Methodenartikel

Door licht geïnduceerde patroonvorming en enten voor gladde oppervlakken op basis van met silaan beklede nanoporeuze structuren

DOI:

10.3791/69270

⸱

14 november 2025

 ,  ,  ,  ,  , 
1Global Institute for Advanced Nanoscience & Technology, Changwon National University, 2Department of Smart Manufacturing Engineering, Changwon National University

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

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

Dit protocol presenteert een door licht geïnduceerde methode voor het vervaardigen van gladde driedimensionale structuren via sequentiële digitale patronen en enten op met silaan beklede nanoporeuze oppervlakken. Deze benadering maakt de ruimtelijk gecontroleerde vorming van gladde gebieden mogelijk, waardoor vloeistofafstotende patronen en de kwantitatieve analyse van grensvlakgladheid mogelijk worden, met toepassingen in vloeistofmanipulatie en oppervlaktetechniek.

Samenvatting

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

Dit protocol beschrijft een door licht geïnduceerde methode voor het vervaardigen van gladde oppervlakken met ruimtelijke patronen via digitale lichtverwerking (DLP) en door polymerisatie geïnduceerde fasescheiding. Een foto-uithardende polyurethaanacrylaat (PUA) hars wordt gemengd met een wateroplosbaar porogeen (PEG-200) en selectief blootgesteld aan ultraviolet (UV) licht met behulp van een DLP-projectiesysteem. Dit proces induceert tegelijkertijd polymeerverknoping en porogeenfasescheiding. Na verwijdering van porogen blijft er een nanoporeuze structuur over, die chemisch wordt gemodificeerd via UV-ozonactivering en dampfasesilanisatie om de hydrofobiciteit te verbeteren. Siliconenolie wordt vervolgens toegediend en covalent op het oppervlak geënt met behulp van UV-licht met meerdere golflengten, waardoor een stabiele polydimethylsiloxaan (PDMS) borstellaag wordt gevormd. Het resulterende oppervlak vertoont een sterke vloeistofafstoting, hysterese met een lage contacthoek en een hoge optische transparantie. De bevochtigbaarheid wordt kwantitatief geëvalueerd met behulp van contacthoek- en hysteresemetingen met water, octaan, honing en kunstmatig menselijk speeksel. Deze methode maakt selectieve gladheid mogelijk, aangetoond door druppeltjes op waterbasis weg te leiden van gladde domeinen naar onbehandelde hydrofiele gebieden, waardoor goed gedefinieerde vloeistofpatronen worden gevormd. De aanpak ondersteunt maskerloze fabricage met hoge resolutie op flexibele substraten en schaalbare patronen voor toepassingen in microfluïdica, druppeltransport, wateropvang en biomedische apparaten.

Inleiding

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

Gladde, met vloeistof doordrenkte poreuze oppervlakken (SLIPS)1 zijn bio-geïnspireerde interfaces die een breed scala aan vloeistoffen afstoten door smeervloeistoffen op te sluiten in micro- of nanogestructureerde vaste kaders 2,3. In tegenstelling tot op lotus geïnspireerde superhydrofobe oppervlakken4, gebruiken SLIPS een gestabiliseerde vloeistof-vloeistofinterface, waardoor druppels met minimale wrijving kunnen bewegen. Ze vertonen omnifobiciteit, hysterese met een lage contacthoek en zelfherstellend 3,5-gedrag dat wordt aangedreven door capillaire geïnduceerde herverdeling van smeermiddel6. Deze eigenschappen maken SLIPS aantrekkelijk voor toepassingen in microfluïdica7, antifouling 6,8, anti-icing 9,10,11, wateropvang 12,13,14 en zelfreinigende oppervlakken 15.

Het blijft echter een uitdaging om SLIPS uit te breiden naar geometrisch complexe of ruimtelijk gevormde oppervlakken. Conventionele fabricagetechnieken voor poreuze steigers, zoals fotolithografie16,17, anodiseren18, geleren 6,19 en elektrospinnen20, zijn tijdrovend en vereisen meerdere verwerkingsstappen. Fused deposition modeling (FDM)21,22, een standaard 3D-printbenadering, is ook gebruikt om SLIPS te maken door poreuze polymeren te printen en deze te infuseren met smeermiddelen. Hoewel FDM toegankelijker is, heeft het een langzame, punt-voor-punt afzetting en een beperkte resolutie, waardoor het een uitdaging is om fijne oppervlaktekenmerken of patronen met een groot oppervlak efficiënt te fabriceren. Bovendien zijn SLIPS die met deze technieken worden geproduceerd doorgaans uniform glad, wat hun bruikbaarheid beperkt in toepassingen die selectieve vloeistofbeheersing vereisen.

