Artykuł metodologiczny

Mikroprzepływowa produkcja włókien polimerowych i biohybrydowych o wstępnie zaprojektowanym rozmiarze i kształcie

10.4K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/50958

⸱

8 stycznia 2014

 ,  ,  , 
1Center for Bio/Molecular Science & Engineering, US Naval Research Laboratory, 2Joint Department of Biomedical Engineering, North Carolina State University and University of North Carolina at Chapel Hill

W tym artykule

Podsumowanie

Dwa sąsiadujące ze sobą płyny przechodzące przez rowkowany kanał mikroprzepływowy mogą być skierowane tak, aby tworzyły osłonę wokół rdzenia prepolimerowego; określając w ten sposób zarówno kształt, jak i przekrój. Polimeryzacja inicjowana foto, taka jak chemia tiolowa, doskonale nadaje się do szybkiego zestalania płynu rdzeniowego w mikrofibrę o określonym rozmiarze i kształcie.

Streszczenie

Płyn "osłonowy" przechodzący przez kanał mikroprzepływowy o niskiej liczbie Reynoldsa może być kierowany wokół innego strumienia "rdzeniowego" i używany do dyktowania kształtu jak również średnicy strumienia rdzenia. Rowki w górnej i dolnej części kanału mikroprzepływowego zostały zaprojektowane tak, aby kierować płynem osłonkowym i kształtować płyn rdzeniowy. Dopasowując lepkość i hydrofilowość płynów osłonowych i rdzeniowych, Efekty międzyfazowe są zminimalizowane i można tworzyć złożone kształty płynów. Kontrolowanie względnych natężeń przepływu płynów w osłonie i rdzeniu określa pole przekroju poprzecznego płynu rdzeniowego. Włókna zostały wyprodukowane w rozmiarach od 300 nm do ~1 mm, a przekroje włókien mogą być okrągłe, płaskie, kwadratowe lub złożone, jak w przypadku włókien z podwójną kotwą. Polimeryzacja płynu rdzeniowego znajdującego się za obszarem kształtowania powoduje zestalenie włókien. Chemia inicjowana fotoinicjowanym klikiem doskonale nadaje się do szybkiej polimeryzacji płynu rdzeniowego poprzez napromieniowanie światłem ultrafioletowym. Włókna o szerokiej gamie kształtów zostały wyprodukowane z listy polimerów, w tym ciekłych kryształów, poli(metakrylanu metylu), żywic tiolowo-enowych i tiolowo-ynowych, glikol polietylenowy i pochodne hydrożelu. Minimalne ścinanie podczas procesu kształtowania i łagodne warunki polimeryzacji sprawiają, że proces wytwarzania dobrze nadaje się do enkapsulacji komórek i innych składników biologicznych.

Wprowadzenie

Rusztowania tkankowe1, materiały kompozytowe2, komunikacja optyczna3 i przewodzące materiały hybrydowe4 to obszary badań wykorzystujących specjalistyczne włókna polimerowe. Konwencjonalne metody wytwarzania włókien obejmują wytłaczanie ze stopu, przędzenie, ciągnienie, odlewanie i elektroprzędzenie. Większość włókien polimerowych wytwarzanych tymi metodami ma okrągłe przekroje powstałe w wyniku napięcia powierzchniowego między polimerem a powietrzem podczas wytwarzania. Jednak włókna o nieokrągłych przekrojach mogą poprawiać właściwości mechaniczne materiałów kompozytowych5,6, zwiększać stosunek powierzchni do objętości, kontrolować zwilżanie lub odprowadzanie wilgoci7 i być wykorzystywane jako falowody8 lub polaryzatory9.

Produkcja specjalistycznych włókien polimerowych przez systemy mikroprzepływowe wykorzystujące jeden strumień (przepływ osłony) do otoczenia i kształtowania innego strumienia (przepływ rdzenia) są atrakcyjne ze względu na łagodne warunki i zdolność do ciągłej produkcji wysoce powtarzalnych włókien. Początkowe eksperymenty pozwoliły na uzyskanie okrągłych włókien o rozmiarach zależnych od względnych natężeń przepływu prepolimeru i płynów osłonowych10-12. Odkrycie, że rowki w górnej i dolnej części kanału mikroprzepływowego mogą odchylać osłonę, tworząc z góry określony kształt dla strumienia rdzenia13,14, doprowadziło do opracowania technologii generowania bardziej złożonych kształtów włókien10-12,15-17.

Badacze NRL zademonstrowali następujące krytyczne cechy techniczne13-21:

