Artykuł metodologiczny

Zalecany bezpośredni zapis 3D zawieszonych struktur włókien w skali mikronowej/submikronowej za pomocą zrobotyzowanego systemu dozowania

9.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/52834

⸱

12 czerwca 2015

 ,  , 
1Bioengineering Department, University of Louisville

W tym artykule

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania swobodnie zawieszonych, mikronowych/submikronowych włókien polimerowych i "pajęczynowych" struktur generowanych przez automatyczną procedurę bezpośredniego zapisu za pomocą 3-osiowego systemu dozowania.

Streszczenie

3-osiowy system dozowania jest używany do kontrolowania początkowych i końcowych pozycji i trajektorii włókien za pomocą oprogramowania dozującego. Długość i orientacja włókien polimerowych jest określana przez przestrzenne ustawienie 3-osiowych stolików systemu dozującego. Średnica włókna jest określana przez zalecany czas dozowania zaworu systemu dozowania, szybkość podawania (prędkość, z jaką stolik przechodzi z pozycji początkowej do końcowej), średnicę miernika końcówki dozującej, lepkość i napięcie powierzchniowe roztworu polimeru oraz zaprogramowaną długość ciągnienia. Szybkość podawania na etapie wpływa na szybkość parowania roztworu polimerowego i kapilarne rozpadanie się włókien. System dozowania składa się z pneumatycznego sterownika zaworu, zaworu dozującego krople i końcówki dozującej. Scharakteryzowanie procesu bezpośredniego zapisu w celu określenia optymalnej kombinacji czynników prowadzi do wielokrotnego uzyskiwania pożądanego zakresu średnic włókien. Zaletą tego zrobotyzowanego systemu dozowania jest łatwość uzyskania precyzyjnego zakresu włókien mikronowych/submikronowych w żądanej, zaprogramowanej lokalizacji za pomocą zautomatyzowanego sterowania procesem. W tym przypadku omówione samoorganizujące się struktury 3D w skali mikronowej/submikronowej zostały wykorzystane do wytwarzania konstrukcji zawieszonych w celu stworzenia mikronowych/submikronowych urządzeń płynnych i rusztowań bioinżynieryjnych.

Wprowadzenie

W ciągu ostatnich kilku dekad zastosowano szereg technik wytwarzania, takich jak przędzenie na mokro, przędzenie na sucho oraz elektroprzędzenie, w celu tworzenia nowoczesnych struktur z włókien polimerowych o zróżnicowanych i trwałych właściwościach biologicznych, chemicznych, elektrycznych i mechanicznych1-12. Chociaż techniki przędzenia te pozwalają na generowanie zawieszonych włókien trójwymiarowych, ich możliwości w zakresie precyzyjnej kontroli orientacji włókien w trzech wymiarach są ograniczone, ponieważ osadzanie włókien w tych procesach ma charakter przypadkowy. Ponadto techniki te są ograniczone pod względem zakresu wymiarowego wytwarzanych włókien; konkretnie, włókna produkowane metodą przędzenia na mokro i na sucho mają średnicę od dziesiątek do setek mikrometrów, podczas gdy elektroprzędzenie pozwala uzyskać włókna o średnicach od dziesiątek nanometrów do pojedynczego mikrometra13.

Aby zapewnić dokładniejszą kontrolę orientacji włókien w przestrzeni 3D, nasza grupa opracowała proces samoorganizującego się wytwarzania włókien metodą „zapisywania bezpośredniego” (direct-write), który polega na bezpośrednim wyrzucaniu materiału polimerowego z kapilary i późniejszym wyciąganiu poszczególnych filamentów, które cieńczą się i krzepną do przewidywalnych średnic włókien dzięki wykorzystaniu mechaniki płynów napędzanej napięciem powierzchniowym14. Nasz początkowy system zapisu bezpośredniego, służący do zwiększenia poziomu kontroli nad pozycją i średnicą włókien, składał się z wykonanego na zamówienie systemu dozującego z wykorzystaniem strzykawki z dociskiem sprężynowym, przymocowanego do głowicy specjalistycznej maszyny do mikrofrezowania o ultrawysokiej precyzji (Ultra-High Precision Micromilling Machine – UHPMM) (Rysunek 1). Maszyna UHPMM posiadała stół z rozdzielczością pozycjonowania 1,25 nm w kierunkach X i Y oraz 20 nm w kierunku Z, sterowany programowo w celu tworzenia drutów i struktur w skali mikronowej i submikronowej. Jednym z ograniczeń tego konkretnego systemu zapisu bezpośredniego był brak kontroli przepływu roztworu polimeru przez końcówkę igły. Chociaż system dozujący z dociskiem sprężynowym skutecznie generował stały przepływ przez końcówkę, na wylocie igły strzykawki tworzyła się stale powiększająca się sferyczna kropla roztworu polimeru, której rozmiar i objętość zmieniały się w zależności od warunków środowiskowych.