Om deze beperkingen aan te pakken, wordt een door licht geïnduceerde methode geïntroduceerd voor het vervaardigen van gladde oppervlakken met patronen met behulp van digitale lichtverwerking (DLP)23. DLP maakt de snelle projectie met hoge resolutie van ontworpen afbeeldingen op fotodrogende materialen mogelijk. Door DLP te combineren met door polymerisatie geïnduceerde fasescheiding, worden nanoporeuze microstructuren gevormd met een smeermiddelhoudend vermogen. Een foto-uithardende polyurethaanacrylaat (PUA) hars wordt gemengd met een in water oplosbaar porogeen en blootgesteld aan ultraviolet (UV) licht met een patroon, waardoor verknoping en porogenfasescheiding worden geïnduceerd. Daaropvolgend wassen wordt het porogen verwijderd, waardoor een poreuze matrix overblijft.

Het oppervlak wordt vervolgens gesilaniseerd met octadecyltrichloorsilaan (OTS) om de hydrofobiciteit24 te verbeteren en doordrenkt met siliconenolie. Korte blootstelling aan UV-straling induceert de covalente enting van een polydimethylsiloxaan (PDMS) borstellaag 6,19,25 op het substraat, waardoor het smeermiddel chemisch wordt verankerd en de stabiliteit van het grensvlak op lange termijn wordt verbeterd. De kenmerken van de gefabriceerde oppervlakken, waaronder statische contacthoek, contacthoekhysterese, glijhoek, glijsnelheid en optische transmissie, worden kwantitatief geëvalueerd. Bovendien toont een vloeistofpatroontest selectieve gladheid aan door waterdruppels naar onbehandelde gebieden te leiden. In dit werk wordt een door licht geïnduceerde MOLIPS-fabricage met patroon via DLP geïntroduceerd, die de ruimtelijke controle van gladde domeinen mogelijk maakt zonder dat complexe fotolithografie, anodisatie of geleervorming nodig is. Door het smeermiddel chemisch te binden via foto-geïnduceerde enting op ontworpen nanoporeuze oppervlakken, produceert de voorgestelde methode stabiele, gladde oppervlakken met een hoge resolutie die geschikt zijn voor selectieve druppelmanipulatie in microfluïdica13, wateropvangsystemen 12,13,14 en biomedische apparaten 26,27.

Protocol

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

OPMERKING: Een schematisch overzicht van dit proces verschijnt in Figuur 1. De materialen en apparatuur die in dit onderzoek zijn gebruikt, staan vermeld in de materiaaltabel.

1. Nanoporeus oppervlak

  1. Meng de fotocureerbare PUA-hars met polyethyleenglycol-200 (PEG-200) als het porogen in een gewichtsverhouding van 50 gew.%. Roer het mengsel 5 minuten op 500 tpm met behulp van een magnetische roerder.
  2. Doseer de gemengde oplossing in de vorm van sessiele druppels op een folie van polyethyleentereftalaat (PET). Bedek de druppels met een folie van gefluoreerd ethyleenpropyleen (FEP) en oefen gelijkmatige druk uit met een roll-to-plate-systeem28 om een gelijkmatige verspreiding te garanderen.
  3. Stel de PUA-hars bloot aan UV-licht (365 nm) met een energiedosis van 180 mJ/cm2 met een LED UV-uithardingssysteem om polymerisatie te induceren. Verwijder na uitharding de FEP-folies.
  4. Dompel het uitgeharde monster gedurende 1 uur onder in gedeïoniseerd (DI) water om niet-gereageerde PEG-200 te extraheren. Droog het poreuze monster gedurende 1 uur in een oven van 70 °C om het resterende water te verwijderen en de fabricage van het nanoporeuze oppervlak af te ronden (Figuur 2).
    OPMERKING: Na droging geeft een witachtig en mat uiterlijk aan dat PEG-200 volledig is verwijderd en dat er nanoporiën bestaan.