  1. Do kierowania płynem osłonki w celu ukształtowania strumienia rdzenia można wykorzystać różne cechy kształtujące: rowki lub grzbiety mogą być skonfigurowane jako paski, szewrony lub jodełka.
  2. Zestaw narzędzi tych funkcji można zmapować do pożądanego wyniku przepływu.
  3. Mikrokanaliki można tworzyć przy użyciu technik litografii, formowania, frezowania lub drukowania. Materiały podłoża nie mogą rozpuszczać się ani ulegać erozji w roztworach prepolimerów lub osłon, a w przypadku polimeryzacji inicjowanej fotoinicjowaną warstwy zewnętrzne muszą być przezroczyste dla światła ultrafioletowego.
  4. Kształt utworzony przez pojedynczy zestaw elementów kształtujących może być zmieniany poprzez zmianę natężenia przepływu przez kanał. Symulacje przepływu płynów w mikrokanałach COMSOL Multiphysics są w stanie przewidzieć wynikowe kształty płynów i włókien.
  5. Dopasowanie lepkości i fazy (hydrofilowości) płynów osłonowych i rdzeniowych ma kluczowe znaczenie dla uniknięcia niestabilności typu wyboczenia, wynikającej ze zmian odkształcenia ścinającego na granicy faz płynu. Jeśli występuje duża lepkość lub niedopasowanie fazowe, może wystąpić wyboczenie lepkie, które może zdeformować ostateczny kształt włókna lub nawet zatkać mikrokanał.
  6. Włókna mogą być formowane przez odlewanie lub polimeryzację, ale polimeryzacja zapewnia większą kontrolę nad kształtem.
  7. Polimeryzacja (krzepnięcie płynu rdzeniowego) musi nastąpić przed wyjściem z mikrokanału. Jednak wolniejsza polimeryzacja w kanale może powodować wzrost lepkości, wpływając na kształt włókna, a nawet zatykając kanał. Czas i miejsce zdarzeń polimeryzacji muszą być dokładnie kontrolowane.
  8. Ze względu na szybką kinetykę reakcji, fotoindukowane polimeryzacje wolnorodnikowe, zwłaszcza chemia na bazie tioli, szczególnie dobrze nadają się do produkcji włókien.
  9. Względne natężenia przepływu można zmieniać podczas wytwarzania, aby uzyskać niejednorodne średnice włókien.
  10. Wiele grup funkcji kształtowania można zintegrować w jednym kanale z następujących powodów:
    1. Aby rozdzielić funkcje kształtowania i zmiany rozmiaru
    2. Do tworzenia włókien wielowarstwowych lub pustych w środku
    3. Do produkcji wielu włókien z jednego kanału mikroprzepływowego
  11. Mezogeny ciekłokrystaliczne włączone do polimeru w bardzo niskich stężeniach wykazują dwójłomność w świetle spolaryzowanym, co sugeruje, że cząsteczki polimeru mogą być ustawione wzdłuż osi włókien.
  12. Komórki mogą być włączone do biokompatybilnych prepolimerów hydrożelowych i przetrwać proces wytwarzania z wysoką żywotnością22.

Podczas wytwarzania włókien polimerowych za pomocą hydrodynamicznego ogniskowania przez strumień osłony w celu kształtowania strumienia prepolimeru, wybór materiałów polimerowych jest praktycznym pierwszym krokiem. Odpowiednie polimery, odpowiadające im substancje chemiczne inicjatorów i płyny osłonowe powinny być określone w ramach następujących wytycznych:

  1. Płyny polimerowe i osłonowe są mieszalne i mają podobną lepkość. Na przykład wodny roztwór monomeru może wykorzystywać wodę jako żywy płyn osłonowy, ale nie może wykorzystywać heksanu jako płynu osłonowego.
  2. Mechanizm polimeryzacji musi mieć wystarczająco szybką kinetykę, aby zestalić płyn rdzeniowy po uformowaniu i bezpośrednio przed wyjściem włókna z kanału.

Po wybraniu materiałów, należy zaprojektować mikrokanał do generowania pożądanego kształtu i rozmiaru włókna. Aby określić wymagane cechy kształtujące (paski, jodełki, szewrony), można wykorzystać oprogramowanie do obliczeniowej dynamiki płynów do przewidywania wzorców przepływu płynów. Elementy kształtujące transportują płyn osłonki wokół płynu rdzeniowego. Ogólnie rzecz biorąc, paski przesuwają płyn osłonkowy przez górną i dolną część kanału z jednej strony na drugą, podczas gdy jodełka i szewrony przesuwają płyn z boków w kierunku góry i/lub dołu kanału, a następnie z powrotem w kierunku środka kanału bezpośrednio pod punktem struktury. Liczba powtarzających się rowków w górnej i dolnej części kanału wpływa na stopień w którym kierowany jest płyn osłonki. Stosunek natężenia przepływu płynu rdzeniowego i osłonowego również pośredniczy w tym efekcie. Symulacje przeprowadzone przy użyciu oprogramowania COMSOL Multiphysics okazały się wiarygodne w ocenie interakcji cech kształtujących i stosunków natężenia przepływu w celu przewidywania kształtu przekroju poprzecznego. Symulacje te dostarczają również użytecznych informacji na temat dyfuzji substancji rozpuszczonych między rdzeniem a osłoną przy proponowanej wielkości kanału, lepkości i natężeniu przepływu.

Jeśli pożądany jest skomplikowany kształt, taki jak "podwójna kotwica" opisana w Boyd et al.23, przydatne jest rozdzielenie funkcji kształtowania i rozmiaru. Złożony kształt można utworzyć za pomocą jednego zestawu cech, a następnie strategicznie umieszczoną strukturę z pojedynczym rowkiem umieszczoną u wejścia drugiego strumienia poszycia można wykorzystać do zmniejszenia pola przekroju poprzecznego strumienia polimeryzującego bez znaczącej zmiany jego kształtu.

Kolejny przykład skomplikowanego projektowania mikrokanałów może generować wielowarstwowe włókna. W tym projekcie wprowadzane są sekwencyjne zestawy cech kształtujących i dodatkowe płyny do okładzin. Te koncentryczne przepływy mogą być zestalane w solidne włókna okładzinowe rdzenia lub puste rury. Przykład tego urządzenia zostanie przedstawiony poniżej.

