Name: 일시 중단 된 마이크론 / 서브 마이크론 스케일 섬유 구조의 3 차원 직접 쓰기는 로봇 디스펜스 시스템을 통해 처방 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 36 s
Description: 배우세요 로봇 디스펜스 시스템을 활용한 마이크론 및 서브마이크론 규모 중공 섬유 구조의 3차원 직접 쓰기 기법을 통해 정밀한 섬유 직경과 방향 제어를 달성하는 방법을. 이 프로토콜은 생체재료 및 마이크로유체 연구에 활용됩니다.

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이 작업은 NSF-EPSCoR(보조금 #0814194) 및 생명공학과의 지원을 받습니다.

<html> 1. 장비 셋업 <ol><li> 2.45 μL / 분의 유속으로 바늘 끝로부터 중합체 용액을 분배하기 위해 15 psi에서의 압력을 설정하는 압력 조정기를 통해 분배 시스템을 조립하고 공압 원에 밸브 제어기와 주사기 배럴을 연결한다. </li><li> 안정적인 작업 환경 (그림 2)을 보장하기 위해 열 인클로저에 3 축 로봇 및 분배 시스템을 삽입합니다. </li><li> 시스템 제조업체가 제공하는 공동-로봇 제어 포인트 (JR-C 포인트) 소프트웨어를 설치하고 직렬 통신 포트를 통해 컴퓨터에 3 축 로봇을 연결합니다. </li><li> 3 축 로봇에 밸브를 장착하고 분배 밸브에 바늘 끝을 설치한다. </li><li> 밸브 팁 (15)의 높이에 대하여 평탄성을 확보하기 제조자의 지침에 따라 로봇 스테이지 정반을 레벨입니다. </li><li> 환경 제어를 추가 할 인클로저에 피드백 제어 히터를 조립합니다. </li></ol>콘텐츠 &quot;FO : 유지 - together.within 페이지 =&quot;항상 &quot;&gt; <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> 그림 2. (A)의 케이스 안에 보관에 필요한 액세서리와 로봇을 분배하는 3 축; 와, (B)는 시각화를위한 연결된 USB 현미경 분배 밸브의 이미지를 닫습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 2. 실험 재료 및 제어 요인 <ol><li> 요소 및 그 조합을 제어한다. <ol><li> JR C 포인트 소프트웨어에 의해, 100 % (500mm / 초)까지 1 %의 속도 (5mm / 초)에서 공급 속도 다르지만. 본 출원의 경우, 제조에 2 %의 속도 (10mm / 초)를 사용하여 섬유 구조는이 연구에서 제시했다. </li><li> 필요한 특정 점도, 표면 장력 및 변동성 파라미터를 달성하는 중합체 용액의 농도를 바리원하는 용도.이 애플리케이션은이 작업에서 제시된 섬유 구조체를 제조하는 클로로 벤젠 용액에 24 % 메틸 메타 크릴 레이트 (PMMA)를 사용한다. </li><li> 공압 공기를 통해 솔루션을 배출하기 위해 0.02 초 초 1에서 제어 밸브 분배 시간이 달라집니다.이 응용 프로그램은이 연구에서 제시 한 섬유 구조를 제작하기 위해 0.02 초를 사용합니다. </li><li> 폴리머 솔루션을 분배하는 높은 정밀도 바늘 팁 게이지 크기를 선택합니다.이 응용 프로그램은이 연구에서 제시 한 섬유 구조를 제작하기 위해 30 G (내경 (ID) = 152.4 μm의) 팁을 사용합니다. </li><li> 중합체 샘플의 일정한 증착 속도를 유지하기 위해 단열 상자에 100 ° F ~ 70 ° F 사이의 작동 온도 범위를 설정한다.이 애플리케이션은이 작업에서 제시된 섬유 구조체를 제조하기 위해 70 ° F의 온도를 사용한다. </li></ol></li><li> 고분자 용액의 제조. <ol><li> 혼합폴리 메틸 메타 크릴 레이트의 중합체 수지 (PMMA; 0.72 g) 화학 유동 후드하에 용매를 클로로 벤젠 (2.28 g)와. </li><li> 용액 중 중합체의 원하는 농도를 달성하기 중합체 (PMMA)와 용매 (클로로 벤젠)의 중량을 계산한다.이 애플리케이션은이 작업에서 제시된 섬유 구조체를 제조하는 클로로 벤젠 용액에 24 % 메틸 메타 크릴 레이트 (PMMA)를 사용한다. </li><li> 이 응용 프로그램은. 폴리머 분말 / 유리 병에 수지의 원하는 금액을 놓고 PMMA의 24 % 농도를 달성하기 위해 PMMA 수지의 0.72 g을 사용합니다. </li><li> 3g의 총 중량에 도달 할 때까지 피펫으로 바이알에 용매 내의 중합체 옮긴다. </li><li> 소용돌이 통을 사용하여 1 분 동안 유리 병을 혼합하고 초음파 완전히 폴리머 분말 / 수지를 용해 5 시간 동안을 처리합니다. </li><li> 분명까지 초음파 처리를 계속 샘플에 어떤 흐려 또는 불투명가있는 경우, 솔루션의 투명성을 확인합니다. </li></ol></li><li> 중합체 용액의 점도 측정. <ol><li> 콘 및 플레이트 점도계를 통해 측정 솔루션 점도 (예를 들어, LVDV-II +와 RVDV-II +) 16. </li><li> 로드 점도 측정에서 에러를 최소화하기 위해 점도계 교정 점도계 제조업체에서 제공하는 공지의 표준 점도 샘플 (글리세린 계 및 물 혼합물) 0.5ml를. 제조자는 점도계 교정 표준 샘플의 다양한 제공. 100,000 (Cp)의 점도 글리세린 기반의 표준 시료를 사용합니다. </li><li> 일정한 작동 온도에서 시험 유체를 유지하기 위해 점도계 워터 재킷을 연결한다. </li><li> 스핀들의 회전을 시작 ON 위치로 On / Off 스위치를 이동하여 시험 유체 측정을​​ 시작합니다. 디스플레이 패널의 토크 값이 안정되면, 토크를 기록하고, 스핀들 (1)의 토크, 스핀들 승산기 상수 및 속도 사이의 관계를 사용하여 최종 점도를 계산할6 <img alt="식 (1)" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> 점도이고, RPM이 콘에 부착 된 스핀들 속도, TK는 (LVDV-II +, RVDV-II + 1 대 0.09373) 토크이다, SMC는 점도 동안 사용되는 특정 스핀들에 따라 스핀들 승산기 일정 측정. 이 연구를 위해, CP-52 9.83 스핀들의 주축 승산기 상수를 갖는 사용 하였다. </li></ol></li><li> 고분자 용액의 표면 장력 측정. <ol><li> 측정 방법은 빌헬 기술을 의미한다. (14) </li><li> 고해상도 밸런스 (규모 해상도 = 0.001 G)에 유리 바이알에 1 ml의 테스트 솔루션을 놓습니다. 