2. OTS-behandeld oppervlak

  1. Voer een UV-ozonbehandeling uit op golflengten van 185 en 254 nm met een UV-intensiteit van 25 mW/cm2 gedurende 20 minuten om hydroxylgroepen op het oppervlak te introduceren als voorbehandeling voor de vorming van OTS zelfgeassembleerde monolaag (SAM). Voer dit proces uit onder standaard laboratoriumomgevingsomstandigheden bij kamertemperatuur en atmosferische druk.
    VOORZICHTIGHEID: UV-ozonbehandeling genereert ozon (O3) en reactieve zuurstofsoorten (ROS) bij blootstelling aan 185 nm en 254 nm UV-licht. Deze bijproducten zijn schadelijk voor de menselijke gezondheid en kunnen de luchtwegen irriteren. Zorg ervoor dat het UV-ozonsysteem is aangesloten op een functioneel uitlaat- of rookafzuigsysteem.
    Langdurige blootstelling aan UV-ozon van meer dan 20 minuten kan het polymeeroppervlak beschadigen en structurele vervorming veroorzaken.
  2. Plaats een kookplaat in een met stikstof gevuld dashboardkastje. Plaats een schoon bekerglas op de hete plaat en doseer 1 ml OTS-oplossing als een sessiele druppel op de bodem van het bekerglas.
    VOORZICHTIGHEID: Octadecyltrichloorsilaan is zeer reactief met vocht en genereert bij hydrolyse corrosief waterstofchloride (HCl) gas. Het kan de huid, ogen en luchtwegen irriteren. Hanteer OTS alleen in een met stikstof gevuld dashboardkastje en draag geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM), waaronder handschoenen, een veiligheidsbril en een laboratoriumjas.
  3. Bevestig de PET-foliemonsters op glasplaatjes. Keer de objectglaasjes om en plaats ze met de voorkant naar beneden over het bekerglas om de afzetting van OTS in de dampfase uit te voeren. Verwarm de opstelling gedurende 40 minuten tot 120 °C.
    OPMERKING: Overschilderen van OTS als gevolg van overmatige verhitting of langdurige blootstelling kan oppervlaktedefecten veroorzaken.
  4. Haal de preparaten uit het dashboardkastje en maak het bekerglas schoon met een pluisvrij doekje.
    OPMERKING: Als het bekerglas niet goed wordt gereinigd, kunnen resterende OTS stollen en wit lijken, wat van invloed is op de herhaalde verwerkingsomstandigheden.

3. Door licht geïnduceerde enting

  1. Voer een UV-ozonbehandeling uit op golflengten van 185 en 254 nm met een UV-intensiteit van 25 mW/cm2 gedurende 20 minuten op het OTS-gecoate oppervlak om hydroxylgroepen te introduceren als voorbehandelingsstap voor covalente enting van de PDMS-borstellaag. Dit proces wordt uitgevoerd onder standaard laboratoriumomgevingsomstandigheden bij kamertemperatuur en atmosferische druk.
    OPMERKING: Deze stap is van cruciaal belang. Zonder hydroxylactivering vormt de PDMS-borstellaag zich niet en ontstaat er geen gladde interface.
  2. Breng 20 μL/cm2 10 cS siliconenolie aan op het oppervlak door sessiele druppelafzetting om een uniforme coating te garanderen.
  3. Bestraal het preparaat gedurende 15 minuten met een UV-lamp met hoge intensiteit die 15 cm boven het oppervlak is geplaatst. Gebruik een bron met meerdere golflengten met prominente pieken bij 207 nm (149 mW/cm2), 214 nm (155 mW/cm2), 296 nm (125 mW/cm2), 317 nm (93 mW/cm2) en 321 nm (89 mW/cm2). De bestraling produceert warmte en het substraat bereikt 103,3 ± 5,2 °C, waardoor covalente borstelvorming wordt vergemakkelijkt.
    LET OP: Tijdens UV-bestraling met hoge intensiteit kan siliconenolie verhoogde temperaturen bereiken (>100 °C). Hoewel siliconenolie zelf een lage acute toxiciteit heeft, kan inademing van olienevel irritatie van de luchtwegen veroorzaken. Bij verhoogde temperaturen neemt de vluchtigheid toe en langdurige blootstelling in slecht geventileerde of gesloten ruimtes kan gezondheidsrisico's met zich meebrengen. Draag een UV-blokkerende bril en zorg voor voldoende afzuigventilatie om ozon af te voeren. Houd ontvlambare of vluchtige materialen uit de buurt van de opstelling om brandgevaar door hitte en blootstelling aan UV-straling te voorkomen.
  4. Kantel het preparaat in een hoek van 30° en houd het 5 minuten vast om overtollige siliconenolie van het oppervlak te laten weglopen.
    OPMERKING: Een succesvolle drainage is bevestigd wanneer het oppervlak een dunne, uniforme laag siliconenolie vertoont zonder ophoping of grote zichtbare druppels.

4. Fabricage van gladde structuren met patronen

  1. Ontwerp de gewenste vormen met CAD-software (bijv. CATIA) en exporteer ze als STL-bestanden (tandwiel, doolhof en JoVE-tekst; Aanvullend bestand 1, aanvullend bestand 2, aanvullend bestand 3 en aanvullend bestand 4). Laad de STL-bestanden in slicing-software (bijv. Carima Slicer) om 2D-projectiebeelden te genereren die compatibel zijn met de DLP 3D-printer. Stuur de resulterende bestanden naar de printer voor digitale lichtprojectie.
  2. Plaats de met polymeeroplossing beklede film (uit stap 1.2) op het venster van de DLP-printer. Stel het monster bloot aan 365 nm UV-licht met een intensiteit van 180 mJ/cm2 met het geprojecteerde digitale patroon om de hars selectief uit te harden.
  3. Dompel het blootgestelde monster gedurende 1 uur onder in gedemineraliseerd water om PEG-200 te extraheren. Droog het monster gedurende 1 uur in een oven van 70 °C om het resterende water te verwijderen en de nanoporeuze structuur te produceren. Voer OTS-oppervlaktebehandeling en door licht geïnduceerde enten uit om de fabricage van gladde oppervlakken met patronen te voltooien.

