Method Article

Proces wytwarzania trójwymiarowych mikrostruktur z wykorzystaniem parowania składnika protektorowego

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

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

Proces waporyzacji składnika ofiarnego (VaSC) jest używany do wytwarzania struktur mikronaczyniowych. Ta procedura wykorzystuje protektorowe włókna kwasu poli(mlekowego) do tworzenia pustych mikrokanalików z precyzyjnym pozycjonowaniem geometrycznym 3D zapewnianym przez laserowo obrabiane mikroobrabiane płytki prowadzące.

Abstract

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

Struktury naczyniowe w naturalnych systemach są w stanie zapewnić transport dużej masy przez duże obszary powierzchniowe i zoptymalizowaną strukturę. Niewiele technik wytwarzania materiałów syntetycznych jest w stanie naśladować złożoność tych struktur przy jednoczesnym zachowaniu skalowalności. Proces waporyzacji składnika protektorowego (VaSC) jest w stanie to zrobić. Proces ten wykorzystuje włókna protektorowe jako szablon do tworzenia pustych, cylindrycznych mikrokanałów osadzonych w matrycy. Szczawian cyny (II) (SnOx) jest zatopiony we włóknach poli(kwasu mlekowego) (PLA), co ułatwia stosowanie tego procesu. SnOx katalizuje depolimeryzację włókien PLA w niższych temperaturach. Monomery kwasu mlekowego są gazowe w tych temperaturach i mogą być usuwane z osadzonej matrycy w temperaturach, które nie uszkadzają matrycy. Tutaj pokazujemy metodę wyrównywania tych włókien za pomocą mikroobrabianych płytek i urządzenia napinającego do tworzenia złożonych wzorów trójwymiarowo ułożonych mikrokanałów. Proces ten pozwala na eksplorację praktycznie dowolnego układu topologii i struktur światłowodów.

Introduction

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

Naturalne systemy wykorzystują rozległe sieci naczyniowe do ułatwiania wielu funkcji biologicznych. W takich systemach transport masowy może być efektywnie realizowany dzięki wysokiemu stosunkowi powierzchni do objętości i zoptymalizowanym strukturom pakowania. Podczas gdy wiele technik wytwarzania syntetycznego może wytwarzać struktury mikronaczyniowe, żadna z nich nie jest w stanie wytworzyć mikrokrążenia na dużą skalę, zachowując złożoność i kompatybilność z istniejącymi metodami produkcji1-5. Inspiracją są struktury takie jak ptasie płuco. W jaki sposób możemy wyprodukować struktury o takiej złożoności, aby usprawnić transport masowy?

Waporyzacja składnika ofiarnego (VaSC) może wytworzyć duże, złożone struktury mikronaczyniowe6-7. Metoda ta wykorzystuje depolimeryzację termiczną i odparowujące usuwanie włókien kwasu poli(mlekowego) w celu utworzenia pustych kanałów, które są odwrotnością matrycy włókien. Jest to technika ofiarna zgodna z istniejącymi metodami wytwarzania. W tym procesie wytwarzania można formować metrowe, cylindryczne wzory mikrokanałów. Można to wykorzystać do tworzenia unaczynionych urządzeń, takich jak samonaprawiające się polimery i mikronaczynia wychwytujące węgiel 3D7-10.

Jednostki wychwytywania dwutlenku węgla zostały zainspirowane ptasim płucem, które zapewnia efektywny stosunek wymiany gazu do masy dzięki jego zastosowaniu w locie. Przyoskrzel składa się z sześciokątnych mikrokanalików, które zapewniają wysokie szybkości wymiany gazu i strukturalnie stabilne jednostki wymiany gazowej. W celu stworzenia wymienników o cechach mikroskali ustawionych w trzech wymiarach, opracowaliśmy metodę niezależnego napinania włókien za pomocą specjalnie zaprojektowanej płytki napinającej z tunerami gitarowymi i płytkami obrabianymi laserowo. Każde włókno jest utrzymywane na miejscu przez naprężenie zewnętrzne, a wzór jest ustalany przez umieszczenie otworów w płytce, przez które przechodzą włókna.