테스트 솔루션으로 알려진 직경의 유리 막대를 찍어. </li><li> 표면을 만지지 부분적 제로 연락처와 테스트 솔루션에 몰입 할 수있는 서보 또는 스테퍼 제어 선형 액추에이터를 통해로드의 위치를​​ 제어합니다. </li><li> 모니터 때 균형 질량 측정의 변화를 기록솔루션면으로부터로드를 제거하는 단계를 포함한다. </li><li> 힘의 변화,로드에 유체의로드와 접촉 각도의 경계에 의한 표면 장력을 계산합니다. <img alt="식 (2)" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> , θ는 액체의 접촉각이로드에로드의 습윤 둘레 (L = 직경 10.05 mm = 3.2 mm)이다 여기서, F는로드의 선단에 시험 유체의 표면 장력에 의한 구동력 변화이다. </li></ol></li><li> 용액의 질량 전달 계수를 측정. <ol><li> 열 중량 분석에 의한 폴리머 솔루션의 물질 전달 계수를 측정한다. (14) </li><li> 균형을 테어 링 (taring) 전에 백금 판에 24 % (중량 기준) PMMA 중합체 용액 30 μL로드. </li><li> 챔버, 프로그램을 대상 용액의 질량을 모니터하기 위해 2 시간 동안 바람직한 작동 온도 (70 ° F)에서 실행되도록 벤트 장치. </li><li> 용액의 질량의 변화에​​ 의해 질량 전달 계수를 계산솔루션 / 무선 인터페이스 및 밀도의 영역입니다. <img alt="식 (3)" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> m (t)는 PMMA 용액의 질량이고,이 용액 / 공기 계면의 면적이다 (표준 플레이트 78.5 mm (2)와 동일), mPOLYMER은 용액에 중합체 물질이고, 상기 용액의 농도이다. </li></ol></li></ol> 3. 직접 쓰기 실험 절차 <ol><li> 시스템 샘플 로딩 프로토콜을 분배. <ol><li> 로드 주사기 배럴로 중합체 용액 3 ml를 일관성 공기압 분포를 제거하기 위해 주사기 피스톤 배럴에 배치. </li><li> 상기 주사기 배럴에 유입 라인 어댑터 트위스트 소스 라인 에어 관에 연결. </li><li> 실험을 수행하기 위해 정밀 바늘 끝의 원하는 게이지 크기를 선택합니다. </li><li> 분배 컨트롤러 패널에서 상태를 제거 클릭로 전환 &quot;주기&quot;버튼을 너무 폴리머 분사 밸브를 채우기 위해lution는까지 바늘 끝으로부터 배출된다. </li><li> 프로그램 섬유 쓰기 절차의 준비에 끝에서 잔류 고분자 용액을 닦습니다. </li></ol></li><li> 3 축 로봇 및 분배 시스템을 통한 직접 기입 중합체 섬유. <ol><li> 소정의 마이크로 / 서브 마이크론 섬유 구조체의 개시 포인트에 기본 홈 위치로부터 분배 니들의 선단의 위치를​​ 오프셋 로봇 스테이지를 결정하는 인출 할 수 있도록 구성되어있다. Z 축을 따라 변환 디스펜스 시스템 밸브 브래킷에 USB 현미경 (배율 = 200X)를 탑재. 수동 정확하게 원하는 위치, 조립식 기판 또는 장치에 밸브 팁을 위치 돕는 USB 현미경에 포커싱 노브를 조정하여 팁 디스펜서에 초점을 맞춘다. </li><li> 원하는 섬유 구조 패턴 (도 3A, 4A 및 5A) CAD 소프트웨어 패키지를 이용하여 설계 / 생성. 로보로 입력 공간 좌표 (X, Y, Z)t JR-C CAD 프로그램 (도 3b,도 4b 및도 5b) 이내 소망의 패턴에 대하여 순차적으로 모든 개시 및 종료 포인트를 제어하기위한 소프트웨어. 15 </li><li> JR-C 소프트웨어 (15) 내에서 로봇 메뉴에서 &quot;C &amp; T의 데이터를 전송&quot;을 클릭하여 로봇에 컴퓨터에서 완성 된 섬유 구조 설계 프로그램을 전송합니다. </li><li> 부하 (3) 시린지 외통, 퍼지 밸브 및 바늘로 공지 된 농도 (24 %)의 PMMA 용액 시료 ㎖, 설정 소프트웨어를 제어하는​​ 밸브 제어 장치 및 로봇에 대한 모든 파라미터 디스펜스. </li><li> 로봇 스테이지 정반 상에 기판을 배치 조립식 중합체 용액 불안정 증발을 유도 할 수있다 주위의 공기 흐름을 방지하기 위해 열 인클로저 도어를 닫는다. </li><li> JR-C 소프트웨어로부터 로봇 메뉴를 클릭하고 선택하여 기판 상 섬유를 쓰기 시작 &quot;테스트 실행&quot;15. </li><li> DC 스퍼터 코트 금의 2 nm 두께의 층까지 2 분 동안 금 도전성 금속층은 주 사형 전자 현미경으로 섬유의 시각화를 허용하도록 그려진 섬유 상에 침착된다. </li><li> 주사 전자 현미경 (17)의 섬유 직경과 구조를 측정한다. 현미경 매개 변수 : 높은 전압 레벨 : 2.00 kV의; 목적 : InLens, 작동 거리 (9.0 mm)이다. </li></ol></li><li> 화학 흐름 후드 아래에 분배 시스템 청소 절차를 수행합니다. <ol><li> 세정 절차를 수행하기 위해 화학적 흐름 후드에서 분배 시스템을 배치. </li><li> 제조사의 프로토콜에 따라 니들 밸브를 분해. </li><li> 모든 부품이 몰입 될 때까지 비커에 아세톤을 부어, 비커에 모든 금속 부품을 배치합니다. </li><li> 모든 폴리머 잔존물을 제거하는 30 분 동안 초음파 욕조에 비커를 놓습니다. </li><li> 흐르는 탈 이온수에서 모든 부분을 씻어 후 건조를 날려 공기 총을 사용합니다. </li></ol></<html> 리&gt; </ol><img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" /> 10mm X 10mm 프레임 설계 &quot;쿼드&quot;웹 구조 그림 3. (A) 예, (B) JR-C 포인트 소프트웨어에 입력 할 순차 포인트 - 투 - 포인트 공간 지시. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">을 보려면 여기를 클릭하십시오 이 그림의 더 큰 버전.</a> <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> 도 10mm X 10mm 프레임 설계 &quot;대칭&quot;웹 구조의 4. (A) 실시 예, (B) 순차 지점 간 공간적 설명 JR-C 지점 소프트웨어에 입력된다.&quot;빈&gt;이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. <img alt="그림 5" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" /> 10mm X 10mm 프레임 설계 &quot;이중 갈매기&quot;웹 구조, (B) 연속 포인트 - 투 - 포인트 공간 지침 그림 5. (A) 예 JR-C 포인트 소프트웨어에 입력 할 수 있습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">보려면 여기를 클릭하십시오 이 그림의 더 큰 버전.</a>

