Method Article

Proces van het maken van drie-dimensionale Microstructuren behulp Verdamping van een Sacrificial Component

DOI:

10.3791/50459

⸱

November 2nd, 2013

 ,  , 
1Department of Physics, University of California, Irvine, 2Department of Chemistry, University of California, Irvine

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De verdamping van een Sacrificial Component (Vasc) proces wordt gebruikt om microvasculaire structuren fabriceren. Deze procedure maakt gebruik van opofferende poly (melkzuur) zuur vezels om holle microchannels vormen met nauwkeurige 3D geometrische positionering door het laser micromachined geleidingsplaten.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Vasculaire structuren in natuurlijke systemen zijn in staat om hoge massa vervoer aan te bieden door middel van groot oppervlak en geoptimaliseerde structuur. Enkele kunststof fabricagetechnieken kunnen de complexiteit van deze structuren nabootsen behoud schaalbaarheid. De verdamping van een Sacrificial Component (Vasc) proces is in staat om dit te doen. Dit proces maakt gebruik offers vezels als een sjabloon om holle, cilindrische microkanalen ingebed in een matrix. Tin (II) oxalaat (SNOX) is ingebed in poly (melkzuur) (PLA) vezels die het gebruik van dit proces vergemakkelijkt. De SNOX katalyseert de depolymerisatie van de PLA vezels bij lagere temperaturen. Het melkzuur monomeren zijn gasvormig bij deze temperaturen en kunnen vanaf de geïntegreerde matrix verwijderd worden bij temperaturen die niet de matrix niet beschadigen. Hier laten we een methode voor het uitlijnen van deze vezels met behulp micromachined borden en een spaninrichting om complexe patronen van driedimensionaal gekleed microkanalen maken.Het proces maakt de exploratie van vrijwel elke regeling van vezels topologieën en structuren.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Natuurlijke systemen uitgebreid vasculaire netwerken vele biologische functies te vergemakkelijken. Massatransport efficiënt in dergelijke systemen als gevolg van hoge oppervlak tot volume verhouding en geoptimaliseerde verpakking constructies worden gerealiseerd. Hoewel veel synthetische fabricagetechnieken kan produceren microvasculaire structuren, kan geen grootschalige microvasculatuur produceren met behoud van complexiteit en compatibiliteit met bestaande fabricagemethoden 1-5. Structuren zoals het aviaire long bieden een inspiratie. Hoe gaan we fabriceren structuren van deze complexiteit voor het verbeteren van massatransport?

De verdamping van een Sacrificial Component (Vasc) kan produceren grootschalige, complexe microvasculaire structuren 6-7. Deze methode gebruikt de thermische depolymerisatie en verdamping verwijderd poly (melkzuur) zuur vezels holle kanalen die de inverse van de vezel matrijs vormen. Dit is een offer techniek verenigbaar met de bestaande productie-methoden. Meter lange, cilindrische microkanaal patronen kunnen worden gevormd middels het fabricageproces. Dit kan worden gebruikt om gevasculariseerd apparaten zoals zelfherstellende polymeren en 3D microvasculaire afvangen eenheden 7-10 creëren.

De carbon capture eenheden werden geïnspireerd door het aviaire longen die een efficiënte gas-uitwisseling-to-gewichtsverhouding gevolg geeft aan het gebruik ervan tijdens de vlucht. De parabronchus is samengesteld uit hexagonaal patroon microkanalen, die een hoge gas wisselkoersen en structureel stabiel gasuitwisseling eenheden biedt. Om te wisselen eenheden te creëren met microschaal functies uitgelijnd in drie dimensies, we een methode van zelfstandig spannen vezels met behulp van een op maat ontworpen spanning raad met gitaar tuners en laser-micromachined platen ontwikkeld. Elke vezel wordt op zijn plaats gehouden door externe spanning en het patroon wordt door de plaatsing van de gaten in de plaat, waardoor de vezels lopen instellen.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Katalyseren Sacrificial Vezels