Po wybraniu projektu urządzenia mikroprzepływowego, proces produkcji mikrokanałów może się rozpocząć. Narzędzia produkcyjne, które mogą być użyte, obejmują miękką litografię, frezowanie CNC, tłoczenie na gorąco i druk 3D. Niezależnie od użytych narzędzi, ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że cechy przypadkowo wprowadzone do ściany kanału mikroprzepływowego będą również kierować przepływem osłonki i mogą powodować wysoce powtarzalne odchylenia w kształcie przekroju poprzecznego wszystkich włókien wykonanych za pomocą tego urządzenia. Materiały podłoża mikrokanalikowe powinny być również starannie dobrane, aby były fizycznie wytrzymałe, chemicznie obojętne i odporne na uszkodzenia spowodowane promieniowaniem UV. Na przykład polidimetylosiloksan (PDMS) można łatwo odlewać, zapewnia uszczelki przypominające uszczelki i jest przezroczysty dla promieni UV; PDMS jest przydatny dla przezroczystej górnej części kanału, ale nie dla boków i dołu kanału, które wymagają większej sztywności.

Ostatecznie, poprzez wprowadzenie odpowiednio dobranych płynów rdzeniowych i osłonowych przy natężeniach przepływu przewidywanych przez symulacje dynamiki płynów, cechy kształtujące wygenerują odpowiedni profil płynu, a lampa utwardzająca UV utwardza zaprojektowane włókna polimerowe. Ciągłe wytłaczanie spolimeryzowanych włókien z kanału może zapewnić powtarzalne włókna o długościach ograniczonych jedynie objętością zbiorników płynu.

Protokół

Ten protokół opisuje wytwarzanie pustego włókna za pomocą fotoinicjowanej chemii tiolowo-ynowej. Mikrokanał ma rowki w jodełkę lub "paski" jako elementy kształtujące w dolnej i górnej części kanału (rysunek 1). Wprowadzane są trzy płyny, które są kierowane w koncentrycznych strumieniach; Od wewnętrznych do zewnętrznych strumieni płynów są one określane jako płyn rdzeniowy, okładzinowy i osłonowy. Tylko przepływ okładziny jest polimeryzowany, tworząc puste włókno. Wybrane materiały są następujące:

  1. Płyn rdzeniowy: PEG (MW = 400), ~100 mPa.s (20 ºC)
  2. Płyn okładzinowy: polimer tiolowo-ynowy (PETMP + ODY), inicjator (DMPA)
  3. Płyn osłonowy: PEG (MW = 400), ~100 mPa.s (20 ºC)

Urządzenie mikrokanałowe zostało złożone z części aluminiowych i plastikowych, wykonanych metodą frezowania CNC i odlewania PDMS. Przepływ przez mikrokanał był kontrolowany przez trzy pompy strzykawkowe.

1. Projektowanie i symulacja mikrokanału

Podczas obliczania zarówno prędkości płynu, jak i konwekcji/dyfuzji w mikrokanale, ważne jest przypisanie odpowiedniej lepkości każdemu napływającemu płynowi.

  1. Utwórz model komputerowy żądanego mikrokanału, który zostanie zaimportowany do oprogramowania do obliczeniowej dynamiki płynów (COMSOL). Przykład na rysunku 1 został wygenerowany za pomocą oprogramowania CAD Autodesk Inventor. Poniższe kroki odnoszą się do wykorzystania COMSOL Multiphysics do obliczania przepływu płynów w mikrokanale.
  2. Po zaimportowaniu zaprojektowanego mikrokanału do COMSOL, iteracyjne natężenia przepływu płynu mogą zostać wprowadzone do solwera Naviera-Stokesa.
    1. Zainicjuj ustawienia programu i wybierz Równania przepływu laminarnego 3D + konwekcji / dyfuzji. Niskie liczby Reynoldsa generowane w mikrokanałach umożliwiają pełny przepływ laminarny w urządzeniu.
    2. Zaprojektuj siatkę elementów skończonych, na której zostaną wykonane obliczenia numeryczne. Siatka powinna być bardziej dopracowana (mieć małe podziały) w obszarach, w których właściwości zmieniają się szybko. Sugeruje się dopracowanie siatki zarówno na etapie kształtowania, jak i na wyjściu do długości boku <1 μm. Zapewnia to "wyraźną" wizualizację interfejsu płynu rdzeń-osłonka.
    3. Właściwości materiału wejściowego dla przepływu płynu, tj. lepkość, stała dyfuzji i stężenie. W tym momencie należy również ustawić warunki brzegowe dla przepływu wyjściowego. Sugerujemy zerowe naprężenie lepkie, aby symulować otwarty wylot.
    4. Obliczanie badań prędkości przepływu płynu poprzez iteracyjne cykliczne przechodzenie przez szereg wejściowych natężeń przepływu. Na przykład płyn rdzeniowy = 7,5 μl/min, płyn w osłonie = 30 μl/min.
    5. Zaimportuj roztwory pola prędkości jako wartości początkowe, aby rozwiązać właściwości konwekcyjne/dyfuzyjne przepływu mikrokanałowego. Rozwiązanie problemów z konwekcją/dyfuzją zilustruje granicę faz płynu rdzeń-osłona i pomoże w przewidywaniu kształtu końcowego przepływu płynu i wytwarzanego włókna.

Na podstawie wyników obliczeń, można przewidzieć wymaganą liczbę i rodzaj cech kształtujących, aby osiągnąć pożądany kształt włókna. Dane wejściowe natężenia przepływu płynu będą również skorelowane z wymaganymi natężeniami przepływu do wytworzenia włókien. Dzięki tym przewidywaniom można wyprodukować urządzenie mikrokanałowe do wytłaczania włókien polimerowych.