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각 시험을 시도하기 전에, 중합체 용액의 점도, 질량 전달 계수 및 표면 장력 시험 정확하게 로봇 및 분배 시스템은 원하는 중합체를 처리 할 수​​ 있는지 여부를 결정하기 위해 측정하는 것이 중요하다. 우리 그룹에 의해 전술 한 바와 같이, 중합체 용액 충분히 유지해야 : 1) 표면 장력이 미크론 / 서브 미크론 구조로 액체 필라멘트의 형성을 가능하게하는 단계; 2) 점도가 모세관 헤어 견딜; 그리고, 3) 증발 속도는 섬유 응고 (18)을 강화한다. 이러한 매개 변수 사이의 시너지 효과는 성공적으로 직경의 지정된 범위에서 섬유를 생산하는 열쇠입니다. 동시에, 이러한 파라미터 중 임의의 불안정성 미크론 / 서브 마이크론 스케일 섬유의 형성을 방지한다. 섬유 제조 동안에이 파라미터 간의 시너지 효과를 유지하기 위해서는 바늘과 바늘 밸브가 완전히 직접 기록 S 후 세척되는 것을 보장하는 것이 중요방지 ession : 용액 1) 오염; 2) 바늘을 통해 중합체 용액 유량의 감소; 및 니들의 팁에서 중합체 비드, 3) 과도 성장. 또한, 히터 온도 제어부는 중합체 용액의 일정한 증착 속도를 유지하기 위해 원하는 온도로 설정되어야한다. 두 갈래의 분기 섬유는도 6-8에서의지지 구조체의보다 직경이 41 %와 24 % 이상, 59 %이었다 각각 24 % PMMA 용액을 사용. 이는 섬유가 그려진되는 거리에 주로 기인한다. 구체적으로,지지 구조물이 기판의 전체 폭을 가로 질러 그려 (X 및 Y 방향으로 10.0 mm, 대각선 14.4 mm). 결과적으로, 이들은 전체 부유 구조물의 긴 섬유이다. 두 갈래의 가지 구조는 아래로 2.5 mm의 7mm 최대 길이에 이르기까지, 상당히 짧다. 이 짧은 섬유 그리기 길이는 더하지 않습니다t 효과적으로 작은 직경의 섬유를 생성하기 위해 섬유 씨닝 처리 중에 필요한 섬유 변형을 유도한다. 한편, 큰 직경의 와이어는 효과적으로 갈래 분기 드로잉 과정 유도 잡아 당 겼 및 변형을 유지하기 위해지지 섬유로서 기능해야한다. 분기 분기가지지 섬유 걸쳐 그려 같이,지지 섬유 형상의 리모델링 인해에 존재하는 용매에서 드로잉 힘뿐만 아니라 지지체의 계면 PMMA 중합체의 국부적 용해 및 분지 섬유에 발생할 수 고분자 용액. 따라서, 일부 경우에, 상기지지 섬유는 더 큰 직경과 기계적으로 더 강한 섬유를 생성하기 위하여 중합체의 더 높은 농도로 이루어지는 중합체 용액으로부터 제조 될 필요가있다. 지지체의 넓은 범위 및 분지 섬유를 생성하기 위해 기존의 프로토콜을 변경하기위한 방법은 주로 세 가지 효과가있다직경 : 1)로 처음에 큰 바늘 끝으로부터 중합체를 분배 (예 25 G; ID = 254 μm의)지지 섬유를 생성하고 작은 니들 팁 (예를 들면, 32 G와 교환하는 단계; ID = 101.6 μm의)을 제조하는데 작은 분기 섬유; 전술 한 바와 같이 2), 다수의 중합체 농도를 사용한다; 및 예 / 또는 3) 조정 공급 속도, 공급 속도는 더 작은 직경의 섬유를 생성 증가 및 공급 속도를 감소 여기서 스테이지가, 통과하는 속도는 더 큰 직경의 섬유를 생성한다. 지금까지, 우리는 성공적으로 90 나노 작게 섬유를 제조 할 수 있었다; 그러나,이 차원에서 섬유의 수율은 모세관 해체로 낮다. 자동화 직접 기입 처리의 한 가지 제한은 고분자 용액의 농도는 단지 하나의 시간에 분배 될 수 있다는 것이다. 이것은 필요없이 개발 될 현탁 구조의 복잡성 레벨을 제한 : 1) 로봇 제 디스펜스 밸브를 추가;또는, 2) 기존의 밸브를 제거하고 추가 시간이 소요되는 제 2 폴리머 솔루션을 분배하기 전에 청소 프로토콜 (3.4 절)을 수행합니다. 두 번째 제한은 시스템이 달성 가능한 최대 공급 속도는 500mm / 초이다 이송 속도 (또는 인쇄 속도)이다. 그러나, 이송 속도 및 섬유화 간의 트레이드 오프가있다. 관성력 (이송 속도에 의한 힘)이 표면 장력 및 중합체 용액의 증발 속도보다 큰 경우 즉, 섬유 형성이 발생하지 않는다. 공급 속도가 너무 낮 으면, 섬유 인해 전 연신 공정 동안 과도한 증발로 파단된다. 셋째, 섬유 구조 및 치수가 각각 X, Y 및 Z 방향으로 로봇의 스테이지의 동작 범위, 즉, 200mm, 200mm 및 (10 ㎛의 위치 정밀도)와 25mm로 제한된다. 그럼에도 불구하고,이 과정 (섬유 L 높은 종횡비의 형성을 가능하게하지ength : 직경) 섬유. 전략적으로 높은 복잡도 자유롭게 부유 구조물을 생성 할 수있는 능력을 생성 분배 팁 크기 및 광범위한 섬유 직경 범위에 대해 허용하는 중합체 용액의 농도를 변화. 프로토콜은 위에서 설명한 다음으로 미크론 및 서브 미크론 직경 고분자 섬유는 다른 습식 건식 또는 전기 방사 공정으로 제어 할 수없는 중합체 용액의 표면 장력 구동 유체 역학을 이용하여 공간 제어의 높은 수준으로 생성 될 수있다 . 종래 작업 8,19에서, 우리는이 기술이 복잡 마이크로 / 미크론 유체 장치 (19) 및 생명 공학적 지지체 (8)을 제작하는 데에 이용 될 수 있음을 알고있다. 이 저렴하고 쉬운 방법은 여러 가지면에서 기존의 대패 제조 방법에 비해 자신의 장점이 있습니다.

