Methoden voor het meten van de oriëntatie en de draaisnelheid van de 3D-gedrukte Deeltjes in Turbulence
24 juni 2016
We gebruiken 3D-printen om anisotrope deeltjes in de vormen van kegelkappen, kruisen, tetraden en triaden te fabriceren, waarvan de uitlijningen en rotaties in turbulente vloeistofstroming kunnen worden gemeten vanuit meerdere gelijktijdige videobeelden.
Het algemene doel van dit experiment is om de 3D-printer te gebruiken om deeltjes van een grote verscheidenheid aan vormen te fabriceren en hun beweging in een turbulente stroming te meten. Deze methode kan helpen om belangrijke vragen in de vloeistofdynamica te beantwoorden, zoals hoe deeltjes draaien en zich richten in turbulente vloeistofstromingen. Het belangrijkste voordeel is dat het nauwkeurige tijdsontbonden metingen van de oriëntaties van deeltjes met complexe vormen mogelijk maakt, wat met eerdere methoden niet mogelijk was.
Deze methode heeft inzicht gegeven in de beweging van schijven en bollen in turbulentie en kan worden gebruikt om de dynamica van deeltjes met complexe vormen in veel andere situaties te meten. Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze methode worstelen met 3D-camerakalibratie en het aanpassen van het oriëntatie-vindingsalgoritme aan specifieke specifieke deeltjes die worden gebruikt. Guy Marcus, die de originele experimenten met kruisjes en knikkers uitvoerde, zal helpen om de procedure te demonstreren.
Begin met het gebruik van computerondersteunde ontwerpsoftware om deeltjesmodellen voor het printen te maken. Om een triade te maken met AutoCAD, gebruikt u eerst de cirkelcommando om een cirkel te tekenen met een diameter van 0,3 millimeter. Gebruik vervolgens de uitzetcommando om een cilinder van drie millimeter lang te maken.
Cilinders van deze grootte zijn de bouwstenen van de deeltjes. Gebruik nu de draaicommando en selecteer de rotatieas om langs de X-as te zijn, en de rotatiehoek om 90 graden te zijn. Pas de weergave aan om ruimte te laten om met andere cilinders te werken.
Maak vervolgens een kopie van de cilinder die de tweede arm van de triade zal zijn. Aan het einde van deze cilinder, gebruikt u het 3D-draaicommando met de rotatieas langs de Z-as. Draai de cilinder 120 graden voor de triade.
Verplaats de gedraaide cilinder in positie om een arm van de triade te vormen. De centra van de cilinderuiteinden moeten samenvallen. Maak en positioneer de derde arm op dezelfde manier.
Roteer vervolgens het object zodat geen cilinder langs de verticale of horizontale toegang wijst. Wanneer alle armen op hun plaats zijn, selecteert u ze allemaal en gebruikt u de verenigingscommando om ze samen te voegen tot één object. Sla het bestand op in een formaat voor 3D-printen.
Maak de andere deeltjes die in het experiment worden gebruikt door vergelijkbare stappen te volgen. Naast de triade is er het kruis gemaakt van twee orthogonale cilinders met een gemeenschappelijk centrum, de knikker gemaakt van drie onderling orthogonale cilinders met een gemeenschappelijk centrum, en de tetrade waarin de cilinders een gemeenschappelijk einde delen, en op 109,5 graden hoeken ten opzichte van elkaar staan. Laat ongeveer 10.000 van elk deeltype in hoge resolutiemodus printen.
Bereid u voor om de gedrukte deeltjes op te slaan in een oplossing waarin ze neutraal drijvend zijn. Gebruik hiervoor een oplossing van calciumchloride en ongeveer 1.600 liter water op de neutrale drijfmiddeldichtheid. Verwijder ongeveer één liter van de oplossing om elk type deeltje op te slaan.
Neem het liter oplossing naar de werkbank en begin met het werken met de deeltjes. De deeltjes die in dit experiment zijn gebruikt, zijn commercieel afgedrukt. Ze komen aan omhuld in hars die als ondersteunend materiaal wordt gebruikt.
