의 전사 인쇄 기반 어셈블리를 포함한다.

3D 첨가제 Micromanufacturing에 대한 마이크로 벽돌

여기서는 3 축 분배 시스템으로 자동화 직접 기입 순서에 의해 생성 된 자유 - 부유 마이크론 / 서브 마이크론 스케일 고분자 섬유와 "웹 형상"구조를 제조하는 프로토콜을 제시한다.

일시 중단 된 마이크론 / 서브 마이크론 스케일 섬유 구조의 3 차원 직접 쓰기는 로봇 디스펜스 시스템을 통해 처방

원심 주조와 중합체의 3 차원 인쇄를 불러 간접 첨가제의 제조 방법은 0.5 mm의 벽 두께 5mm의 단위 셀 길이를 갖는 제조 3 차원 옥 테트 트러스의 금속 (알루미늄 및 구리 합금)에 대해 설명한다.

원심 주조를 사용하여 얇은 섹션과 격자 금속의 간접 제작

이 논문은 내피 세포의 생리 학적 특성을 요점을 되풀이 미세 혈관을 설계하는 사출 성형 방법을 제공한다. 미세 유체 기반의 공정은 흐름, 세포 성분, 형상, 생화학 그라디언트로 테일러 조건과 특허 3 차원 혈관 네트워크를 생성합니다. 제조 공정 및 잠재적 응용 예들이 설명된다.

미세화 및 3D 미세 혈관의 조립

길고 중공 유리질 탄소 미세 섬유는 천연물 인 인간의 머리카락을 열분해하여 제조되었습니다. 탄소 미세 전자 기계 및 탄소 나노 전자 기계 시스템, 또는 C-MEMS 및 C-NEMS의 두 제조 단계는 (i) 탄소가 풍부한 중합체 전구체의 포토 리소그래피 및 (ii) 패턴 화 된 중합체 전구체의 열분해이다.

3D 탄소 미세 전자 기계 시스템 (C-MEMS) 제작

첨가제 제조 (오전)을 채용 하는 표면에 마이크로 기능으로 복잡 한 형상에 대 한 삽입 성형 사출 날조를 위한 프로토콜 제공 됩니다.

마이크로 3D 부품의 사출 성형에 대 한 부드러운 금형 프로세스 체인 기둥

이 작품은 포토리소그래피와 건식 에칭을 사용하여 SiO2/Si웨이퍼에서 재진입 및 이중 재진입 프로파일로 충치 및 기둥을 달성하기 위한 미세 가공 프로토콜을 제공합니다. 그 결과 미세 질감 표면은 실리카의 본질적인 습윤성에도 불구하고 습윤 액체 하에서 공기의 견고한 장기 트랩을 특징으로하는 놀라운 액체 발압을 보여줍니다.

렌더링 SiO2/Si 표면 재진입 및 이중 재진입 구멍 또는 기둥을 포함하는 가스 를 포함하는 미세 질감을 조각하여 전지성

학습하세요 희생 섬유를 이용한 3차원 미세혈관 구조 제작 방법을. 레이저 가공된 패턴 플레이트를 사용하여 정확한 기하학적 배치를 구현하고, PDMS 주조 및 열·진공 처리로 중공 미세채널을 형성합니다. 이 기법은 열 교환, 물질 수송 및 자가 치유 시스템에 활용됩니다.

희생 구성 요소의 증발을 사용하여 세 가지 차원 미세 만들기의 과정

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