2. Wytwarzanie elementów aparatury przepływowej

Kombinacja bezpośredniego mikromielenia, tłoczenia na gorąco i/lub odlewania polimerów może być użyta do stworzenia komponentów urządzenia do przepływu osłony. W zależności od zasobów wybierz odpowiednią strategię. Przedstawiony przykład to proces frezowania bezpośredniego, w którym wykorzystuje się komputerowy kod numeryczny (CNC). Do wykonania jest pięć warstw (od góry do dołu), które przedstawiono na rysunku 2: 1. Uchwyt wlotowy (aluminiowy), 2. Płytka mocująca (aluminiowa), 3. Górna warstwa mikrokanalików (cykliczny kopolimer olefiny, COC lub PDMS), 4. Dolna warstwa mikrokanałowa (COC lub polieteroeteroketon, PEEK), 5. Płytka mocująca (aluminiowa). (Przykładowe pliki do frezowania bezpośredniego są dostępne w formacie *.stl w informacjach dodatkowych)

  1. Korzystając z projektu zgodnego z symulacjami COMSOL, opracuj model 3D systemu za pomocą projektowania wspomaganego komputerowo (CAD). Utwórz osobny plik CAD dla każdej warstwy urządzenia.
  2. Gdy warstwa ma zostać wyprodukowana za pomocą bezpośredniego mikrofrezowania, zaimportuj modele CAD do aplikacji do obróbki wspomaganej komputerowo, aby wygenerować kod numeryczny (NC), który zostanie zinterpretowany przez frezarkę sterowaną numerycznie (CNC) w celu wyprodukowania urządzenia.
  3. Zdobądź 5 arkuszy warstw protektorowych o grubości co najmniej 3,2 mm × 30,5 cm o grubości 30,5 cm.
  4. Zdobądź po 1 arkuszu COC, PEEK, aluminium i poli(metakrylanu metylu) o grubości 30,5 cm × 30,5 cm i 3,2 mm.
  5. Zdobądź 1 arkusz aluminium o grubości 30,5 cm × 30,5 cm i 9,5 mm grubości.
  6. Przymocuj każdy z arkuszy w krokach 2.4-2.5 do arkusza materiału ofiarnego z kroku 2.3 za pomocą dwustronnego kleju. Upewnij się, że istnieje maksymalnie 2,5 cm zewnętrzne, niezaklejone oklejone obramowanie . Taśma służy do utrzymywania materiału roboczego na miejscu podczas frezowania i do jego ochrony, gdy frezowana część zostanie odcięta od materiału wyjściowego pod koniec cyklu frezowania.
  7. Przymocuj COC + materiał protektorowy do stołu frezarki CNC, załaduj narzędzia podane w kodzie numerycznym (NC) i skalibruj narzędzia i materiały magazynowe (robocze) w x, y i z.
  8. Załaduj kod NC i zmiel warstwę COC.
  9. Usuń arkusz materiału z młyna i ostrożnie usuń obrabianą część z podłoża. Podczas tego procesu chłodziwo młyna nasyci część i materiał. Dokładnie spłucz przed delikatnym wyjęciem części. Umyć łagodnym detergentem, a następnie umyć 70% alkoholem izopropylowym. Łagodny detergent usunie oleiste pozostałości, a alkohol usunie resztki kleju. Jeśli zadziory są uwięzione w mikroarchitekturze, może być konieczna sonikacja w celu ich usunięcia.
  10. Powtórz kroki 2.7 i 2.9 dla każdej z pozostałych warstw, które zostaną użyte do stworzenia urządzenia przepływu osłony.
  11. Z wyjątkiem warstwy PMMA, każda z warstw, które zostały przygotowane do tej pory, zostanie wykorzystana bezpośrednio w urządzeniu. PMMA zostanie użyty do przygotowania warstwy PDMS poprzez połączenie 10 części bazy Sylgard 184 z 1 częścią utwardzacza i dokładne wymieszanie przez mieszanie. Informacje te są podane w przypadku, gdy ktoś wolałby zastąpić jedną z warstw COC materiałem PDMS przypominającym uszczelkę.
  12. Wlej Sylgard 184 do przygotowanej wcześniej wnęki formy PMMA, upewniając się, że pęcherzyki powietrza zostały wyeliminowane. W razie potrzeby pęcherzyki można usunąć w próżni. PDMS można utwardzać w temperaturze pokojowej przez 48 godzin, 45 minut w temperaturze 100 °C, 20 minut w temperaturze 125 °C lub 10 minut w temperaturze 150 °C.

3. Zespół aparatury przepływowej

  1. Zamontuj urządzenie przepływowe osłony od dołu do góry, umieszczając jedną płytę mocującą na dole, następnie warstwę COC, a następnie drugą warstwę COC i pozostałą płytkę mocującą (Rysunek 2). Upewnij się, że rowki kształtujące są wyrównane ze sobą wzdłuż krawędzi kanału i że geometrie kształtowania płynów w warstwach COC idealnie na siebie zachodzą. Mikroskop preparacyjny może być użyty do pomocy w wyrównaniu.
  2. Włóż w poprzek środka urządzenia i ręcznie dokręć nakrętki i, aby clamp urządzenie razem.
  3. Na przemian od lewej do prawej od środka, powtórz krok 3.2 od środka na zewnątrz, aby zablokować wyrównanie i zapobiec wyciekom. Dodaj uchwyt wlotowy, gdy dojdziesz do jego otworów montażowych i kontynuuj montaż na przemian.
  4. Użyj standardowych złączek HPLC, aby połączyć urządzenie przepływu osłony z rurkami i strzykawkami, które zawierają płyn osłonowy i roztwór prepolimeru. Ręczne dokręcanie jest wystarczające dla wszystkich połączeń.
  5. Zamontuj urządzenie pionowo za pomocą stojaka pierścieniowego i clamp. Upewnij się, że urządzenie jest ustawione pionowo, używając poziomicy w najwyższej części. Jeśli urządzenie przepływowe osłony nie jest pionowe, włókno może dotykać ścianki mikrokanału i powodować zatkanie.
  6. Umieść źródło promieniowania UV prostopadle ~1 cm od powierzchni COC urządzenia przepływowego w osłonie tak, aby ostatnie 3-5 cm mikrokanału zostało napromieniowane. Źródło UV powinno być skalibrowane tak, aby dostarczało ~200 mW/cm2.