Bevrijd de deeltjes door de grote stukken voorzichtig in kleine secties te breken. Werk met elke sectie om het handmatig te masseren tot veel van de overtollige hars eraf komt. Dit zal latere stappen gemakkelijker maken.
Bereid een 10% massatoplossing van natriumhydroxide in een beker voor om de deeltjes verder te reinigen. Plaats vervolgens enkele deeltjes en wat er overblijft van hun harsverpakking in de beker om de hars te verwijderen. Beweeg de beker met de oplossing naar een ultrasone bad.
Houd de deeltjes gedurende één uur aanvankelijk in het ultrasone bad, en vervolgens nog een halve uur na het spoelen. Bereid een tweede beker voor om de natriumhydroxide-oplossing uit het bad en een filter te ontvangen om de deeltjes te herstellen. Nadat de ultrasone reinigingsstappen zijn voltooid, gebruik handschoenen om de beker uit het bad te verwijderen en giet de inhoud door de filter in de tweede beker.
Spoel de deeltjes voordat u ze verplaatst naar de dichtheidsovereenkomstige oplossing waarin ze worden ondergedompeld om vervorming te voorkomen. Dit zijn deeltjes die zijn bevrijd van hun hars, schoongemaakt in het ultrasone bad en nu klaar zijn voor het verven om te fluoresceren onder groen laserlicht. Gebruik een oplossing van Rhodamine-B kleurstof in water om de deeltjes te verven en plaats deze op een hotplate.
Verwarm de kleurstof tot 80 graden Celsius voor het materiaal van dit deeltje. Vul losjes een kleine container met deeltjes uit opslag. Dit zal ongeveer 2.500 deeltjes zijn.
Voeg de deeltjes toe aan de kleurstofoplossing en houd de temperatuur vast terwijl ze ondergedompeld zijn. Verwijder na ongeveer twee of drie uur de oplossing en deeltjes van de hitte. Gebruik een gaas en een aparte container om de deeltjes uit de oplossing te filteren.
Zorg ervoor dat u ze niet beschadigt terwijl ze zacht zijn van de hitte. Spoel vervolgens de deeltjes voorzichtig om overtollige kleurstof te verwijderen. Wanneer u klaar bent, bewaar ze in de neutrale drijfmiddeloplossing totdat ze nodig zijn voor het experiment.
Het experiment zal plaatsvinden in een tank met camera's geplaatst om de deeltjes in het midden van de stroom op te nemen. Deze schematische weergave biedt een overzicht van de opstelling van de tank, die een achthoekige dwarsdoorsnede heeft, oscillerende roosters die worden gebruikt om turbulente stroming te creëren, het meetvolume en de cameraposities. Gebruik minimaal vier camera's voor oriëntatiemetingsnauwkeurigheid.
Elke camera moet ten minste een megapixelresolutie hebben bij 450 frames per seconde en verbonden zijn met een speciale computer. Plaats de camera's met grote hoeken tussen elk paar van hen en zorg ervoor dat ze allemaal gericht zijn
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie maakt gebruik van 3D-printing om anisotrope deeltjes in verschillende vormen, zoals pinnetjes en kruisjes, te creëren om hun gedrag in turbulente vloeistofstromingen te onderzoeken. De methode maakt nauwkeurige metingen van deeltjesoriëntatie en -dynamica mogelijk, waardoor inzichten in vloeistofdynamica worden verkregen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Vloeistofdynamica
- Deeltjesbewegingsanalyse
- 3D-printtechnologie
Achtergrond
- Het begrijpen van deeltjesgedrag in turbulente stromingen is cruciaal voor verschillende toepassingen.
- Traditionele methoden hebben beperkingen bij het meten van complexe deeltjesvormen.
- 3D-printing biedt een nieuwe aanpak om diverse deeltjesgeometrieën te fabriceren.
- Calibratie van 3D-camera's en oriëntatie-algoritmen kan een uitdaging zijn voor nieuwkomers.
Doel van het onderzoek
- Om deeltjes van verschillende vormen te fabriceren met behulp van 3D-printing.
- Om de beweging van deze deeltjes in turbulente vloeistofstromingen te meten en te analyseren.
- Om het begrip van hoe complexe vormen zich gedragen in turbulentie te verbeteren.