지난 수십 년간, 습식 방사, 건식 방사하고 전기 방사 등 제조 기술, 다양한 걸쳐, 다양한 생물학적 강력한 화학, 전기 및 기계적 특성을 가진 신규 한 중합체 1-12 섬유 구조를 생성하기 위해 사용되어왔다. 이러한 스피닝 기법 입체 섬유 현탁 생성 할지라도, 이들은 이러한 과정을 통해 광섬유 증착 자연에서 랜덤이므로 정확히 3 차원 섬유 배향을 제어 할 수있는 능력이 제한되어있다. 또한, 이들 기술은 섬유 제조에 그들의 치수 범위로 제한되고; 수십 나노 미터에서 하나 마이크론 (13)에 이르기까지 직경 수율 섬유를 전기 방사하면서 특히, 습식 및 건식 방사를 통해 제조 된 섬유는 수십에서 수백 마이크로 미터의 직경에 따라 다릅니다. 3-D 공간에서 섬유 배향의 더 정밀한 제어를 제공하기 위해, 우리 그룹은 자체 개발-assemble 또는 직접 중공 후 모세관에서 고분자 재료를 토출하고 &quot;직접 기록&quot;섬유 제조 공정은 표면 장력 구동 유체 역학 (14)를 이용하여 예측 가능한 섬유 직경으로 고화 얇고 개별 필라멘트를 그린다. 파이버 위치 및 직경의 제어의 수준을 증가시키기위한 당초 직접 기록 시스템 초고 정밀도 Micromilling 머신 (도 1)로 이루어지는 사용자의 머리에 부착 맞춤 제작 스프링 식 주사기 분배 시스템으로 구성되었다. UHPMM은 X 및 Y 방향에서 1.25 nm 내지 프로그래밍 미크론 및 서브 미크론 스케일 와이어 및 구조를 생성하도록 제어하고 Z 방향으로 20 ㎚의 위치 분해능으로 스테이지를 가지고 있었다. 특정 직접 기록 시스템의 하나의 제한은 니들 팁을 통해 중합체 용액의 흐름 제어의 부족했다. 스프링로드 분배 시스템이 성공적으로 일정 플로를 생성하지만팁 통해 w, 중합체 용액의 연속적 확대 구형 비드는 환경 조건에 따라 크기와 부피 변화 주​​사기 팁의 출구에 만들어졌다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> 그림 초고 정밀도 Micromilling 기계 1. 이미지 :. 마이크론 / 서브 마이크론 규모의 구조를 제조에 사용 된 최초의 직접 쓰기 시스템 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 이 소스 비드 불일치 반복적 소정 직경의 와이어를 제조하는 시스템의 능력에 영향. 구조물이 성공적으로 직접 기입 처리를 이용하여 생성 된, 긴하지만, 중합체 용액 유량의 제어를 증가시킴으로써 프로세스의 개선을 위해 더 PRECI 허용SE는, 주사기 팁에서 비드 크기의 조절을 통해 섬유 직경을 규정. 따라서,이 작업을 정확하게 규정 만들기 위해 중합체 용액 유량 및 팁 비드 크기를 제어 할 공압식 디스펜서 밸브 미크론 / 미크론 현탁 구조와 3 축 자동 분배 시스템의 구현을 설명한다.