4. Przygotowanie roztworu

Jak wskazano wcześniej, wiele materiałów może być używanych do tworzenia mikrowłókien przy użyciu analogicznych protokołów i systemów przepływu osłon, ale tutaj stosuje się chemię tiolowo-ynową. Roztwór prepolimeru należy przygotować bezpośrednio przed rozpoczęciem procesu wytłaczania włókien, aby uniknąć wzrostu lepkości, który może wystąpić z czasem podczas przechowywania.

  1. Przygotować podwielokrotność glikolu polietylenowego 400 (PEG 400), która posłuży jako płyn osłonowy.
  2. Napełnij strzykawkę o pojemności 1 ml z końcówką Luer PEG 400, aby służyła jako niepolimeryzowalny płyn rdzeniowy, a 30 ml strzykawkę z końcówką Luer napełnij PEG 400, aby posłużył jako płyn w osłonce.
  3. Przygotować roztwór prepolimeru zawierający 0,01 mola pentaerytrytolu tetrakis 3-merkaptopropionian (PETMP) i 0,01 mola 1,7-oktadyny (ODY). Upewnij się, że oba składniki są dobrze wymieszane przez cały czas trwania eksperymentu, zminimalizuj narażenie wszystkich odczynników prepolimerowych na źródła światła UV, w tym światło otoczenia (np. owinąć strzykawki folią).
  4. Uzupełnić roztwór PETMP/ODY fotoinicjatorem 2,2-dimetoksy-2-fenyloacetofenonu (DMPA) o masie 4 x 10-4 mol. Kontynuuj upewnienie się, że roztwory są dobrze wymieszane i że nie są wystawione na działanie światła UV, przykrywając pojemniki folią aluminiową.
  5. Załaduj 5 ml strzykawki owiniętej folią aluminiową i końcówką Luer z roztworem prepolimeru.

5. Produkcja mikrofibry (główny temat filmu)

  1. Upewnij się, że wylot kanału mikroprzepływowego styka się z roztworem w kąpieli zbiorczej (rysunek 3). W przypadku złożonych struktur roztwór w kąpieli zbiorczej powinien być dopasowany lepkością do płynów rdzeniowych i osłonowych, ale w przypadku prostych pustych włókien wystarczająca jest woda.
  2. Ustaw pompy strzykawkowe z rdzeniem, okładziną i osłoną na infuzję odpowiednio z prędkością 1, 30 i 120 μl/min. Upewnij się, że strzykawki o odpowiednich średnicach zostały prawidłowo wprowadzone do pomp strzykawkowych.
  3. Zamontuj strzykawki w odpowiednich pompach strzykawkowych i podłącz je do urządzenia przepływowego osłony za pomocą rurki Tygon chroniącej przed promieniowaniem UV.
  4. Uruchom płyn osłonowy, aby zalać urządzenie przepływowe osłony i usunąć powietrze z układu. Przed przejściem do następnego kroku sprawdź wzrokowo mikrokanalik, upewniając się, że nie pozostały w nim pęcherzyki powietrza. Zwróć szczególną uwagę na paski. Mikroskop preparacyjny może być używany do pomocy w kontroli mikrokanałów. Jeśli obecne są pęcherzyki powietrza, porusz urządzenie, obracając i/lub delikatnie stukając podczas przepływu, aby wypłukać pęcherzyki powietrza z urządzenia.
  5. Uruchom płyn okładzinowy, pozwalając również na ustabilizowanie przepływu. Upewnij się, że w mikrokanaliku nie pozostały żadne pęcherzyki powietrza przed przejściem do następnego kroku. Zwróć szczególną uwagę na rowki kształtujące. Jeśli występują pęcherzyki powietrza, należy zamieszać urządzenie pod przepływem, aby wypłukać pęcherzyki powietrza z urządzenia.
  6. Na koniec uruchom płyn rdzeniowy; ponownie upewnij się, że w systemie nie ma pęcherzyków.
  7. Włącz źródło promieniowania UV i obserwuj, jak kąpiel zbiorcza zapewnia ciągłą produkcję pustej mikrofibry (Rysunek 4A), gdy jest ona wyrzucana wraz z płynem osłonowym. Pobrać włókno z kąpieli zbiorczej za pomocą zmodyfikowanej szpatułki lub pętli zaszczepiającej i pozwolić na zebranie ciągłego włókna na zmotoryzowanej szpuli (rysunek 3).

Wyniki

Do wytworzenia włókien kapilarnych zastosowano prostą konstrukcję dwustopniową, wykorzystującą rowki kształtujące i trzy wloty roztworów (Rycina 1). Symulacje w programie COMSOL posłużyły do określenia odpowiednich stosunków przepływów w celu uzyskania pożądanego rozmiaru przekroju poprzecznego (Rycina 1, film ESI). Komponenty zestawu do przepływu osłonowego służącego do wytwarzania włókien wykonano w technice frezowania i formowania (Rycina 2). Kompletny zestaw obejmował urządzenie do przepływu osłonowego, laser UV sprzężony z włóknem światłowodowym, trzy pompy strzykawkowe, kąpiel zbierającą (zlewkę) oraz szpulę do zbierania włókien (Rycina 3).