  1. Wikkel de gewenste hoeveelheid poly (melkzuur) zuur vezels rond het onderste ¾ maat spil. Verminderen fiber overlap aan de maximale oppervlakte exposure gebied.
  2. Meng gedeïoniseerd H2O met 40 ml Disperbyk 130 in een gesloten fles en schud totdat een homogene oplossing wordt verkregen. Plaats dan een bekerglas 1000 ml in een waterbad bij 37 ° C en giet trifluorethanol het bekerglas. De hoeveelheid H2O en TFE, hangt af van de PLA vezeldiameter gebruikt.
    Vezeldiameter Hoeveelheid H 2 O (ml) Hoeveelheid TFE (ml)
    200 400 400
    300 360 440
    500 320 480
  3. Toevoegende H 2 O / Disperbyk 187 oplossing voor de beker en roer tot uniform.
  4. Voeg 1 g malachietgroen aan het mengsel en roer tot opgelost.
  5. Plaats de aangepaste spindel met vezels in de beker ½ centimeter van de onderkant en bevestig de spil van een digitale mixer. Dan beginnen de digitale mixer bij 400 rpm.
  6. Voeg langzaam 1,3 g tin (II) oxalaat (SNOX) katalysator aan het mengsel. De toevoeging van SNOX moet geleidelijk zijn om te voorkomen dat grote agglomeraties materiaal crashen uit de oplossing.
  7. Stel de pH in het mengsel met NaOH tot pH ~ 6.8-7.2.
  8. Bevestig een deksel op de beker en verhoging van de spindel 500 rpm gedurende 24 uur. Indien een agglomeratie van snox wordt waargenomen, handmatig het opsplitsen binnen de eerste 2 uur.
  9. Verwijder spil en drogen in een oven bij 35 ° C geïncubeerd.
  10. Uitpakken en verwijder overtollige katalysator uit de gekatalyseerde PLA vezels.

2. Microvasculaire Gas Exchange Unit Fabrication

  1. Krijgen een paar van lasergesneden messing patronen koperen platen met de gewenste microvasculaire patroon en brengen zij de platen op houders clip.
  2. Snijd een 10 inch lengte van gekatalyseerde vezels per microchannel en verwijder alle resterende katalysator met een dikkere plaat gesneden om de vezel diameter (gelijkspel plaat).
  3. Taper de randen van de vezels met de punt van een hete lijmpistool langzaam extrusie van de vezel uiteinden.
  4. Rijg de vezels door bijpassende gaten in de koperen patronen platenparen.
  5. Schroef de platen op een vormkast. Zorg ervoor dat de vezels niet gedraaid bij het bevestigen van de platen.
  6. String de vezel tips via de stemschroeven van de aangepaste spannen bord.
  7. Span de PLA vezels tot strak. Wees voorzichtig niet te over-spanning en breken de vezels.
  8. Verwijder overtollig deeltjes uit de vezel patroon met behulp van perslucht.
  9. Mix polydimethylsiloxaan (PDMS) basis met verharder in een 10:01, v: v-verhouding.
  10. Ontgas het mengsel onder vacuüm in een exsiccator pot voor 10 minuten.
  11. Giet de PDMS mengsel in de doos mal. Niet direct giet de vezels aan het vangen van luchtbellen te verminderen.
  12. Met behulp van een 26 G naald, verwijder eventuele luchtbellen in de doos gieten of tussen de vezels.
  13. Hard de PDMS mengsel bij 85 ° C gedurende 30 minuten.
  14. Maak de koperen platen uit de doos mal, er voor zorgend dat de platen buigen of te hard trekken. Verwijder de uitgeharde ste fase 1 uit de doos mal.
  15. Rijg de vezels door middel van een RTV end-cap door prikken gaten in het eind-dop met een injectienaald. Afhankelijk vezels gebruikt u een naaldenmeter die ten minste 2x de binnendiameter van de buitenste diameter van de vezel. Handhaaf een vergelijkbaar patroon als de koperen patronen plaat, maar meer op grote schaal verspreid.
  16. Bevestig de eindkappen aan de uiteinden van een grotere mal doos en giet er een 2 e fase van PDMS.
  17. Verwijder eventuele resterende gasbellen enharden bij 85 ° C gedurende 30 minuten.
  18. Snijd overtollig PLA vezels uit het monster en in een vacuümoven bij 210 ° C gedurende 24 uur, of totdat de PLA vezels zijn meestal geëvacueerd.
  19. Indien PLA niet kan worden verwijderd, voorzichtig los uit de microkanalen met een injectie van 1 ml chloroform.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze procedure verschaft een werkwijze voor het vervaardigen microvasculaire structuren ingebed in een hars. Deze structuren kunnen voldoen aan een verscheidenheid van patronen (figuur 2). De structuur van het microvasculaire netwerk is alleen beperkt door de structuren die kunnen worden gevormd met de opofferende vezels.