Gebruikte methoden
- 3D-printing om anisotrope deeltjes te maken.
- Gelijktijdige videobeeldvorming om de beweging van deeltjes te volgen.
- Calibratie van 3D-camera's voor nauwkeurige metingen.
- Ontwikkeling van oriëntatie-algoritmen voor specifieke deeltjesvormen.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle fabricage van deeltjes in verschillende vormen.
- Gedetailleerde metingen van deeltjesuitlijning en rotatie in turbulente stromingen.
- Inzichten in de dynamica van schijven en bollen in turbulentie.
- Aangetoond effectiviteit van de methode voor complexe deeltjesvormen.
Conclusies
- De studie biedt een nieuwe methode voor het analyseren van deeltjesgedrag in turbulente stromingen.
- 3D-printing maakt de creatie van complexe deeltjesvormen mogelijk die onderzoeksmogelijkheden verbeteren.
- Toekomstige toepassingen kunnen zich uitstrekken naar verschillende gebieden die vloeistofdynamica-analyse vereisen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
This method enables precise measurement of anisotropic particle orientation and rotation in turbulent flows, providing quantitative data for fluid dynamics modeling. The approach supports target validation in preclinical research by offering a reproducible system to study particle behavior under controlled flow conditions. It enhances predictive confidence in lead identification by linking particle dynamics to mechanistic insights in complex environments.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through controlled observation of particle alignment and rotation in turbulent flow.
- Operational Value: Provides a disease-relevant system for functional target validation by simulating physiological fluid environments.
- Predictive Confidence: Supports portfolio triage by generating quantitative orientation and rotation rate data to de-risk mechanistic assumptions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems (via fluorescently dyed particles) for downstream workflows requiring time-resolved motion tracking.
- Operational Value: Ensures assay standardization and reproducibility through synchronized multi-camera imaging and calibration protocols.
- Scalability: Facilitates production of ~10,000 particles per shape, enabling high-throughput screening readiness and platform reuse.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Connects discovery through preclinical validation by measuring rotation rates as translational biomarkers of particle response to flow gradients.
- Operational Value: Addresses risk-adjusted advancement decisions by providing probability density functions of tumbling rates under turbulent conditions.
- Mechanistic De-risking: Focuses on predictive de-risking by isolating variables in particle shape and flow dynamics to clarify biological behavior.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from Early Discovery to Lead Identification by enabling hypothesis testing of particle behavior in flow, supporting assay readiness through standardized fabrication, and generating quantitative analytics for condition comparison.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking by measuring how particle orientation evolves in turbulent flow.
- Screening: Delivers assay readiness, reproducibility, and quantitative outputs via four-camera stereoscopic tracking and orientation fitting routines.
- Analytics: Provides measurements of 3D trajectories, orientation evolution, and rotation rate distributions that enable cross-condition comparison.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by using rotation rate as a biomarker-like readout for particle response to mechanical stress in flow.
- Enterprise Reuse: Frames the particle fabrication and imaging pipeline as a reusable capability across model systems and fluid dynamic studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence, target validation, reduction of mechanistic ambiguity in particle-fluid interactions.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of particle production and motion tracking.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk through early mechanistic insight.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on quantitative orientation and rotation data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D camera calibration, stereoscopic imaging, and nonlinear least squares fitting for orientation determination.
- Needs instrumentation including synchronized megapixel cameras (450 fps), laser sheet illumination, and turbulent flow generation via oscillating grids.
- Demands cross-team standardization in particle fabrication, dyeing, and density matching to ensure neutrally buoyant behavior.
- Involves adaptation considerations when applying the orientation algorithm to non-tetrad particle shapes (e.g., crosses, jacks, triads).
- Includes practical limitations such as the need for low-Reynolds number flow (R_λ = 91) to approximate ellipsoidal tracer behavior and avoid particle deformation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:58
Design and Fabrication of Particles
2:53
Preparation of Particles
5:26
Experiment and Optical Setup
7:28
Perform the Experiment
8:46
Data Analysis
10:13
Results: Reconstructed Trajectories and Tumbling Rates for Crosses and Jacks
11:25
Conclusion