Polimeryzację materiału płaszcza zainicjowano za pomocą źródła światła UV, a włókna kapilarne były wytłaczane z mikrokanału do kąpieli zbierającej. Włókno tworzyło się i było zbierane w sposób ciągły aż do momentu wyłączenia światła UV. Produkcja włókien trwała kilka minut, w wyniku czego uzyskano pojedyncze włókno o długości ponad metr. Włókna wytworzone w tych warunkach miały średnicę około 200 µm. Strukturę włókien zbadano przy użyciu mikroskopii optycznej i elektronowej. Włókna miały owalny kształt z pustym rdzeniem. Wykorzystano zjawisko kapilarne, aby wprowadzić ciecz i pęcherzyki powietrza do wnętrza włókna, co potwierdziło, że pusta struktura jest ciągła na całej jego długości (Rysunek 4A).

Schemat urządzenia do przepływu osłonowego; dane z symulacji COMSOL; wytwarzanie włókien; stosunki rdzeń:płaszcz.
Rysunek 1. Projekt urządzenia do przepływu osłonowego i dane z programu COMSOL. Do produkcji włókna kapilarnego (obróconego o 45° wokół osi x) wybrano dwusekcyjne urządzenie do wytwarzania z prostymi rowkami. Symulacje COMSOL po lewej stronie pokazują, w jaki sposób stosunki przepływów rdzeń:płaszcz:osłona (liczby pod każdą symulacją) wpływają na końcowy rozmiar włókien kapilarnych. Przekrój poprzeczny mikrokanału wynosi 1 mm x 0,75 mm, a paski mają szerokość 0,38 mm i głębokość 250 µm. Paski są ustawione pod kątem ∠45° względem kanału.

Schemat rozłożony warstwowej konfiguracji optycznej z perforowanymi płytkami, oznaczone A-E, z naniesionymi wymiarami.
Rysunek 2. Widok rozłożony zespołu przepływu osłonowego. Od góry do dołu: (A) uchwyt wlotowy, (B) płytka mocująca, (C) pokrywa mikrokanału, (D) podstawa mikrokanału, (E) płytka mocująca. Komponenty wykonane są odpowiednio z aluminium, aluminium, COC (lub PDMS), COC (lub PEEK) oraz aluminium. Regularnie rozmieszczone otwory służą do montażu śrub.

Schemat i zdjęcie układu do elektroprzędzenia, produkcja włókien, roztwór polimeru, przyłożenie napięcia.
Rycina 3. Zdjęcie układu i schemat ogólny. Układ obejmuje zespół przepływu osłonki zamocowany pionowo nad zlewem z kąpielą wodną, laser światłowodowy do fotopolimeryzacji, trzy pompy strzykawkowe oraz wrzeciono do zbierania włókien polimerowych. Wstawka przedstawia zespół do wytwarzania z oświetleniem UV. (A) wloty osłonki i rdzenia, (B) kanał mikrofluidyczny, (C) światło UV, (D) zbiornik odbiorczy, (E) zbierane spolimeryzowane włókno.

Zdjęcia materiałów włóknistych pod mikroskopem pokazują strukturę, teksturę i morfologię w skalach mikro.
Rycina 4. Obrazy z mikroskopii optycznej i skaningowej elektronowej włókien wytworzonych za pomocą ogniskowania hydrodynamicznego. Za pomocą ogniskowania hydrodynamicznego wytworzono włókna o następujących kształtach: (A) rurki puste w środku, (B) wstążki prostokątne, (C) cienkie wstążki elastyczne, (D) trójkąty, (E) kształty fasolopodobne, (F) sznur pereł, (G) włókno okrągłe z zatopionym nanowłóknem węglowym oraz (H) kształt podwójnej kotwicy. Włókna wykonano z różnych materiałów, w tym z akrylanów, metakrylanów i tiol-enów.

Film ESI. Wykres przekroju (slice plot) wygenerowany w programie COMSOL Multiphysics, przedstawiający połowę mikrokanału, do którego wpływają ciecze rdzenia, płaszcza i osłony, przechodząc przez dwuetapowe ukośne rowki zmieniające przepływ. Symulowane natężenia przepływu rdzenia, płaszcza i osłony wynoszą odpowiednio 1, 28 i 256 µl/minodpowiednio. Wideo przedstawia ok. 6 s czasu rzeczywistego, spowolnionych 6-krotnie w celach ilustracyjnych.

Dyskusja

Wytwarzanie włókien polimerowych przy użyciu podejścia opartego na przepływie osłony ma wiele zalet w porównaniu z innymi technikami wytwarzania włókien. Jedną z tych zalet jest możliwość wytwarzania włókien przy użyciu różnych kombinacji odczynników. Chociaż tutaj przedstawiono konkretną kombinację tiol-yne, kilka innych kombinacji chemicznych tiolu (w tym tiol-len) działa równie dobrze. Do produkcji włókien można zastosować szeroką gamę innych kombinacji, o ile roztwór osłony miesza się z materiałem rdzenia, który ma być polimeryzowany. Inkluzje, takie jak nanowłókna, cząstki i komórki, są również możliwe, o ile weźmie się pod uwagę udział tych dodatków w lepkości roztworu prepolimeru.