Układ spektroskopowy z mikroskopem do pomiaru wzbudzenia optycznego; sprzęt do analizy spektralnej.
Rycina 1. Obraz ultraprecyzyjnej maszyny do mikrofrezowania: pierwszy system zapisu bezpośredniego wykorzystany w wytwarzaniu struktur w skali mikro i submikronowej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Niespójność tej kropelki źródłowej wpłynęła na zdolność systemu do powtarzalnego wytwarzania drutów o określonej średnicy. Mimo że za pomocą tego procesu zapisu bezpośredniego udało się pomyślnie stworzyć struktury, udoskonalenie procesu poprzez zwiększenie kontroli nad przepływem roztworu polimeru pozwoliłoby na uzyskanie bardziej precyzyjnych, zadanych średnic włókien dzięki regulacji wielkości kropelki na końcówce strzykawki. W związku z tym niniejsza praca opisuje implementację zautomatyzowanego systemu dozowania 3-osiowego z pneumatycznie sterowanym zaworem dozującym, aby precyzyjnie kontrolować szybkość przepływu roztworu polimeru oraz wielkość kropelki na końcówce w celu tworzenia zadanych, mikronowych i submikronowych struktur zawieszonych.

Protokół

1. Przygotowanie sprzętu

  1. Zmontować system dozujący i podłączyć sterownik zaworu oraz cylinder strzykawki do źródła pneumatycznego poprzez regulator ciśnienia, ustawiając ciśnienie na 15 psi, aby dozować roztwór polimeru z końcówki igły z szybkością przepływu 2,45 µl/min.
  2. Umieścić robota 3-osiowego i system dozujący w obudowie termicznej, aby zapewnić stabilne środowisko pracy (Rysunek 2).
  3. Zainstalować oprogramowanie Joint-Robot Control Points (JR-C Points) dostarczone przez producenta systemu i podłączyć robota 3-osiowego do komputera za pomocą portu komunikacji szeregowej.
  4. Zamontować zawór dozujący do robota 3-osiowego i zainstalować końcówkę igły na zaworze.
  5. Wypoziomować płytę stołu robota zgodnie z wytycznymi producenta, aby zapewnić płaskość względem wysokości końcówki zaworu15.
  6. Zamontować w obudowie grzałkę z układem sprzężenia zwrotnego w celu wprowadzenia kontroli parametrów środowiskowych.

Konfiguracja 3-osiowego robota dozującego; obejmuje zawór, mikroskop oraz grzałkę sprzężenia zwrotnego do precyzyjnego dozowania cieczy.
Rysunek 2. (A) 3-osiowy robot dozujący z wymaganymi akcesoriami umieszczony w obudowie oraz (B) zbliżenie zaworu dozującego z przymocowanym mikroskopem USB do wizualizacji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