<table><tbody><tr><td>로봇 DR2203N 3축 200MM X 200MM</td><td>Nordson EFD</td><td>7023145</td><td>3축 로봇</td></tr><tr><td>컨트롤러 7100, 디스펜스 밸브</td><td>Nordson EFD</td><td>7015340</td><td>밸브 컨트롤러</td></tr><tr><td>마이크로도트 밸브</td><td>Nordson EFD</td><td>7021233</td><td>마이크로도트 밸브</td></tr><tr><td>로봇 ACC 고정 플레이트 200MM</td><td>Nordson EFD</td><td>7028276</td><td>고정 장치 플래튼</td></tr><tr><td>로봇 ACC DRN / DSRN 포인트 SOFTWAR</td><td>Nordson EFD</td><td>7023144</td><td>JR-C 소프트웨어</td></tr><tr><td>로봇 마운트 밸브 범용</td><td>Nordson EFD</td><td>7028273</td><td>마이크로도트 밸브 마운트</td></tr><tr><td>15 PSI 배럴 프레스. 레귤레이터</td><td>Nordson EFD</td><td>7020585</td><td>배럴 레귤레이터</td></tr><tr><td>KIT O BRL/PIST 5CC CL/WH 40</td><td>Nordson EFD</td><td>7012096</td><td>5CC 배럴 피스톤</td></tr><tr><td>어댑터 ASM O 5CC BL</td><td>Nordson EFD</td><td>7012054</td><td>공압 배럴 어댑터</td></tr><tr><td>팁 30GA .006X.25 LAVNDR 50PC</td><td>Nordson EFD</td><td>7018424</td><td>30 게이지 니들 팁 (0.250" 길이)</td></tr><tr><td>전기 베이스보드 히터 (500&nbsp; W, 30" 길이)</td><td>Cadet</td><td>2F500</td><td>히터</td></tr><tr><td>온도 컨트롤러(타이머</td><td>제어 포함) Company</td><td>130726596</td><td>온도 컨트롤러</td></tr><tr><td>eScope USB 현미경</td><td>OiTez</td><td>DP-M02</td><td>200X USB 현미경</td></tr><tr><td>폴리(메틸 메타크릴레이트)</td><td>Aldrich</td><td>182265-500G</td><td>PMMA 분말</td></tr><tr><td>클로로벤젠</td><td>시그마 Aldrich</td><td>284513</td><td>PMMA를 용해시키는 용매</td></tr></tbody></table>

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

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

3축 디스펜싱 시스템은 디스펜싱 소프트웨어를 통해 시작 및 종료 파이버 위치와 궤적을 제어하는 데 사용됩니다. 폴리머 섬유 길이와 방향은 디스펜싱 시스템 3축 스테이지의 공간적 위치에 의해 정의됩니다. 섬유 직경은 디스펜싱 시스템 밸브의 규정된 디스펜싱 시간, 공급 속도(단계가 시작 위치에서 종료 위치까지 횡단하는 속도), 디스펜싱 팁의 게이지 직경, 폴리머 용액의 점도 및 표면 장력, 프로그래밍된 드로잉 길이에 의해 정의됩니다. 스테이지 공급 속도는 폴리머 용액의 증발 속도와 필라멘트의 모세관 파괴에 영향을 미칩니다. 디스펜싱 시스템은 공압 밸브 컨트롤러, 액적 디스펜싱 밸브 및 디스펜싱 팁으로 구성됩니다. 요인의 최적 조합을 결정하기 위한 직접 쓰기 프로세스의 특성화는 원하는 범위의 섬유 직경을 반복적으로 획득하게 합니다. 이 로봇 디스펜싱 시스템의 장점은 자동화된 공정 제어를 통해 프로그래밍된 원하는 위치에 미크론/서브 미크론 섬유의 정확한 범위를 쉽게 얻을 수 있다는 것입니다. 여기에서 논의된 자체 조립 미크론/서브 미크론 규모의 3D 구조는 미크론/서브 미크론 유체 장치 및 생명 공학 스캐폴드를 만들기 위해 매달린 구조를 제작하는 데 사용되었습니다.