Chemia tiolowa jest podzbiorem rodziny chemii kliknięć, w której kompleks z grupą tiolową może być kowalencyjnie przyłączony do kompleksu z grupą funkcyjną alkenową (wiązanie podwójne) lub alkinową (wiązanie potrójne) przez fotopolimeryzację światłem UV. Reakcje z udziałem alkenów nazywane są reakcjami tiol-en, a reakcje z udziałem alkinów nazywane są reakcjami tiol-yne. Jedno wiązanie pi (z alkenu lub alkinu) przyłączy się do jednego grupa tiolowa po napromieniowaniu światłem UV. Proces ten dobrze wpisuje się w rodzinę reakcji kliknięć i został skutecznie wykorzystany w naszym kanale mikroprzepływowym do produkcji włókien o różnych kształtach (np. okrągłe, w kształcie wstęgi, podwójnej kotwicy) z wielu składników wyjściowych tiolowych.

Szczególną zaletą opisanej tutaj metody w porównaniu z większością innych podobnych procesów jest możliwość kontrolowania zarówno kształtu, jak i rozmiaru wytwarzanych włókien (rysunki 4A-H). Projektując kanał tak, aby miał paski, szewrony lub jodełkę, wytworzone włókno będzie miało inny kształt przekroju poprzecznego. Ogólnie rzecz biorąc, paski są przydatne do tworzenia okrągłych kształtów lub do wprowadzania dodatkowych strumieni osłony, aby całkowicie otoczyć poprzednio ukształtowane strumienie i odsunąć je od ścian kanału przed polimeryzacją. Szewrony zmniejszają wymiar pionowy w środku kształtowanego strumienia, zachowując symetrię poziomą. Jodełka zmniejsza wymiar pionowy jednej strony kształtowanego strumienia, tworząc asymetrię. Te narzędzia do kształtowania można mieszać w niezliczonych kombinacjach. Liczba równoważnych cech (tj. 7 szewronów kontra 10 szewronów) może być również wykorzystana do produkcji włókien o różnych profilach przekroju.

Oprócz możliwości kontrolowania kształtu włókien, przedstawiona metodologia wytwarzania włókien daje również możliwość kontrolowania rozmiaru wytwarzanych włókien, nawet przy użyciu pojedynczego zespołu przepływu osłony (np. Rysunek 1). Regulacja stosunku natężenia przepływu osłony do rdzenia jest jednym ze sposobów wytwarzania włókien o różnych polach przekroju poprzecznego. Możliwe jest również kontrolowanie rozmiaru włókna poprzez dostosowanie projektu kanału tak, aby miał dodatkowe stopnie poszycia. #160; Niezależnie od tego, czy kształtowanie odbywa się w jednym czy kilku etapach, prosty etap końcowy może być wykorzystany do zmniejszenia rozmiaru rdzenia bez zmiany kształtu.

Łatwość, z jaką można wykorzystać wiele kombinacji odczynników do produkcji włókien o różnych kształtach i rozmiarach przy użyciu tej konstrukcji kanału mikroprzepływowego, okaże się przydatna w szerokim zakresie zastosowań, od inżynierii tkankowej, przez komunikację optyczną, po inteligentne tekstylia.

Oświadczenia

Patenty wymienione w piśmiennictwie są dostępne do licencjonowania w Departamencie Marynarki Wojennej (http://www.nrl.navy.mil/doing-business/tech-transfer/).

Podziękowania

Darryl A. Boyd i Michael A. Daniele są doktorantami National Research Council. Prace były wspierane przez jednostki robocze ONR/NRL 4286 i 9899. Poglądy są poglądami autorów i nie reprezentują opinii ani polityki Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych ani Departamentu Obrony.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Pentaerytrytol tetrakis 3-merkaptopropionianSigma-Aldrich381462Zobacz referencje
1.7-OctadiyneSigma-Aldrich161292Zobacz referencje
2,2-dimetoksy-2-fenyloacetofenonSigma-Aldrich196118Zobacz referencje
Glikol polietylenowy 400Sigma-Aldrich202398Glikol polietylenowy 200 lub 600, dekstroza, lub glicerol może być zastąpiony
Sylgard 184 Sigma-Aldrich761036QSIL 216, OptiTec 7020 lub GS RTV 615 mogą być zastąpione przez
Tabela wyposażenia specjalnego
MiniMillHaasMINIMILLKażdy kod NC interpretujący frezarkę o osi 2,5 (lub wyższej) można zastąpić
pompami strzykawkowymi (3)Aparatura Harvarda702212Pompy strzykawkowe, które można zaprogramować tak, aby dostarczały pożądane natężenia przepływu, można zastąpić
Rurka Tygon (3 m)Rurka Fisher Scientific14-169-13A
Rurka NA PEEKZłączki HPLC Upchurch Scientific1435NA
Lampa UVUpchurch Scientific1457
NA BlueWave 200 ze stojakiem i światłowodamiDymax38905; 38477; 39700Każde prowadzone źródło UV, które dostarcza 300-450 nm, >200 mW/cm2 można zastąpić
zlewką 500 mlFisher ScientificFB-100-600Można zastąpić dowolne naczynie o mniej więcej tej samej wielkości i kształcie
Stojak pierścieniowyFisher ScientificS47807Można zastąpić dowolny statyw pierścieniowy zdolny do zamontowania zaciśniętego aparatu przepływowego z osłoną powyżej poziomu pomp strzykawkowych
Stojak pierścieniowy clamp uchwyt (2)Fisher ScientificS02625Każdy stojak pierścieniowy clamp uchwyt zdolny do trzymania zacisków może zostać zastąpiony
Stojak pierścieniowy clamps (2)Fisher Scientific02-216-352Każdy stojak pierścieniowy clamp zdolny do utrzymania zaciśniętej osłony aparatu przepływowego i światłowodów może być zastąpiony
strzykawkami 1, 5 i 60 mlFisher Scientific14-823-16H; 14-823-16D; 14-820-11Każda strzykawka o znanej średnicy wewnętrznej i wystarczającej objętości może zostać zastąpiona
poli(metakrylanem metylu) (3,2 mm)McMaster-Carr8560K239Poliwęglan i cykliczny kopolimer olefin mogą być podstawione
Polieteroeteroket ketonowy (3,2 mm)McMaster-Carr8504K25Materiały odporne na rozpuszczalniki można zastąpić
aluminium (3,2, 9,5 mm)McMaster-Carr1651T41; 9246K23W razie potrzeby zastąp inne materiały