2. Materiały doświadczalne i czynniki kontrolne

  1. Czynniki kontrolne i ich kombinacja.
    1. Zmieniać prędkość posuwu od 1% prędkości (5 mm/sec) do 100% (500 mm/sec) za pomocą oprogramowania JR C-Points. W tej aplikacji zastosowano prędkość 2% (10 mm/sec) do wytworzenia struktur włókienstwowych przedstawionych w niniejszej pracy.
    2. Zmieniać stężenia roztworów polimerów, aby uzyskać specyficzne parametry lepkości, napięcia powierzchniowego i lotności wymagane dla danej aplikacji. W tej aplikacji zastosowano 24% roztwór polimetakrylanu metylu (PMMA) w chlorobenzenie do wytworzenia struktur włókienstwowych przedstawionych w niniejszej pracy.
    3. Zmieniać czas dozowania zaworu sterującego od 0,02 sec do 1 sec w celu wyrzutu roztworów za pomocą sprężonego powietrza. W tej aplikacji zastosowano czas 0,02 sec do wytworzenia struktur włókienstwowych przedstawionych w niniejszej pracy.
    4. Wybrać rozmiar (gauge) wysokoprecyzyjnych końcówek igieł do dozowania roztworów polimerów. W tej aplikacji zastosowano końcówkę 30 G (średnica wewnętrzna (ID) = 152.4 µm) do wytworzenia struktur włókienstwowych przedstawionych w niniejszej pracy.
    5. Ustawić zakres temperatury pracy od 70 °F do 100 °F w termicznie izolowanej komorze, aby utrzymać stałą szybkość parowania próbki polimeru. W tej aplikacji zastosowano temperaturę 70 °F do wytworzenia struktur włókienstwowych przedstawionych w niniejszej pracy.
  2. Przygotowanie roztworów polimerów.
    1. Wymieszać żywice polimerowe polimetakrylanu metylu (PMMA; 0.72 g) z rozpuszczalnikiem chlorobenzenem (2.28 g) w dygestorium chemicznym.
    2. Obliczyć masę polimeru (PMMA) i jego rozpuszczalnika (chlorobenzenu), aby osiągnąć pożądane stężenie polimeru w roztworze. W tej aplikacji zastosowano 24% roztwór polimetakrylanu metylu (PMMA) w chlorobenzenie do wytworzenia struktur włókienstwowych przedstawionych w niniejszej pracy.
    3. Umieścić odpowiednią ilość proszku/żywicy polimerowej w szklanej fiolce. W tej aplikacji zastosowano 0.72 g żywicy PMMA, aby uzyskać stężenie 24% PMMA.
    4. Przenieść rozpuszczalnik do polimeru w fiolce za pomocą pipety, aż do osiągnięcia całkowitej masy 3 g.
    5. Mieszać fiolkę przez 1 min za pomocą mieszadła wiroksowego i poddać procesowi ultradźwiękowemu przez 5 hr, aby całkowicie rozpuścić proszek/żywicę polimerową.
    6. Sprawdzić przejrzystość roztworów; jeśli próbka jest mętna lub nieprzezroczysta, kontynuować sonikację do uzyskania klarowności.
  3. Pomiar lepkości roztworów polimerów.
    1. Zmierzyć lepkość roztworów za pomocą wiskozymetru stożkowo-płytowego (np. LVDV-II+ i RVDV-II+)16.
    2. Napełnić 0.5 ml wzorca lepkości o znanej wartości (mieszanina gliceryny i wody) dostarczonego przez producenta wiskozymetru, aby skalibrować urządzenie i zminimalizować błędy pomiarowe. Producent dostarczył szereg próbek wzorcowych do kalibracji wiskozymetru. Użyć wzorca na bazie gliceryny o lepkości 100,000 cP.
    3. Podłączyć płaszcz wodny do wiskozymetru, aby utrzymać ciecz testową w stałej temperaturze pracy.
    4. Rozpocząć pomiar cieczy testowej, przełączając przełącznik On/Off w pozycję On, aby zainicjować obrót wrzeciona. Po ustabilizowaniu się wartości momentu obrotowego na panelu wyświetlacza, zapisać moment obrotowy i obliczyć końcowe lepkości, korzystając z zależności między momentem obrotowym, stałą mnożnika wrzeciona a prędkością obrotową wrzeciona16
      Równanie równowagi statycznej ηs=TK×SMC×(10000/RPM); schemat wzoru do analizy mechanicznej.
      gdzie ηs jest lepkością, RPM to prędkość obrotowa wrzeciona zamocowanego do stożka, TK to moment obrotowy (0.09373 dla LVDV-II+, 1 dla RVDV-II+), SMC to stała mnożnika wrzeciona, która zależy od konkretnego wrzeciona używanego podczas pomiaru lepkości. W tym badaniu użyto wrzeciona CP-52, które ma stałą mnożnika wrzeciona wynoszącą 9.83.
  4. Pomiar napięcia powierzchniowego roztworów polimerów.
    1. Metoda pomiarowa opiera się na technice Wilhelmyego.14
    2. Umieścić 1 ml roztworów testowych w szklanej fiolce na wadze o wysokiej rozdzielczości (rozdzielczość wagi = 0.001 g). Zanurzyć szklany pręt o znanej średnicy w roztworach testowych.
    3. Kontrolować pozycję pręta za pomocą serwo napędu lub liniowego aktuatora sterowanego krokowo, aby dotknął powierzchni i został częściowo zanurzony w roztworach testowych bez kontaktu.
    4. Monitorować i zapisywać zmianę pomiaru masy na wadze podczas wyciągania pręta z powierzchni roztworu.
    5. Obliczyć napięcie powierzchniowe na podstawie zmiany siły, obwodu pręta i kąta zwilżania cieczy na pręcie.
      Wzór na naprężenie, σ=F/(l·cosθ), równanie z fizyki, schemat badania równowagi statycznej.
      gdzie l jest zwilżonym obwodem pręta (l = 10.05 mm przy średnicy = 3.2 mm), θ to kąt zwilżania cieczy na pręcie, F to zmiana siły wynikająca z napięcia powierzchniowego cieczy testowej na końcówce pręta.
  5. Pomiar współczynnika przenoszenia masy roztworów.
    1. Zmierzyć współczynniki przenoszenia masy roztworów polimerowych za pomocą analizy termograwimetrycznej.14
    2. Nanieść 30 µl 24% (masowo) roztworu polimeru PMMA na platynową płytkę przed taryzowaniem wagi.
    3. Odpowietrzyć komorę, zaprogramować urządzenie na pracę w pożądanej temperaturze roboczej (70 °F) przez 2 hr, aby monitorować masę docelowych roztworów.
    4. Obliczyć współczynniki przenoszenia masy na podstawie zmian masy roztworu, powierzchni styku roztwór/powietrze oraz gęstości.
      Wzór na współczynnik absorpcji polimeru, χ = równanie 3; badanie optyczne, analiza materiałowa.

      gdzie m(t) jest masą roztworów PMMA, A jest powierzchnią styku roztwór/powietrze (wynosi 78.5 mm2 dla standardowej płytki), mPOLYMER jest masą polimeru w roztworze, a ρ jest gęstością roztworu.