도 3-5A 및 상기 B에서 정의 된 각각의 설계 및 JR C 점 알고리즘의 각각에 대한 3 축 로봇과 직접 기록 방법을 통해 제조 된 구조들의 실제 사진도 6a,도 7a 및 8a에 도시된다. 결과 이미지에서 알 수있는 바와 같이, 입체 자유롭게 매달린 섬유는 정밀 포인트뿐만 아니라 교점을 종료 / 기​​동을 포함한 소정의 공간 위치에 디스펜서 팁을 조작하여 기판 상에 성공적으로 &quot;쓰여진&quot;이었다. 이들 도면의 세트는 정확히 ​​3-D 공간에서 섬유 배향 (도 6B, 7B 및 8B)를 제어하기위한 시스템의 능력을 입증 현탁 섬유의 교차점을 확대. <img alt="그림 6" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> 도 6 (A) 연산<html> 하나의 갈래 섬유 (289X 배율 (B)의 SEM 이미지를 (스케일 바 = 1mm 15 배 광학 배율) 중단 웹 구조는 2 지원 섬유 (대각선) 12 갈래 분기 아크릴 섬유를 가지고 제작 된 &quot;쿼드&quot;의 광 케이블 (optical) 이미지 규모 바 = 100 ㎛). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 7" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> 도 7 (A) 1지지 섬유 (가로) 11 갈래 분지 PMMA 섬유 갖는 제조 &quot;대칭&quot;현탁 웨브 구조의 광학 상; 단일 갈래의 (15X 광학 배율 스케일 바 = 1 ㎜), (B) SEM 이미지 섬유 (107X 확대, 스케일 바 = 100 ㎛).52834fig7large.jpg &quot;대상 =&quot;_ 빈 &quot;&gt;이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. <img alt="그림 8" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> (; 눈금 막대 = 1mm 15X 광학 배율), (B) 하나의 SEM 이미지를도 8 (A) 제조 &quot;이중 셰브론&quot;의 광학 화상은 1지지 섬유 (가로) 22 갈래 분지 PMMA 섬유를 갖는 웹 구조를 현탁 두 갈래의 섬유. (80X 확대, 스케일 바 = 100 ㎛) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 그림 9 디스플레이는 3 축 로봇 및 분배 시스템이 자유롭게 부유 웹 같은 구조를 생성 할 수있는 섬유 제조의 연속 포인트 - 투 - 포인트 순서의 뷰를 닫습니다. P<html> 숫자로 표시된으로 고분자 접촉점은 상기도 3b에서 참조 JR-C 소프트웨어 프로그램 된 시작 및 종료 포인트에 대응한다. 화살표는 로봇 궤적을 나타낸다. 다양한 크기의 와이어를 제조 직접 기록 시스템의 능력을 보여주는 디스플레이 10 미크론 및 서브 미크론 고분자 섬유를,도. <img alt="그림 9" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> 마이크론 및 서브 마이크론 고분자 섬유 (29 배 확대, 스케일 바 = 200 μm의) 그리기위한 연속 포인트 - 투 - 포인트 제작 순서를 보여주는 그림 9. 전자 현미경 사진. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 2834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; 그림 10. SEM 마이크론 (6.5 μm의) 및 서브 마이크론 (555 나노 미터) 20 % 농도의 아크릴 폴리머 용액을 사용하여 그린 섬유의 이미지입니다. (2,270X 확대, 스케일 바 = 2 μm의) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">여기를 클릭하십시오이의 더 큰 버전을 볼 수 있습니다 이 그림.</a> 고분자 섬유 길이 및 직경은 주사 전자 현미경을 사용하여 측정 하였다. 표 1은 두 갈래의 분기 섬유 지지체 섬유에 대응 전술도 6-8에 제시된 각각의 독특한 구조의 평균 와이어 직경을 나타낸다. 표 2 디스플레이 측정 하였다 중합체 파라미터 위에서 언급 한 구조를 제조하는데 이용 된 24 % PMMA 용액에서. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> 그림 6의 구조 직경</td><td> 그림 7의 구조 직경 </td><td> 그림 8의 구조 직경 </td></tr><tr><td> 지원 섬유 </td><td> 8.65 ± 1.43 μm의 </td><td> 9.39 ± 1.23 μm의 </td><td> 9.31 ± 1.65 μm의 </td></tr><tr><td> 분기 섬유 </td><td> 20.96 ± 3.35 μm의 </td><td> 15.92 ± 1.44 μm의 </td><td> 12.24 ± 5​​.42 μm의 </td></tr></tbody></table> 24 % PMMA 솔루션 그림 6-8에 표시된 일시 중단 지원과 분기 섬유 표 1. 평균 직경. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> 24 % PMMA </td></tr><tr><td> 점도 (파 * 초) </td><td> 35.19 </td></tr><tr><td> 표면 장력 (mN / m) </td><td> 262.01 </td></tr><tr><tD&gt; 물질 전달 계수 (M / 초) </td><td> 8.59 × 10 -8 </td></tr></tbody></table> 이 연구에서 제시된 섬유 구조체를 제조하는데 사용되었다 24 % PMMA 용액 표 2. 고분자 파라미터.