Bibliografia

  1. Khademhosseini, A., Langer, R., Borenstein, J., Vacanti, J. P. Microscale technologies for tissue engineering and biology. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 2480-2487 (2006).
  2. Blond, D., McCarthy, D. N., Blau, W. J., Coleman, J. N. Toughening of artificial silk by incorporation of carbon nanotubes. Biomacromolecules. 8, 3973-3976 (2007).
  3. Aykut, Y., Saquing, C. D., Pourdeyhimi, B., Parsons, G. N., Khan, S. A. Templating quantum dot to phase-transformed electrospun TiO(2) nanofibers for enhanced photo-excited electron injection. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 3837-3845 (2012).
  4. Puigmarti-Luis, J., Schaffhauser, D., Burg, B. R., Dittrich, P. S. A Microfluidic Approach for the Formation of Conductive Nanowires and Hollow Hybrid Structures. Adv. Mater. 22, 2255-22 (2010).
  5. Edie, D. D., Fox, N. K., Barnett, B. C., Fain, C. C. Melt-spun noncircular carbon-fibers. Carbon. 24, 477-482 (1986).
  6. Park, S. J., Seo, M. K., Shim, H. B. Effect of fiber shapes on physical characteristics of non-circular carbon fibers-reinforced composites. Mater. Sci. Eng. A Struct. 352, 34-39 (2003).
  7. Haile, W. A., Phillips, B. M. Deep grooved polyester fiber for wet lay applications. Tappi. 78, 139-142 (1995).
  8. Yamada, J. Radiative properties of fibers with non-circular cross sectional shapes. J. Quant. Spectrosc. Ra. 73, 261-272 (2002).
  9. Kopp, V. I., et al. Chiral fiber gratings. Science. 305, 74-75 (2004).
  10. Thangawng, A. L., Howell, P. B., Richards, J. J., Erickson, J. S., Ligler, F. S. A simple sheath-flow microfluidic device for micro/nanomanufacturing: fabrication of hydrodynamically shaped polymer fibers. Lab Chip. 9, 3126-3130 (2009).
  11. Thangawng, A. L., Howell, P. B., Spillmann, C. M., Naciri, J., Ligler, F. S. UV polymerization of hydrodynamically shaped fibers. Lab Chip. 11, 1157-1160 (2011).
  12. Thangawng, A. L., et al. A hard microflow cytometer using groove-generated sheath flow for multiplexed bead and cell assays. Anal. Bioanal. Chem. 398, 1871-1881 (2010).
  13. Mott, D. R., Howell Jr,, B, P., Obenschain, K. S., Oran, E. S. The Numerical Toolbox: An approach for modeling and optimizing microfluidic components. Mech. Res. Commun. 36, 104-109 (2009).
  14. Mott, D. R., et al. Toolbox for the design of optimized microfluidic components. Lab Chip. 6, 540-549 (2006).
  15. Howell Jr,, B, P., Ligler, F. S., Shields, A. R. Sheath fow device and method. United States patent US20110193259. , (2011).
  16. Howell, P. B., Ligler, F. S., Shields, A. R. Creating sheathed flow for applications e.g. particle counting, by introducing sheath and core streams at proximal end of channel that creates multiple sheathed flows, and polymerizing multiple sheathed flows to form multiple fibers. United States patent US2011193259-A1. , (2009).
  17. Mott, D., Howell Jr,, B, P., Ligler, F. S., Fertig, S., Bobrowski, A. Sheath flow device and method. United States patent US20090208372. , (2009).
  18. Daniele, M. A., et al. Rapid and continuous hydrodynamically controlled fabrication of biohybrid microfibers. Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2012).
  19. Howell, P. B., Mott, D., Golden, J. P. Numerical toolbox for design of fluidic components and systems. United States patent US20080221844. , (2008).
  20. Shields, A. R., et al. Hydrodynamically directed multiscale assembly of shaped polymer fibers. Soft Matter. 8, 6656-6660 (2012).
  21. Boyd, D. A., Shields, A. R., Naciri, J., Ligler, F. S. Hydrodynamic shaping, polymerization, and subsequent modification of thiol click fibers. ACS Appl. Mater. Inter. 5, 114-119 (2012).
  22. Daniele, M. A., et al. Rapid and Continuous Hydrodynamically Controlled Fabrication of Biohybrid Microfibers. Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2013).
  23. Boyd, D. A., Shields, A. R., Howell, P. B., Ligler, F. S. Design and fabrication of uniquely shaped thiol-ene microfibers using a two-stage hydrodynamic focusing design. Lab Chip. 13, 3105-3110 (2013).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

W kna polimeroweurz dzenie do przep ywu os onowegopolimeryzacja UVmikro w kna kapilaryjnerowki kszta tuj ce strumieprzep yw rdzenia i p aszczaroztw r PEG 400ywica tiolowa enowa
Mikroprzepływowa produkcja włókien polimerowych i biohybrydowych o wstępnie zaprojektowanym rozmiarze i kształcie
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.