3. Procedura eksperymentu bezpośredniego zapisu

  1. Protokół ładowania próbek do systemu dozującego.
    1. Napełnić cylinder strzykawki 3 ml roztworu polimeru, a następnie umieścić w nim tłok, aby wyeliminować nierównomierny rozkład ciśnienia pneumatycznego.
    2. Przykręcić adapter linii wlotowej do cylindra strzykawki i podłączyć go do rurki powietrznej linii zasilającej.
    3. Wybrać odpowiedni rozmiar (gauge) precyzyjnej igły do przeprowadzenia eksperymentu.
    4. Na panelu sterownika dozownika przełączyć urządzenie w stan płukania (purge) i kliknąć przycisk „cycle”, aby napełnić zawór dozujący roztworem polimeru, aż zostanie on wydalony z końcówki igły.
    5. Zetrzeć pozostałości roztworu polimeru z końcówki w celu przygotowania do zaprogramowanej procedury wypisywania włókien.
  2. Bezpośrednie wypisywanie włókien polimerowych za pomocą robota 3-osiowego i systemu dozującego.
    1. Wyznaczyć przesunięcie (offset) stołu robota, aby przesunąć końcówkę igły dozującej z domyślnej pozycji bazowej do punktu początkowego zaplanowanej mikro- lub submikronowej struktury włókien. Zamontować mikroskop USB (powiększenie = 200X) na uchwycie zaworu systemu dozującego, który przesuwa się wzdłuż osi Z. Ręcznie ustawić ostrość na końcówce dozownika, regulując pokrętło ostrości w mikroskopie USB, co ułatwi precyzyjne ustawienie końcówki zaworu w pożądanym miejscu, na przygotowanym podłożu lub urządzeniu.
    2. Utworzyć/zaprojektować pożądany wzór struktury włókien (Ryc. 3A, 4A i 5A) przy użyciu oprogramowania CAD. Wprowadzić współrzędne przestrzenne (x, y, z) do oprogramowania sterującego robotem JR-C dla wszystkich punktów początkowych i końcowych w kolejności sekwencyjnej, zgodnie z wzorem utworzonym w programie CAD (Ryc. 3B, 4B i 5B). 15
    3. Przesłać ukończony program projektu struktury włókien z komputera do robota, klikając „Send C&T Data” w menu Robot w oprogramowaniu JR-C15.
    4. Napełnić cylinder strzykawki 3 ml próbki roztworu PMMA o znanym stężeniu (24%), przepłukać zawór i igłę, a następnie ustawić wszystkie parametry dozowania w sterowniku zaworu i oprogramowaniu sterującym robotem.
    5. Umieścić przygotowane podłoże na stole robota i zamknąć drzwi obudowy termicznej, aby zapobiec przepływowi powietrza otoczenia, który może powodować niestabilne odparowywanie roztworu polimeru.
    6. Rozpocząć wypisywanie włókien na podłożu, klikając menu robota w oprogramowaniu JR-C i wybierając „test running”15.
    7. Wykonać napylanie DC warstwy przewodzącego złota przez 2 min, aż na wypisanych włóknach zostanie osadzona warstwa złota o grubości 2 nm, co umożliwi wizualizację włókien w skaningowym mikroskopie elektronowym.
    8. Zmierzyć średnicę i strukturę włókien za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego17. Parametry mikroskopu: napięcie przyspieszające: 2.00 kV; detektor: InLens, odległość robocza (Working Distance): 9.0 mm.
  3. Przeprowadzenie procedury czyszczenia systemu dozującego w dygestorium.
    1. Umieścić system dozujący w dygestorium w celu przeprowadzenia procedury czyszczenia.
    2. Zdemontować zawór igłowy zgodnie z protokołem producenta.
    3. Umieścić wszystkie metalowe części w zlewce i wlać do niej aceton, aż wszystkie elementy zostaną zanurzone.
    4. Umieścić zlewkę w kąpieli ultradźwiękowej na 30 min, aby usunąć wszystkie pozostałości polimeru.
    5. Opłukać wszystkie części pod bieżącą wodą dejonizowaną (DI), a następnie osuszyć je za pomocą pistoletu z powietrzem.