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

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

본 절차의 전반적인 목표는 3축 디스펜싱 시스템을 이용한 자동 직접 쓰기 공정을 통해 마이크론에서 서브 마이크론 규모의 자유 부유 폴리머 섬유 및 웹 형태의 구조물을 제작하는 것입니다. 이는 먼저 밸브 컨트롤러와 디스펜싱 시스템을 사용하여 자동화 장비를 설정함으로써 수행됩니다. 기계적 설정 후, 액상 폴리머 원료를 합성하며, 표면 장력 및 점도와 같은 유변학적 파라미터를 측정하여 품질 관리를 평가합니다.다음으로, CAD 소프트웨어를 사용하여 구조물을 설계합니다. 그 후, 설계된 구조물의 공간 좌표를 로봇 컨트롤러 소프트웨어로 전송합니다. 이어서, 로봇이 디스펜싱 니들을 미리 설정된 위치로 이동시켜 자유롭게 부유하는 마이크론 및 서브 마이크론 규모의 폴리머 섬유와 웹 모양의 구조물을 제작합니다.습식, 건식 및 전기 방사 등 다른 기술에 비해 이 기술이 갖는 주요 장점은 섬유의 직경뿐만 아니라 3차원 공간상의 모든 방향에서 섬유의 배향과 크기를 정밀하게 제어할 수 있다는 점입니다. 일반적으로 이 기술을 처음 접하는 연구자들은 표면 장력, 낮은 증발률 및 공급 속도 사이의 시너지 효과를 조절하여 광범위한 직경의 섬유를 성공적으로 제조하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다. 오늘 이 절차를 시연할 사람은 저희 실험실의 대학원생인 Han Yon입니다. 로봇 장치를 설정하려면 먼저 실험대 위에 디스펜서 시스템을 조립하는 것으로 시작하십시오.이 과정에서 연결할 네 가지 공압 구성 요소는 압력원, 소스 압력을 조절하는 레귤레이터, 하류 밸브 컨트롤러 및 메인 시린지 배럴입니다. 공압 구성 요소의 조립이 완료되면 메인 레귤레이터를 15 PSI로 조정하십시오. 이렇게 하면 폴리머 용액이 바늘 팁을 통해 2.45 µL/min의 유속으로 분사됩니다.다음으로, 3축 로봇 베이스를 전용 열 외함에 넣고 밸브 컨트롤러와 함께 전체 디스펜싱 시스템을 로봇 베이스 상단에 장착합니다. 온도 조절 외함은 로봇 조립 프로세스의 다음 단계에서 고분자 용액과 민감한 전자 장치 모두가 작동할 수 있는 안정적인 환경을 제공합니다. 먼저, 로봇 베이스와 컴퓨터 사이에 시리얼 포트 연결을 설정하십시오.그런 다음 컴퓨터에 전용 컨트롤러 소프트웨어를 설치하고, 진행하기 전에 소프트웨어와 하드웨어 간의 통신 상태를 테스트하십시오. 이어서 로봇 스테이지 플래티넘의 수평을 맞춥니다. 제조사 가이드라인에 따르면, 이 과정을 통해 측면 작동 시 디스펜싱 팁이 로봇 스테이지와 전역적으로 직교하도록 보장할 수 있습니다.또한, 이는 수직 바늘 작동 중에 Z축을 따라 정밀한 이동을 보장합니다. 관심 있는 특정 농도의 폴리머 용액을 준비하려면, 두 가지 기준을 동시에 충족하기 위해 필요한 폴리머 분말과 용매의 양을 계산하는 것부터 시작하십시오. 이들의 중량비는 원하는 농도 백분율과 같아야 하며, 두 성분의 총 중량은 정확히 3g이 되어야 합니다.예를 들어, 섬유 가공에 24% 아크릴 용액을 사용하는 경우, 먼저 polymethyl methacrylate 또는 PMMA 0.72 g을 측량한 후 chlorobenzene 2.28 g을 첨가하여 혼합물을 준비할 수 있습니다. 그다음 빈 유리 바이알을 마이크로 밸런스 위에 올립니다. 영점 조절 후, PMMA 분말을 바이알에 넣습니다.그 다음 유리 피펫을 사용하여, 두 화학 물질의 총 무게가 3g이 될 때까지 바이알에 chlorobenzene을 분주합니다. 용해를 돕기 위해 폴리머 펠릿 용액을 섞어줍니다. 바이알을 1분 동안 볼텍싱한 후, 약 5시간 동안 초음파 세척기에 넣습니다.결과 용액이 여전히 불투명한지 투명도를 확인하십시오. 용액이 완전히 투명해질 때까지 초음파 교반 단계를 반복하십시오. CAD 소프트웨어를 사용하여 섬유 패턴을 설계하려면, 이 원점 참조 관계를 확인하기 위해 스테이지 원점과 CAD 도면 원점의 물리적 위치 좌표 간의 관계가 필요합니다.먼저 디스펜싱 밸브 옆의 장착 브래킷에 USB 현미경을 고정합니다. 그다음 로봇 스테이지 위에 미리 제작된 기판을 놓고, 폴리머 증착을 원하는 영역이 현미경의 시야에 들어오도록 스테이지를 대략적으로 이동시킵니다. 디스펜서 바늘에 초점이 맞을 때까지 현미경을 수동으로 조정합니다.소프트웨어 제어를 사용하여 X, Y, Z축에 추가적인 미세 조정을 적용함으로써 바늘의 물리적 위치가 CAD 도면 내의 해당 구조적 원점과 일치하도록 합니다. 이제 설계 원점 코드를 스테이지 좌표로 사용하여, 폴리머 섬유 설계의 각 선분 시작 및 종료 좌표를 포함한 현재 XY 스테이지 좌표를 컴퓨터에 기록하십시오. 마지막으로, 로봇 메뉴에서 sense c 및 t 데이터 명령을 선택하고 컴퓨터에서 로봇으로 CAD 파일을 업로드합니다.이제 로봇의 폴리머 용액 로딩 및 파이버 네트워크 직접 작성을 위한 준비 단계입니다. 기포가 생기지 않도록 주의하면서, 정제된 폴리머 용액 3 mL를 시린지 배럴에 조심스럽게 로딩하십시오. 그다음 시린지 배럴에 피스톤을 삽입하십시오.이렇게 하면 후속 단계에서 공압 압력 분포가 불균일해지는 것을 방지할 수 있습니다. 다음으로, 시린지 배럴에 있는 입구 라인 어댑터를 돌려 배럴과 공기 공급 라인이 직접 연결되도록 합니다. 이제 시린지 배럴의 반대쪽 끝으로 주의를 돌립니다.원하는 게이지 크기의 니들 팁을 선택하여 정밀 니들을 디스펜싱 밸브에 장착합니다. 니들이 설치되면 디스펜스 컨트롤러 패널에서 상태를 퍼지(purge)로 전환하고 사이클 버튼을 클릭하여 디스펜싱 밸브를 폴리머 용액으로 채웁니다. 정밀 니들에서 폴리머 용액이 떨어지기 시작하면, 니들에 묻은 과잉 폴리머 배출물을 닦아냅니다.마지막으로 필요한 토출 파라미터를 토출 밸브와 로봇 컨트롤러 모두에 로드하고, 로봇 메인 메뉴에서 테스트 실행 옵션을 선택하여 직접 쓰기 루틴을 시작합니다. 구조를 정성적으로 시각화하기 위해 비디오 광학 현미경을 사용하며, 섬유 및 구조의 정량적 치수 데이터를 얻기 위해 주사 전자 현미경을 사용합니다. 이 이미지들은 24% PMMA 용액으로 형성된 구조의 이미지입니다.그림에서 보는 바와 같이, 직접 기록 공정을 통해 3차원 섬유 매트릭스를 합성하였으며, 여기서 지지 섬유와 분지 섬유의 상대적 위치 패턴 및 직경을 모두 독립적으로 조절하여 주어진 웹 패턴을 짤 수 있습니다. 로봇 스테이지는 액체 폴리머가 동시에 분사되는 동안 순차적인 방향으로 이동하도록 프로그래밍됩니다. PMMA 농도를 20%로 낮추고 공급 속도를 변경함으로써, 폴리머 섬유 직경의 동적 범위를 수십 µm에서 서브 마이크론 수준까지 변화시킬 수 있습니다.숙련되면, 이 접합 기술을 적절하게 수행할 경우 30분 만에 완료할 수 있습니다. 하지만 PMA 용액 준비, PMA 용액이 담긴 디스펜싱 시스템의 CAR 소프트웨어를 이용한 구조 설계, 그리고 30분 동안의 섬유 드로잉 과정을 포함하면 전체 공정에는 약 6시간이 소요됩니다. 이 절차를 시도할 때는 섬유 형성와 공급 속도 사이의 절충 관계(trade-off)를 유의하는 것이 중요합니다.예를 들어, 공급 속도로 인해 생성되는 관성력이 사용 중인 특정 유체 재료의 표면 장력 및 증발 속도보다 높으면 모세관 파단이 발생하여 와이어가 형성되지 않습니다. 반대로, 공급 속도가 너무 느리면 와이어가 발달한 후 해당 특정 와이어의 직경을 제어할 수 없게 됩니다. 이 기술을 통해 본 연구진과 마이크로 제작 및 나노 제작 분야의 다른 연구자들은 3차원 및 전통적인 방식의 새로운 미세유체 장치와 플랫폼을 개발하고, 바이오공학 분야에서 새로운 생물학적 플랫폼 및 스캐폴드를 개발할 수 있었습니다.