Resultaten

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

De nanoporeuze oppervlakken die via polymerisatie-geïnduceerde fasescheiding werden vervaardigd, vertoonden een dominante poriegrootteverdeling van 60-100 nm, zoals weergegeven in figuur 2. Deze verdeling werd bevestigd door drie replicatiemetingen met behulp van SEM-beeldvorming met hoge resolutie. De SEM-beelden werden verwerkt via pixelgebaseerde beeldanalyse in MATLAB om de poriediameters te bepalen, uitgaande van een cirkelvormige doorsnede.

De statische contacthoek van het water gemeten op het poreuze oppervlak was 84,4 ± 1,4°, gebaseerd op vijf herhalingstests met sessiele waterdruppels van 5 μL (Figuur 3A). Om de veranderingen in de bevochtigbaarheid van het oppervlak te evalueren, werd de contacthoek gecontroleerd in de stappen van de oppervlaktemodificatie, waaronder de vorming van nanoporeuze structuren, UV-ozonactivering, silanisatie en door licht geïnduceerde PDMS-enting. Na silanisatie werd het oppervlak hydrofoob; een tweede UV-ozonbehandeling, uitgevoerd voorafgaand aan de PDMS-transplantatie, verminderde echter tijdelijk de contacthoek omdat hydroxylgroepen werden geïntroduceerd. Deze reductie werd ongedaan gemaakt door de vorming van een covalent gebonden PDMS-borstellaag, waardoor de hydrofobiciteit van het oppervlak werd hersteld29. In tegenstelling tot vrije siliconenoliecoatings, die gemakkelijk kunnen uitputten, biedt de vastgebonden PDMS-borstel een stabiele en flexibele moleculaire laag die smeermiddel vasthoudt en langdurig glad gedrag mogelijk maakt11. Als het entproces niet is voltooid, blijven de druppels op het oppervlak zitten en glijden ze niet, wat aangeeft dat de entstap essentieel is voor het bereiken van glad gedrag.

Om het gladde gedrag van vier representatieve vloeistoffen (Figuur 3B) te valideren - gedeïoniseerd water, octaan (lage oppervlaktespanning), honing (hoge viscositeit) en kunstmatig menselijk speeksel (een biovloeistofnabootsing; commerciële synthetische oplossing) - hun contacthoek (Figuur 3C), glijhoek (Figuur 3D), glijsnelheid (Figuur 3E) en contacthoekhysterese (CAH) (Figuur 3F) werden gemeten. Voor elke vloeistof werd een sessiele druppel van 5 μL gebruikt om de contact- en glijhoeken te meten (kantelsnelheid: 0,8°/s), en een andere druppel van 5 μL werd op een 30° gekanteld oppervlak geplaatst om de glijsnelheid over een afstand van 8,5 mm te meten. CAH werd in elk geval gekwantificeerd. Alle gladde gedragstesten werden in vijfvoud uitgevoerd. In elk experiment bleven de glijhoeken onder de 3°. De glijsnelheid van honing was duidelijk lager omdat de hoge viscositeit een grotere interne viskeuze dissipatie veroorzaakt, die sterk bestand is tegen de beweging van druppels onder dezelfde drijvende kracht. Bovendien bleef CAH onder de 10° (Figuur 3F), wat wijst op een robuuste, omnifobe gladde interface.

Voordat het protocol voor gladde patronen met DLP-projectie werd geïmplementeerd, werd de printresolutie van de PEG-PUA-hars geëvalueerd met behulp van lijn-en-spatietestpatronen (Afbeelding 4). Gezien de native pixelresolutie van de DMD-chip (50 μm x 50 μm), werd de minimale lijndikte vastgesteld op 50 μm, met stapsgewijze verhogingen tot 300 μm. Elke lijnbreedte werd vijf keer gefabriceerd en geanalyseerd. De 50 μm-functies vertoonden een hoge getrouwheid aan de ontworpen geometrie (50,3 ± 6,3 μm). Dimensionale afwijkingen namen echter licht toe met bredere kenmerken, waarschijnlijk als gevolg van lichtverstrooiing en laterale diffusie tijdens blootstelling van bredere gebieden, wat leidde tot overcuring buiten de beoogde patroongrenzen. Deze overcurrende effecten worden vaak waargenomen bij fotopolymeerharsen die niet speciaal zijn ontworpen voor additieve productie. In deze studie werd de PEG-PUA-hars oorspronkelijk ontwikkeld voor fotopatronen en was deze niet geoptimaliseerd voor 3D-printen, wat waarschijnlijk heeft bijgedragen aan dit gedrag. Desalniettemin kunnen dergelijke beperkingen worden verzacht door de harssamenstelling en fotopolymerisatie-eigenschappen te optimaliseren.