Równowaga statyczna, ΣFx=0, schemat, struktura kratownicy, analiza belek, metoda numeracji węzłów.
Rycina 3. (A) Przykład zaprojektowanej struktury sieciowej typu „quad” na ramie 10 mm x 10 mm, (B) sekwencyjne przestrzenne instrukcje punkt po punkcie do wprowadzenia do oprogramowania JR-C point. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Schemat siatki perspektywicznej ilustrujący punkty zbiegu i linie horyzontu dla metod rysowania 3D.
Rycina 4. (A) Przykład zaprojektowanej „symetrycznej” struktury sieci na ramce 10 mm x 10 mm, (B) sekwencyjne przestrzenne instrukcje punkt-punkt do wprowadzenia do oprogramowania JR-C point. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Równowaga statyczna; schemat kratownicy; ponumerowane węzły do analizy strukturalnej; zastosowanie edukacyjne.
Rycina 5. (A) Przykład zaprojektowanej struktury sieciowej typu „podwójny szewron” na ramie 10 mm x 10 mm, (B) sekwencyjne przestrzenne instrukcje punkt po punkcie do wprowadzenia do oprogramowania JR-C point. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wyniki

Zdjęcia rzeczywistych struktur wytworzonych za pomocą robota 3-osiowego i metody zapisu bezpośredniego dla każdego z odpowiednich projektów oraz algorytmów JR C-Point zdefiniowanych w rycinach 3-5A i B powyżej przedstawiono na rycinach 6A, 7A i 8A. Jak widać na otrzymanych obrazach, trójwymiarowe, swobodnie zawieszone włókna zostały pomyślnie „zapisane” na podłożach poprzez precyzyjne sterowanie końcówką dozownika do wyznaczonych lokalizacji przestrzennych, w tym do punktów początkowych/końcowych oraz punktów przecięcia. Wstawki na tych rycinach powiększają punkty przecięcia zawieszonych włókien, co demonstruje zdolność systemu do precyzyjnego kontrolowania orientacji włókien (ryciny 6B, 7B i 8B) w przestrzeni 3D.

Sieć krystaliczna, obraz mikroskopowy, powiększony szczegół strukturalny, badanie z zakresu inżynierii materiałowej.
Rysunek 6. (A) Obraz optyczny wykonanej zawieszonej struktury sieciowej typu „quad” posiadającej 2 włókna wspierające (przekątne) i 12 rozwidlonych włókien PMMA (powiększenie optyczne 15X; pasek skali = 1 mm), (B) obraz SEM pojedynczego rozwidlonego włókna (powiększenie 289X; pasek skali = 100 μm). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Analiza nanostruktury grafenu, obraz mikroskopowy; zaznaczone ścieżki elektronów, badanie materiału.
Rycina 7. (A) Obraz optyczny wykonanej „symetrycznej” zawieszonej struktury sieciowej posiadającej 1 włókno wspierające (poziome) i 11 rozwidlonych włókien PMMA (powiększenie optyczne 15X; pasek skali = 1 mm), (B) obraz SEM pojedynczego rozwidlonego włókna (powiększenie 107X; pasek skali = 100 μm). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Analiza struktury mikroskopowej; powiększony obraz sieci włókien; badanie materiałowe, technika mikroskopowa.
Rycina 8. (A) Obraz optyczny wykonanej zawieszonej struktury sieciowej o kształcie „podwójnego szewrona”, posiadającej 1 włókno wspierające (poziome) i 22 rozwidlone włókna PMMA (powiększenie optyczne 15X; pasek skali = 1 mm), (B) obraz SEM pojedynczego rozwidlonego włókna (powiększenie 80X; pasek skali = 100 μm). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 9 przedstawia zbliżenie sekwencyjnego, punktowego porządku wytwarzania włókien, przy którym robot 3-osiowy i system dozujący mogą generować swobodnie zawieszone struktury przypominające sieć. Punkty styku polimeru oznaczone numerami odpowiadają zaprogramowanym punktom początkowym i końcowym w oprogramowaniu JR-C, o których wspomniano na powyższej rycinie 3B. Strzałki reprezentują trajektorię robota. Rycina 10 przedstawia polimerowe włókna mikronowe i submikronowe, co demonstruje zdolność systemu zapisu bezpośredniego do wytwarzania przewodów o różnych rozmiarach.