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

Protocol

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

1. Katalizowanie włókien ofiarnych

  1. Owiń żądaną ilość włókien kwasu poli(mlekowego) wokół dolnej 3/4 niestandardowego wrzeciona. Zmniejsz nakładanie się włókien, aby zapewnić maksymalną ekspozycję powierzchni.
  2. Zmieszać dejonizowanyH2Oz 40 ml Disperbyk 130 w zamkniętej butelce i wstrząsać aż do uzyskania jednorodnego roztworu. Następnie umieścić zlewkę o pojemności 1 000 ml w łaźni wodnej o temperaturze 37 °C i wlać do niej trifluoroetanol. IlośćH2Oi TFE do użycia zależy od zastosowanej średnicy włókna PLA. Średnica włókna IlośćH2O(ml) Ilość TFE (ml) 200 szt. 400 szt. 400 szt. 300 szt. 360 pkt. 440 szt. 500 szt. 320 szt. 480 szt.
  3. Dodać roztwórH2O/Disperbyk 187 do zlewki i mieszać do uzyskania jednolitej konsystencji.
  4. Dodaj 1 g zieleni malachitowej do mieszanki i mieszaj, aż się rozpuści.
  5. Umieść niestandardowe wrzeciono z włóknami w zlewce 1/2 cala od dołu i przymocuj wrzeciono do miksera cyfrowego. Następnie uruchom mikser cyfrowy z prędkością 400 obr./min.
  6. Powoli dodawać 1,3 g katalizatora szczawianowego cyny (II) (SnOx) do mieszaniny. Dodawanie SnOx musi być stopniowe, aby zapobiec wydostawaniu się dużych aglomeracji materiału z roztworu.
  7. Dostosuj pH w mieszaninie za pomocą NaOH, aż pH wyniesie ~6,8-7,2.
  8. Przymocuj pokrywę do zlewki i zwiększ obroty wrzeciona do 500 obr./min na 24 godziny. Jeśli zaobserwuje się aglomerację SnOx, należy ją ręcznie rozbić w ciągu pierwszych 2 godzin.
  9. Wyjąć wrzeciono i wysuszyć w piekarniku w temperaturze 35 °C przez noc.
  10. Rozwiń i usuń nadmiar katalizatora z katalizowanych włókien PLA.

2. Wytwarzanie mikronaczyniowej wymiany gazowej

  1. Zaopatrz się w parę wycinanych laserowo mosiężnych płytek mosiężnych z pożądanym wzorem mikronaczyniowym i przymocuj płytki do uchwytów klipsowych.
  2. Wytnij katalizowane włókno o długości 10 cali na mikrokanał i usuń pozostały katalizator za pomocą grubszej płytki przyciętej do średnicy włókna (płyta ciągnąca).
  3. Zwęź krawędzie włókien za pomocą końcówki gorącego pistoletu do klejenia, aby powoli wytłaczać końcówki włókien.
  4. Przeciągnij włókna przez pasujące otwory w parach mosiężnych płytek wzorcowych.
  5. Przykręć płytki do pudełka do formowania. Upewnij się, że włókna nie są skręcone podczas mocowania płyt.
  6. Przeciągnij końcówki z włókna przez kołki stroikowe niestandardowej deski napinającej.
  7. Napręż włókna PLA do oporu. Uważaj, aby nie przeciągnąć i nie zatrzasnąć włókien.
  8. Usuń nadmiar cząstek stałych ze wzoru włókien za pomocą sprężonego powietrza.
  9. Wymieszać bazę polidimetylosiloksanu (PDMS) z utwardzaczem w stosunku 10:1, v:v.
  10. Odgazować mieszaninę w próżni w słoiku eksykatora przez 10 minut.
  11. Wlej mieszaninę PDMS do pudełka z formą. Nie wylewaj bezpośrednio na włókna, aby zmniejszyć zatrzymywanie się pęcherzyków powietrza.
  12. Za pomocą igły 26 G usuń wszelkie pęcherzyki w pudełku do formowania lub między włóknami.
  13. Mieszaninę PDMS utwardzać w temperaturze 85 °C przez 30 min.
  14. Odpiąć mosiężne płytki od skrzynki formy, uważając, aby nie zgiąć płytek ani nie ciągnąć zbyt mocno. Wyjmij utwardzony 1 stopień z pudełka na formę.
  15. Przeciągnij włókna przez nasadkę RTV, nakłuwając otwory w nasadce za pomocą igły podskórnej. W zależności od rozmiaru włókna użyj miernika igły, który ma co najmniej 2x średnicę wewnętrzną niż średnica zewnętrzna włókna. Zachowaj podobny wzór jak mosiężna płytka wzorzysta, ale szerzej rozłożona.
  16. Przymocuj zaślepki do końców większego pudełka na formę i wlej 2 stopień PDMS.
  17. Usunąć wszelkie pozostałe pęcherzyki gazu i utwardzić w temperaturze 85 °C przez 30 minut.
  18. Odciąć nadmiar włókien PLA z próbki i umieścić w piecu próżniowym w temperaturze 210 °C na 24 godziny lub do momentu, gdy włókna PLA zostaną w większości opróżnione.
  19. Jeśli nie można usunąć PLA, delikatnie rozpuść go w mikrokanalikach, wstrzykując 1 ml chloroformu.