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

Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

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3D로 연결이 끊긴 실버 Nanostructures를 조작하는 방법

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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.

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고점도 Ag 페이스트 인쇄를 위해 LIFT(Laser-induced forward transfer technique)를 사용하는 방법을 보여줍니다. 이 기술은 비리소그래피 방식으로 마이크로 스케일 2D 및 3D 구조를 인쇄하기 위한 간단하고 저온의 견고한 프로세스를 제공합니다.

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우리는 공유 유기 골격 (COFs)의 합성을위한 새로운 미세 유체 기반 방법을 제시한다. 우리는이 접근법이 연속 COF 섬유를 생산하는 데 어떻게 사용되는지, 그리고 표면에 2D 또는 3D COF 구조가 어떻게 사용되는지를 보여줍니다.

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조직 공학 응용 프로그램에 대 한 제어 형태학과 3 차원 Poly(ε-caprolactone) 장비의 전기 글 녹아

여기서는 수직으로 정렬된 탄소 나노섬유(VACNF)를 미세 가공하고, VACNF를 유연한 기판으로 전달하고, 생체 분자 및 염료 전달을 위해 식물에 경질 및 유연한 기판 모두에 VACNF를 적용하는 방법을 설명합니다.

생체분자 및 염료를 식물에 전달하기 위해 단단하거나 유연한 기판에 수직으로 정렬된 탄소 나노섬유 어레이 사용

마이크로미터 규모의 3D 프린팅을 통해 신경 세포 배양을 위한 고분자 장치의 신속한 프로토타이핑이 가능합니다. 원리 증명으로, 뉴런 사이의 구조적 연결은 신경돌기 성장에 영향을 미치는 장벽과 채널을 만들어 제한되었으며, 이러한 조작의 기능적 결과는 세포 외 전기 생리학에 의해 관찰되었습니다.

2광자 중합 마이크로 스케일 신경 세포 배양 장치의 3D 프린팅

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

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