Mikroskopia mikroprzepływów; schemat pokazuje ścieżki przepływu cieczy; układ eksperymentalny dla dynamiki płynów.
Rysunek 9. Obraz SEM ilustrujący sekwencyjną kolejność wytwarzania punkt po punkcie w celu wyciągnięcia polimerowych włókien mikro- i submikronowych (powiększenie 29X; pasek skali = 200 μm). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Obraz mikroskopowy wytwarzania nanodrutów, pokazujący wyrównanie włókien w procesie mikrotechnicznym.
Rycina 10. Obraz SEM włókien mikronowych (6,5 µm) i submikronowych (555 nm) wyciągniętych przy użyciu 20% roztworu polimeru PMMA (powiększenie 2,270X; pasek skali = 2 μm). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Długość i średnicę włókien polimerowych zmierzono za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej. Tabela 1 przedstawia średnią średnicę włókna dla każdej z unikalnych struktur zaprezentowanych powyżej na Rysunkach 6-8, w odniesieniu do włókien gałęzi rozwidlonych oraz włókien wspierających. Tabela 2 zawiera parametry polimeru zmierzone dla 24% roztworów PMMA, które zostały wykorzystane do wytworzenia opisanych powyżej struktur.

Średnica struktury w Rysunek 6Średnica struktury w Rysunek 7Średnica struktury w Rycina 8
Włókna wspierające 8.65 ± 1.43 µm9.39 ± 1.23  µm9.31 ± 1.65  µm
Włókna boczne20.96 ± 3.35 µm15.92 ± 1.44  µm12.24 ± 5.42  µm

Tabela 1. Średnie średnice zawieszonych włókien nośnych i bocznych przedstawione na rysunkach 6-8 dla 24% roztworu PMMA.

24% PMMA
Lepkość (Pa*s)35.19
Napięcie powierzchniowe (mN/m)262.01
Współczynnik przeniesienia masy (m/s)8,59 x 10-8

Tabela 2. Parametry polimerowe 24% roztworów PMMA, które zostały wykorzystane do wytworzenia struktur włókien zaprezentowanych w niniejszej pracy.

Dyskusja

Przed przystąpieniem do każdej próby bardzo ważne jest, aby dokładnie zmierzyć lepkość, współczynniki przenoszenia masy i test napięcia powierzchniowego roztworów polimerowych w celu określenia, czy robot i system dozujący są w stanie przetworzyć pożądany polimer. Jak opisaliśmy wcześniej przez naszą grupę, roztwory polimerowe muszą zachowywać odpowiednie: 1) napięcie powierzchniowe, aby umożliwić tworzenie ciekłych włókien w struktury mikronowe/submikronowe; 2) lepkość odporna na pękanie naczyń włosowatych; oraz 3) szybkość parowania w celu zwiększenia krzepnięcia włókien18. Synergia między tymi parametrami jest kluczowa do skutecznej produkcji włókien w określonym zakresie średnic. Jednocześnie niestabilność któregokolwiek z tych parametrów zapobiega tworzeniu się włókien w skali mikronowej/submikronowej. Aby utrzymać synergię między tymi parametrami podczas wytwarzania włókien, ważne jest, aby upewnić się, że iglica i zawór iglicowy są dokładnie oczyszczone po sesji bezpośredniego zapisu, aby zapobiec: 1) zanieczyszczeniu roztworu; 2) zmniejszenie natężenia przepływu roztworu polimeru przez igłę; oraz 3) nadmierny wzrost kulki polimerowej na końcu igły. Ponadto regulator temperatury na grzałce musi być ustawiony na żądaną temperaturę, aby utrzymać stałą szybkość parowania roztworu polimerowego.

Rozwidlone włókna rozgałęzione miały średnicę o 59%, 41% i 24% większą niż struktury wsporcze na rysunkach 6-8, odpowiednio, przy użyciu 24% roztworu PMMA. Wynika to przede wszystkim z odległości, na jaką rysowane są włókna. W szczególności konstrukcje wsporcze są rysowane na całej szerokości podłoża (10,0 mm w kierunkach X i Y; 14,4 mm po przekątnej). W rezultacie są to najdłuższe włókna z całości zawieszonych konstrukcji. Rozwidlone struktury rozgałęzień są znacznie krótsze, od maksymalnej długości 7 mm do 2,5 mm. Ta krótsza długość ciągnienia włókien nie indukuje skutecznie naprężenia włókien wymaganego podczas procesu przerzedzania włókien w celu wytworzenia włókien o małej średnicy. Z drugiej strony, druty o większej średnicy muszą służyć jako włókna nośne, aby skutecznie wytrzymać szarpanie i odkształcenia wywołane podczas procesu ciągnienia rozwidlonych gałęzi. Ponieważ gałęzie bifurkacji są przeciągane w poprzek włókien nośnych, może dojść do przebudowy geometrii włókien nośnych z powodu sił ciągnących, a także miejscowego rozpuszczenia polimeru PMMA na granicy między podporą a rozgałęzionymi włóknami z rozpuszczalnika obecnego w roztworze polimeru. W związku z tym w niektórych przypadkach włókna nośne mogą wymagać wytworzenia z roztworu polimerowego składającego się z polimeru o wyższym stężeniu w celu wytworzenia włókien o większej średnicy i mocniejszych mechanicznie.