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

Results

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

Ta procedura dostarcza metody wytwarzania struktur mikronaczyniowych osadzonych w żywicy. Struktury te mogą być zgodne z różnymi wzorcami (rysunek 2). Struktura sieci mikronaczyniowej jest ograniczona jedynie przez struktury, które mogą powstać z włókien protektorowych.

Korzystając z równoległego układu kanałów mikronaczyniowych, transport gazu między strumieniami płynów jest ułatwiony, ponieważ gazy przechodzą przez przepuszczalną membranę międzykanałową. Urządzenia te mogą b...

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

Discussion

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

Wprowadzenie katalizatora SnOx do włókien PLA pozwala na depolimeryzację włókien w niższej temperaturze. Zapobiega to degradacji żywicy zatapiającej, w tym przypadku PDMS. Do prawidłowego wymieszania roztworu do obróbki wymagane jest niestandardowe wrzeciono (rysunek 5A). Wrzeciono składa się z sześciu prętów nośnych otaczających centralny rdzeń, który jest przymocowany do miksera cyfrowego. Włókna są owinięte wokół prętów nośnych, dzięki czemu powierzchnia włókien owijających stykających się z roztworem...

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

Disclosures

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

Złożyliśmy wniosek o tymczasowy patent na tę technologię i patent amerykański U.S. Provisional Application Serial No. 61/590,086.

Acknowledgements

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

Ta praca była wspierana przez AFOSR Young Investigator Program w ramach FA9550-12-1-0352 oraz 3M Non-Tenured Faculty Award. Autorzy pragną podziękować Lalisie Stutts i Janine Tom za pomocną dyskusję dotyczącą tego projektu. Autorzy dziękują Centrum Mikroskopii i Spektroskopii Laserowej Calit2 na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine za umożliwienie korzystania z ich urządzeń. Hodge Harland i warsztat maszynowy UCI Physical Sciences są znani z produkcji narzędzi. Włókna kwasu poli(mlekowego) zostały obficie dostarczone przez 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
odczynnik
Szczawian cyny (II)Sigma-Aldrich402761
Disperbyk 130BYK Dodatki Instrumenty Trifluoroetanol
Halocarbon
Malachit Green (klasa techniczna)Sigma-AldrichM6880
Wodorotlenek sodu (≥ 98%, granulki)Sigma-AldrichS5881
Polidimetylosiloksan (PDMS)Dow Corning3097358-1004Dystrybuowane z Ellsworth Adhesives
Włókna kwasu poli(mlekowego)Teijin Monofilament
Materiał
RW 20 Mikser cyfrowyIKA3593001
SłoikeksykatoraPiekarnik próżniowy Pyrex
Fisher Scientific
Third HandJameco Electronics26690Uchwyt na talerz
Pistolet do klejenia StanleyGR20L
PLA WrzecionoWykonana na zamówienie
Płytazamówienie
napinająca na

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