Nanoporeuze oppervlakken met patronen met lettervormige (JoVE) en grafische (doolhof, tandwiel) ontwerpen werden met succes vervaardigd met het DLP-proces (Figuur 5A). Na het voltooien van alle stappen voor oppervlaktemodificatie - inclusief silanisatie, UV-ozonactivering, PDMS-transplantatie en infusie van siliconenolie - werden de patronen optisch transparant (Figuur 5B). Deze overgang is het gevolg van de brekingsindex mismatch tussen lucht (na = 1,0) en de polymeermatrix (np = 1,5), die verstrooiing in de ongevulde poreuze structuren veroorzaakt. Na infiltratie met siliconenolie (ns = 1,4) werd het brekingsindexcontrast verminderd, wat een zichtbaar transparant oppervlak opleverde met een doorlaatbaarheid van meer dan 90% (Figuur 5C). Wanneer waterhoudende inkt werd aangebracht, migreerden de druppels selectief naar onbehandelde hydrofiele gebieden (bijv. de PET-film), waarbij de gladde domeinen werden vermeden (Figuur 5D), waardoor goed gedefinieerde vloeistofpatronen werden gevormd (Figuur 5E). Deze resultaten tonen aan dat het protocol een effectieve ruimtelijke controle van de bevochtigbaarheid van het oppervlak mogelijk maakt.

figure-results-1
Figuur 1: Schema van het fabricageproces voor een glibberig oppervlak met een digitaal patroon, gebouwd op een met silaan beklede nanoporeuze structuur. (A) Roll-to-plate-proces voor het gelijkmatig coaten van PEG-PUA-hars tussen een PET-film en een FEP-film, gevolgd door door licht geïnduceerde patronen met een DLP-projectiesysteem. (B) Fabricagevolgorde van het gladde oppervlak: (stap 1) vorming van een nanoporeus oppervlak door fasescheiding; (stap 2) UV-ozonbehandeling om hydroxylgroepen op het nanoporeuze oppervlak te genereren; (stap 3) OTS-dampafzetting om een hydrofobe SAM te vormen; (stap 4) tweede UV-ozonbehandeling om hydroxylgroepen op het SAM-oppervlak te introduceren; (stap 5) infiltratie van siliconenolie; (stap 6) door licht geïnduceerde oppervlaktetransplantatie om een PDMS-borstellaag te vormen. Afkortingen: PEG-PUA = Polyethyleenglycol-Polyurethaanacrylaat; PET = Polyethyleentereftalaat; FEP = Gefluoreerd ethyleenpropyleen; DLP = Digitale lichtverwerking; OTS = octadecyltrichloorsilaan; SAM = Zelfgeassembleerde monolaag; PDMS = Polydimethylsiloxaan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-2
Figuur 2: Gefabriceerd nanoporeus oppervlak. (A) SEM-beeld en beeldverwerkingsstappen voor analyse van de nanoporiegrootte: (i) origineel SEM-beeld; (ii) dieptekaart met de relatieve poriediepte met een pseudokleurenschaal afgeleid van helderheid; (iii) gebinariseerd beeld voor segmentatie van het poriëngebied; (iv) poriënlabeling, waarbij elke porie een afzonderlijke kleur krijgt toegewezen. Schaal balk = 500 nm. (B) Grootteverdeling van de nanoporiën. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-3
Figuur 3: Analyse van de bevochtigbaarheid van het oppervlak. (A) Metingen van de contacthoek van het water (5 μL) na elke fabricagestap: poreus oppervlak (stap 1), met UV-ozon behandeld oppervlak (stap 2), OTS-gecoat oppervlak (stap 3), met UV-ozon behandeld SAM (stap 4), met siliconenolie gecoat oppervlak (stap 5) en lichtgeënt oppervlak (stap 6). (B) Oppervlaktespanning van verschillende vloeistoffen: octaan (28,7 ± 0,5 mN/m), water (70,6 ± 4,4 mN/m), honing (51,0 ± 0,2 mN/m), kunstmatig menselijk speeksel (66,7 ± 0,4 mN/m) (C) Statische contacthoek, (D) Glijhoek (5 μL), (E) Glijsnelheid (5 μL) en (F) Contacthoekhysterese (CAH) gemeten voor de druppels van deze vloeistoffen. Alle experimenten werden uitgevoerd bij kamertemperatuur en een relatieve luchtvochtigheid van 40 ± 5%. Balken en punten geven gemiddelde waarden weer en foutbalken geven het gemiddelde ± SD aan (n = 5 onafhankelijke experimenten). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-4
Figuur 4: Microlijnstructuren geprint voor het testen van de resolutie van het DLP-systeem, met lijnbreedtes gemeten in het midden van elke lijn (vijf herhalingen). Schaal balk = 500 μm. Punten geven gemiddelde waarden aan en foutbalken geven het gemiddelde ± SD aan (n = 5 onafhankelijke experimenten). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-5
Afbeelding 5: Oppervlakken met patronen vervaardigd uit digitaal ontworpen afbeeldingen via DLP-projectie. (A) Nanoporeuze oppervlakken vóór infiltratie van siliconenolie, die opaciteit vertonen. Patronen: (i) uitrusting, (ii) doolhof, (iii) JoVE-tekst. Schaalbalk: 10 mm. (B) Gladde oppervlakken na infiltratie van siliconenolie, die transparant lijken. Patronen: (i) uitrusting, (ii) doolhof, (iii) JoVE-tekst. (C) Vergelijking van de optische transmissie tussen de gladde en poreuze oppervlakken. (D) Selectieve verwijdering van waterdruppels die naar aangewezen hydrofiele gebieden (PET-folie) op het gladde oppervlak worden gestuurd. (E) Vloeistofgeleid patroon met waterdruppels op het gladde oppervlak. Patronen: (i) uitrusting, (ii) doolhof, (iii) JoVE-tekst. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussie

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

Een cruciale stap in dit protocol is de vorming van een nanoporeuze structuur via door polymerisatie geïnduceerde fasescheiding tijdens DLP-gebaseerde UV-uitharding. Het mengen van PEG-200 met een fotohardende PUA-hars en vervolgens bestralen van het mengsel met UV-licht met patronen levert verknoopte poreuze netwerken en ruimtelijk gedefinieerde structuren op die smeermiddelen effectief vasthouden1. Om de daaropvolgende transplantatie van een PDMS-borstellaag11-vormend mogelijk te maken, werd de basis van een stabiele, gladde interface-UV-ozonbehandeling tijdens het proces twee keer uitgevoerd: ten eerste om hydroxylgroepen op het poreuze polymeeroppervlak te introduceren voorafgaand aan silanisatie, en ten tweede om het gesilaniseerde oppervlak te reactiveren vóór PDMS-enting.

Voorzichtigheid is geboden tijdens beide UV-ozonstappen, aangezien blootstelling aan hoogenergetische omstandigheden - zoals UV-licht met een korte golflengte en verhoogde temperaturen - het polymeersubstraat kan beschadigen of de oppervlaktestructuur kan vervormen25. Na de tweede UV-ozonstap werd siliconenolie op het geactiveerde oppervlak afgezet. Daaropvolgende UV-blootstelling met meerdere golflengten initieert het enten van PDMS-ketens. Hoewel de reactie voornamelijk wordt aangedreven door UV-licht, ondersteunt de bijbehorende thermische energie moleculaire interacties en bevordert het een robuuste oppervlaktebinding. Dit entingsproces leidt tot de vorming van een covalent verankerde PDMS-borstellaag, wat resulteert in stabiele, gladde interfaces die worden gekenmerkt door lage glijhoeken, lage CAH en hoge glijsnelheid. Onvoldoende hydroxylering tijdens beide UV-ozonstappen kan echter leiden tot slechte enting en verminderde gladde prestaties. Bovendien, als de UV-intensiteit die tijdens de uithardingsstap wordt gebruikt voor het vervaardigen van het nanoporeuze oppervlak onder de aanbevolen waarde daalt, heeft het oppervlak de neiging om te ruw te worden en de poriegrootte zeer onregelmatig, en kan de nanoporeuze laag zelfs delamineren van het PET-substraat tijdens het spoelen23. Bovendien, hoewel nanoporeuze oppervlakken kunnen worden vervaardigd door het PEG-200-gehalte tot boven 50 gew.% te verhogen, vertonen de resulterende structuren vaak vergrote poriën en verhoogde oppervlakteruwheid, wat glad gedrag kan belemmeren omdat druppels in de grote poriën worden vastgezet. Daarom moeten de fabricageparameters zorgvuldig binnen de voorgeschreven bereiken worden gehouden.

Een beperking van dit protocol betreft de fabricage van grote of volledig 3D (millimeterschaal) gladde structuren met behulp van transparante harsformuleringen in additive manufacturing. Vanwege de hoge optische doorlaatbaarheid van de PEG-PUA-hars kan UV-licht voorbij de beoogde belichtingslaag doordringen en uitharding initiëren in verzonken of concave gebieden. Dit kan onbedoelde stolling en een verlies van structurele getrouwheid veroorzaken, met name in interne holtes. Het blijft dus een uitdaging om deze methode uit te breiden naar volumetrische gladde 3D-architecturen zonder de optische absorptie-eigenschappen van de hars23 verder af te stemmen.