Istnieją przede wszystkim trzy skuteczne metody modyfikacji istniejącego protokołu w celu wygenerowania szerszego zakresu podpór i rozgałęzionych średnic włókien: 1) początkowo dozuj polimer z większej końcówki igły (np. 25 G; ID = 254 μm), aby wytworzyć włókna podporowe, a następnie wymienić je na mniejszą końcówkę igły (np . 32 G; ID = 101,6 μm) do wytwarzania mniejszych rozgałęzionych włókien; 2) Jak wspomniano powyżej, należy stosować wiele stężeń polimerów; i/lub, 3) Dostosuj prędkość posuwu, tj . prędkość, z jaką przesuwa się stolik, gdzie zwiększenie prędkości posuwu daje włókna o mniejszej średnicy, a zmniejszenie prędkości posuwu tworzy włókna o większej średnicy. Do tej pory udało nam się z powodzeniem wyprodukować włókna o długości fali zaledwie 90 nm; Jednak uzysk błonnika w tym wymiarze jest niski ze względu na rozpad naczyń włosowatych.

Jednym z ograniczeń zautomatyzowanego procesu bezpośredniego zapisu jest to, że jednocześnie można dozować tylko jedno stężenie roztworu polimerowego. Ogranicza to poziom złożoności konstrukcji podwieszanych, które można opracować bez konieczności: 1) dodania drugiego zaworu dozującego do robota; lub 2) wyjąć istniejący zawór i wykonać protokół czyszczenia (sekcja 3.4) przed dozowaniem drugiego roztworu polimerowego, co zajmuje dodatkowy czas. Drugim ograniczeniem jest prędkość posuwu (lub prędkość drukowania), gdzie maksymalna prędkość posuwu, jaką system jest w stanie osiągnąć, wynosi 500 mm/s. Istnieje jednak kompromis między szybkością posuwu a tworzeniem włókien. W szczególności, jeśli siły bezwładności (siły wynikające z prędkości posuwu) są większe niż siły napięcia powierzchniowego i szybkość parowania roztworu polimerowego, tworzenie się włókien nie występuje. Z drugiej strony, jeśli prędkość posuwu jest zbyt niska, włókna będą pękać z powodu nadmiernego parowania przed i podczas procesu wydłużania. Po trzecie, wymiary światłowodu i konstrukcji są ograniczone do zakresu pracy stolika robota, tj . 200 mm, 200 mm i 25 mm (z dokładnością pozycjonowania 10 μm) odpowiednio w kierunkach x, y i z. Niemniej jednak proces ten umożliwia tworzenie włókien o wysokim współczynniku kształtu (długość włókna: średnica). Strategiczna zmiana rozmiaru końcówki dozującej i stężenia roztworu polimeru pozwoliłaby na uzyskanie szerszego zakresu średnic włókien, tworząc możliwość generowania swobodnie zawieszonych struktur o większej złożoności.

Postępując zgodnie z powyższymi protokołami, włókna polimerowe o średnicy mikronowej i submikronowej mogą być generowane z wysokim poziomem kontroli przestrzennej poprzez wykorzystanie mechaniki płynów roztworów polimerowych opartej na napięciu powierzchniowym, której nie można kontrolować za pomocą żadnych innych procesów mokrego, suchego lub elektroprzędzenia. Z wcześniejszych prac8,19 wiemy, że technika ta może być wykorzystana do wytwarzania skomplikowanych mikro/submikronowych urządzeń fluidalnych19 i rusztowań bioinżynieryjnych8. Ta tania i łatwa technika ma pod wieloma względami zalety w porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji strugarek.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca jest wspierana przez NSF-EPSCoR (grant #0814194) oraz Wydział Bioinżynierii.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
ROBOT DR2203N 3 OSIE 200MM X 200MM 200MMNordson EFD70231453-osiowy robot
CONTROLLER 7100, ZAWÓR DOZUJĄCYSterownik zaworuNordson EFD7015340
ZAWÓR MICRODOTZawór mikropunktowyNordson EFD7021233
ROBOT ACC PŁYTA MOCUJĄCA 200MMPłyta mocującaNordson EFD7028276
ROBOT ACC DRN / DSRN POINTS SOFTWAROprogramowanie Nordson EFD7023144JR-C
ZAWÓR DO MONTAŻU ROBOTA UNIWERSALNYNordson EFD7028273Microdot VALVE MOUNT
PRASA DO BECZEK 15 PSI. REGULATORNordson EFD7020585Zestaw regulatora lufy
o BRL/PIST 5CC CL/WH 40Beczki Nordson EFD70120965CC z tłokami
ADAPTER ASM O 5CC BLPneumatyczny adapter lufyNordson EFD7012054
KOŃCÓWKA 30GA .006X.25 LAVNDR 50PCKońcówka igły Nordson EFD701842430 gauge (długość 0,250")
Elektryczny grzejnik listwowy (500  W, długość 30 ")grzałkiCadet2F500
regulatoremczasowym130726596Regulator temperatury
eScope Mikroskop USBOiTezDP-M02200X Mikroskop USB
Poli(metakrylan metylu)Aldrich182265-500GPMMA w proszku
ChlorobenzenSigma Aldrich284513Rozpuszczalnik do rozpuszczania PMMA
Regulator temperatury z Firma