Met behulp van een parallelschakeling van microvasculaire kanalen, gastransport tussen vloeistofstromen wordt vergemakkelijkt als gassen steken een permeab...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De invoering van de SNOX katalysator in de PLA vezels kunnen de vezels depolymeriseren bij een lagere temperatuur. Dit voorkomt de degradatie van de inbedding hars, in casu PDMS. Een aangepaste spil moet de behandelingsoplossing (figuur 5A) meng goed. De spil bestaat uit zes draagstangen rondom een ​​centrale kern die hecht aan een mixer. De vezels zijn gewikkeld rond de steunstangen zodat het oppervlaktegebied van de verpakking vezels in contact met de katalytische oplossing werd gemaximaliseerd. De on...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We hebben ingediend voor een voorlopige patent op deze technologie und US patent Amerikaanse voorlopige aanvraag serienummer 61/590, 086.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk werd ondersteund door de AFOSR Young Investigator programma in het kader FA9550-12-1-0352 en een 3M Non-Zelfstandig Faculty Award. De auteurs willen graag Lalisa Stutts en Janine Tom bedanken voor nuttige discussie met betrekking tot dit project. De auteurs danken de Calit2 Microscopy Center en Laser Spectroscopy faciliteit aan de University of California, Irvine voor het toestaan ​​van het gebruik van haar faciliteiten. Hodge Harland en de UCI Exacte Wetenschappen Machine Shop worden bedankt voor de fabricage van gereedschappen. Poly (melkzuur) zuur vezels werden genereus geleverd door Teijin Monofilament.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Reagens
Tin (II) oxalaatSigma-Aldrich402761
Disperbyk 130BYK Additives Instruments
TrifluorethanolHalocarbon
Malachietgroen (technische kwaliteit)Sigma-AldrichM6880
Natriumhydroxide (≥98%, pellets)Sigma-AldrichS5881
Polydimethylsiloxaan (PDMS)Dow Corning3097358-1004Verkocht door Ellsworth Adhesives
Poly(melkzuur)vezelsTeijin Monofilament
Materiaal
RW 20 Digital MixerIKA3593001
DesiccatorPyrex
VacuumovenFisher Scientific
Third HandJameco Electronics26690Platenhouder
LijmpistoolStanleyGR20L
PLA-spindelOp maat gemaakt
SpanningsplaatOp maat gemaakt

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bellan, L. M., Singh, S. P., Henderson, P. W., Porri, T. J., Craighead, H. G., Spector, J. A. Fabrication of an artificial 3-dimensional vascular network using sacrificial sugar structures. Soft Matter. 5 (7), 1354(2009).
  2. Bellan, L. M., Strychalski, E. A., Craighead, H. G. Nano-channels fabricated in polydimethylsiloxane using sacrificial electrospun polyethylene oxide nanofibers. J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanometer Struct. Process. Meas. Phenom. 26 (5), 1728(2008).
  3. Borenstein, J. T., Weinberg, E. J., Orrick, B. K., Sundback, C., Kaazempur-Mofrad, M. R., Vacanti, J. P. Microfabrication of three-dimensional engineered Scaffolds. Tissue Eng. 13 (8), 1837-1844 (2007).
  4. Wu, H., Odom, T. W., Chiu, D. T., Whitesides, G. M. Fabrication of complex three-dimensional microchannel systems in PDMS. J. Am. Chem. Soc. 125 (2), 554-559 (2003).
  5. Trask, R. S., Bond, I. P. Biomimetic self-healing of advanced composite structures using hollow glass fibres. Smart Mater. Struct. 15 (3), 704-710 (2006).
  6. Dong, H., Esser-Kahn, A. P., et al. Chemical treatment of poly(lactic acid) fibers to enhance the rate of thermal depolymerization. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 503-509 (2012).
  7. Esser-Kahn, A. P., Thakre, P. R., et al. Three-dimensional microvascular fiber-reinforced composites. Adv. Mater. 23 (32), 3654-3658 (2011).
  8. White, S. R., Blaiszik, B. J., Kramer, S. L. B., Olugebefola, S. C., Moore, J. S., Sottos, N. R. Self-healing polymers and composites. Am. Sci. 99 (5), 392(2011).
  9. Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. A three-dimensional microvascular gas exchange unit for carbon dioxide capture. Lab Chip. 12 (7), 1246(2012).
  10. Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. The effect of membrane thickness on a microvascular gas exchange unit. Adv. Funct. Mater. , (2012).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Vaporization of Sacrificial ComponentSacrificial FibersTin Oxalate CatalystPolylactic Acid FibersThree dimensional PatterningEmbedding ResinPDMS CastingHeat Vacuum EvacuationMicrovascular StructuresFiber Alignment

Related Articles