Ondanks deze beperking biedt het protocol duidelijke voordelen ten opzichte van conventionele SLIPS-fabricagemethoden. In tegenstelling tot FDM-gebaseerde benaderingen22, die worden beperkt door lage resolutie en langzame, punt-voor-punt afzetting, of anodisatie- en geleertechnieken20, die meerstapsprocedures en rigide sjablonen vereisen, maakt de voorgestelde DLP-gebaseerde methode de directe fabricage van met smeermiddel doordrenkte poreuze substraten mogelijk via een eenstaps, maskerloos en digitaal programmeerbaar projectieproces. Deze aanpak verkort niet alleen de fabricagetijd, maar vereenvoudigt ook de procedure en verhoogt de doorvoer van patronen aanzienlijk, waardoor de efficiënte productie van patroonoppervlakken mogelijk is. Bovendien is het proces compatibel met flexibele substraten zoals PET-folies. Bovendien biedt de door licht geïnduceerde fasescheidingsstrategie een hoge resolutie, patroonflexibiliteit en vereenvoudigde vorming van poreuze steigers die smeermiddelen kunnen vasthouden. Het gebruik van foto-geïnduceerde processen vergemakkelijkt ook de integratie met substraten met patronen, maakt selectieve gladheid mogelijk en ondersteunt de schaalbare fabricage van multischaalstructuren. Samen maken deze voordelen de methode bijzonder geschikt voor toepassingen zoals gericht druppeltransport, open-channel microfluïdica, aangroeiwerende coatings8 en wateropvangsystemen13,14, waar nauwkeurige ruimtelijke controle van de bevochtigbaarheid van het oppervlak essentieel is.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.

Dankbetuigingen

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

Dit werk kreeg steun van subsidies van de National Research Foundation of Korea (NRF), gefinancierd door de Koreaanse overheid (MSIT) (nr. 2023R1A2C3006499 en RS-2023-00238462). Dit onderzoek werd ook ondersteund door het LAMP-initiatief (Global Learning & Academic Research Institution for Master's and PhD's Students and Postdocs) van de National Research Foundation of Korea (NRF), gefinancierd door het ministerie van Onderwijs (nr. RS-2024-00444460).

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
365 nm UV LED systeemLichtzenLZL-FL-220220-CUV-uithardingsapparatuur
Kunstmatige speekselTMABIOTB0924Kunstmatige menselijke speeksel (een biofluïdum-nabootsing; commerciële synthetische oplossing)
Carima SlicerCARIMAV2.0Slicing software
CATIADassault systemsV5R20CAD software
Gedeïoniseerd (DI) waterKOREA CLEANUP CHEMKCU-PW3Spoelen en porogeenverwijdering
DLP 3D printer (365 nm UV)CARIMAIMD-CDigitaal patroonapparatuur
Gefluoreerd ethyleen propyleen (FEP) filmALPHAFLONFEP0250Loslaag
HandschoenenkastMADE LABG801Gebalikt voor het veilig hanteren van gevaarlijke materialen
Hot-plate roerderCorningPC-420DHot plate & magnetische roerder apparatuur (5" x 7")
Multi-golflengte UV lamp systeemRaynicsRX-H1000SLicht-geïnduceerde graftapparatuur
Octadecyltrichlorosilane (OTS)Sigma-Aldrich104817Hydrofobe oppervlaktecoating
OvenSH ScientificSH-VDO-30NHGebalikt voor het drogen van monsters
Foto-uithardbare harsMinuta technologyMINS-311RMPolyurethaanacrylaat (PUA) gebaseerde hars
Polyethyleenglycol (PEG) 200Tokyo Chemical IndustryP0840Porogeen
Polyethyleentereftalaat (PET) filmBlue DPSubstraat voor imprinting
Silicone olieShin-Etsu PolymerKF-96-10CS10cS
SmartDropFemtobiomedContacthoekmeting
UV ozonreinigerJaesung EngineeringUVC-30UV ozonbehandeling apparatuur
UV-zichtbaar/NIR spectrofotometerJascoV-770Lichtdoorlaatmeting