Bibliografia

  1. Andrew, K. E., Glenn, D. P., Simon, M. C., Dietmar, W. H. Combining Electrospun Scaffolds with Electrosprayed Hydrogels Leads to Three-Dimensional Cellularization of Hybrid Constructs. Biomacromolecules. 9 (8), 2097-2103 (2008).
  2. Cho, S. M., Kim, Y. J., Kim, Y. S., Yang, Y., Ha, S. -C. The application of carbon nanotube-polymer composite as gas sensing materials. Sensors. Proc. of IEEE. 2, 701-704 (2004).
  3. Xu, F., Horak, P., Brambilla, G. Optical microfiber coil resonator refractometric sensor. Optics Express. 15 (12), 7888-7893 (2007).
  4. Dalton, P. D., Joergensen, N. T., Groll, J., Moeller, M. Patterned melt electrospun substrates for tissue engineering. Biomed. Mater. 3 (3), 034109(2008).
  5. Hadjizadeh, A., Doillon, C. J., Vermette, P. Bioactive polymer fibers to direct endothelial cell growth in a three-dimensional environment. Biomacromolecules. 8 (3), 864-873 (2007).
  6. Xu, C. Y., Inai, R., Kotaki, M., Ramakrishna, S. Aligned biodegradable nanofibrous structure: a potential scaffold for blood vessel engineering. Biomaterials. 25 (5), 877-886 (2004).
  7. You, Y. M., Lee, B. L. eeS. J., Lee, T. S., Park, H. In vitro degradation behavior of electrospun polyglycolide, polylactide, and poly(lactide-co-glycolide). J. Appl. Polym. Sci. 95 (2), 193-200 (2005).
  8. Berry, S., et al. Endothelial cell scaffolds generated by 3D direct writing of biodegradable polymer microfibers. Biomaterials. 32 (7), 1872-1879 (2011).
  9. Dalton, A. B., et al. Super-tough carbon-nanotube fibres. Nature. 423, 703(2003).
  10. Dalton, A. B., et al. Continuous carbon nanotube composite fibers: properties, potential applications, and problems. J. Mater. Chem. , 1-3 (2004).
  11. Sperling, L. H. Introduction to physical polymer science. , Wiley. 325-347 (1992).
  12. Harfenist, S. A., et al. Direct drawing of suspended filamentary micro- and nanostructures from liquid polymers. Nano. Lett. 4 (10), 1931-1937 (2004).
  13. Yang, R. R., He, J. H., Xu, L., Yu, J. Y. Bubble-electrospinning for fabricating nanofibers. Polymer. 50 (24), 5846-5850 (2009).
  14. Berry, S., et al. Characterization and modeling of direct-write fabrication of microscale polymer fibers. Polymer. 52 (7), 1654-1661 (2011).
  15. Janome Desktop Robot JR2000N Series Operation Manual. , Janome Sewing Machine Co. Tokyo, Japan. (2007).
  16. Brookfield DV-II+ Programmable Viscometer Operating Manual, Manual No. M/97-164-B299. , Brookfield Engineering Laboratories. Middleboro, MA. (1999).
  17. Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. Scanning and transmission electron microscopy : an introduction. , W.H. Freeman. (1993).
  18. Berry, S. M., Pabba, S., Cohn, R. W., Keynton, R. S. Direct-Write Drawing of Carbon Nanotube/Polymer Composite Microfibers. J. Nanomater. 2012, 1-8 (2012).
  19. Berry, S. M., Roussel, T. J., Cambron, S. D., Cohn, R. W., Keynton, R. S. Fabrication of suspended electrokinetic microchannels from directly-written sacrificial polymer fibers. Microfluid. Nanofluid. 13, 451-459 (2012).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Proces zapisu bezpośredniegowytwarzanie włókien polimerowychwłókna mikronowe i submikronowestoliki trójosioweintegracja z oprogramowaniem CADsterowanie zaworem pneumatycznymkontrola lepkości roztworuoptymalizacja prędkości podawaniaskaningowa mikroskopia elektronowa
Zalecany bezpośredni zapis 3D zawieszonych struktur włókien w skali mikronowej/submikronowej za pomocą zrobotyzowanego systemu dozowania
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.