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wong, T. S., et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature. 477 (7365), 443-447 (2011).
  2. Yao, X., et al. Adaptive fluid-infused porous films with tunable transparency and wettability. Nat Mater. 12 (6), 529-534 (2013).
  3. Kreder, M. J., Alvarenga, J., Kim, P., Aizenberg, J. Design of anti-icing surfaces: smooth, textured or slippery. Nat Rev Mater. 1 (1), 1-15 (2016).
  4. Latthe, S. S., Terashima, C., Nakata, K., Fujishima, A. Superhydrophobic surfaces developed by mimicking hierarchical surface morphology of lotus leaf. Molecules. 19 (4), 4256-4283 (2014).
  5. Xiang, T., et al. Slippery liquid-infused porous surface for corrosion protection with self-healing property. Chem Eng J. 345, 147-155 (2018).
  6. Lee, S. H., et al. Implementation of a large-area slippery surface using a transparent organogel. Mater Today Chem. 39, 102187(2024).
  7. Wang, X., Zhuang, Z., Li, X., Yao, X. Droplet manipulation on bioinspired slippery surfaces: from design principle to biomedical applications. Small Methods. 8 (4), 2300253(2024).
  8. Tesler, A. B., et al. Extremely durable biofouling-resistant metallic surfaces based on electrodeposited nanoporous tungstite films on steel. Nat Commun. 6 (1), 8649(2015).
  9. Yuan, Y., et al. Self-repairing performance of slippery liquid infused porous surfaces for durable anti-icing. Adv Mater Interfaces. 9 (10), 2101968(2022).
  10. Eder, T., et al. Transparent PDMS surfaces with covalently attached lubricants for enhanced anti-adhesion performance. ACS Appl Mater Interfaces. 16 (8), 10942-10952 (2024).
  11. Zhao, X., et al. Macroscopic evidence of the liquidlike nature of nanoscale polydimethylsiloxane brushes. ACS Nano. 15 (8), 13559-13567 (2021).
  12. Dai, X., et al. Hydrophilic directional slippery rough surfaces for water harvesting. Sci Adv. 4 (3), eaaq0919(2018).
  13. Lv, P., Zhang, Y. L., Han, D. D., Sun, H. B. Directional droplet transport on functional surfaces with superwettabilities. Adv Mater Interfaces. 8 (12), 2100043(2021).
  14. Lian, Z., et al. Recent progress in bio-inspired macrostructure array materials with special wettability-from surface engineering to functional applications. Int J Extreme Manuf. 6 (1), 012008(2023).
  15. Yin, J., et al. Self-cleaning and antibiofouling enamel surface by slippery liquid-infused technique. Sci Rep. 6 (1), 25924(2016).
  16. Ucuncuoglu, R., Erbil, H. Y. Water drop evaporation on slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS): effect of lubricant thickness, viscosity, ridge height, and pattern geometry. Langmuir. 39 (18), 6514-6528 (2023).
  17. Zhang, P., Zhang, L., Chen, H., Dong, Z., Zhang, D. Surfaces inspired by the Nepenthes peristome for unidirectional liquid transport. Adv Mater. 29 (45), 1702995(2017).
  18. Song, T., et al. Fabrication of super slippery sheet-layered and porous anodic aluminium oxide surfaces and its anticorrosion property. Appl Surf Sci. 355, 495-501 (2015).
  19. Yoon, S. M., et al. Photo-induced liquid-based slippery materials for highly efficient particle aggregation. Appl Surf Sci. 682, 161638(2025).
  20. Mahmut, T. A. S., Memon, H., Xu, F., Ahmed, I., Hou, X. Electrospun nanofibre membrane based transparent slippery liquid-infused porous surfaces with icephobic properties. Colloids Surf A Physicochem Eng Asp. 585, 124177(2020).
  21. Mazzanti, V., Malagutti, L., Mollica, F. FDM 3D printing of polymers containing natural fillers: a review of their mechanical properties. Polymers. 11 (7), 1094(2019).
  22. Shams, H., Basit, K., Khan, M. A., Mansoor, A., Saleem, S. Scalable wear-resistant 3D printed slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS). Addit Manuf. 48, 102379(2021).
  23. Quan, H., et al. Photo-curing 3D printing technique and its challenges. Bioact Mater. 5 (1), 110-115 (2020).
  24. Belgardt, C., Graaf, H., Baumgärtel, T., Borczyskowski, C. V. Self-assembled monolayers on silicon oxide. Phys Status Solidi C. 7 (2), 227-231 (2010).
  25. Tesler, A. B., et al. A one-pot universal approach to fabricate lubricant-infused slippery surfaces on solid substrates. Adv Funct Mater. 31 (27), 2101090(2021).
  26. Huang, W. P., et al. Patterned slippery surface through dynamically controlling surface structures for droplet microarray. Chem Mater. 31 (3), 834-841 (2019).
  27. Sun, L., et al. Tailoring materials with specific wettability in biomedical engineering. Adv Sci. 8 (19), 2100126(2021).
  28. Kim, W. Y., et al. Quasi-seamless stitching for large-area micropatterned surfaces enabled by Fourier spectral analysis of moiré patterns. Nat Commun. 14 (1), 2202(2023).
  29. Pupillo, D., et al. Corrosion resistance of biodegradable zinc surfaces enhanced by UV-grafted polydimethylsiloxane coating. ACS Biomater Sci Eng. 10 (8), 4891-4900 (2024).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Digital Light ProcessingPolymerization Induced Phase SeparationSurface SilanizationUV Ozone TreatmentSilicone Oil GraftingContact Angle MeasurementDroplet TransportMicrofluidic Devices

Gerelateerde artikelen