Artykuł metodologiczny

Technika wytwarzania przyrostowego do łatwego i szybkiego wytwarzania mikromaszyn na bazie hydrożelu z komponentami reagującymi magnetycznie

10.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/56727

⸱

18 lipca 2018

 ,  ,  , 
1Molecular Engineering Laboratory, Biomedical Sciences Institute, Agency for Science Technology and Research, 2Department of Biomedical Engineering, Columbia University

W tym artykule

Podsumowanie

Opracowano strategię wytwarzania przyrostowego do przetwarzania hydrożeli sieciowanych UV. Strategia ta pozwala na montaż warstwa po warstwie mikroprefabrykowanych struktur hydrożelowych, a także na montaż niezależnych komponentów, co pozwala na uzyskanie zintegrowanych urządzeń zawierających ruchome elementy, które reagują na aktywację magnetyczną.

Streszczenie

Hydrożele na bazie glikolu polietylenowego (PEG) są biokompatybilnymi hydrożelami, które zostały zatwierdzone do stosowania u ludzi przez FDA. Typowe hydrożele na bazie PEG mają prostą monolityczną architekturę i często funkcjonują jako materiały rusztowania do zastosowań w inżynierii tkankowej. Bardziej wyrafinowane konstrukcje zazwyczaj zajmują dużo czasu i nie zawierają ruchomych elementów. Protokół ten opisuje metodę fotolitografii, która pozwala na łatwą i szybką mikrofabrykację struktur i urządzeń PEG. Strategia ta obejmuje opracowany przez nas etap produkcji, który pozwala na szybkie wytwarzanie struktur 3D poprzez budowanie w górę warstwa po warstwie. Niezależne ruchome elementy można również ustawiać i montować na konstrukcjach wsporczych, tworząc zintegrowane urządzenia. Te niezależne komponenty są domieszkowane superparamagnetycznymi nanocząstkami tlenku żelaza, które są wrażliwe na uruchamianie magnetyczne. W ten sposób wyprodukowane urządzenia mogą być uruchamiane za pomocą zewnętrznych magnesów, aby zapewnić ruch komponentów wewnątrz. W związku z tym technika ta pozwala na wytwarzanie wyrafinowanych urządzeń podobnych do MEMS (mikromaszyn), które są wykonane w całości z biokompatybilnego hydrożelu, mogą działać bez pokładowego źródła zasilania i reagować na bezdotykową metodę uruchamiania. Niniejszy manuskrypt opisuje wytwarzanie zarówno zestawu produkcyjnego, jak i metodę krok po kroku mikrowytwarzania tych urządzeń podobnych do MEMS na bazie hydrożeli.

Wprowadzenie

Urządzenia MEMS znalazły wiele zastosowań, zwłaszcza w dziedzinie urządzeń medycznych. Chociaż zapewniają one wiele dodatkowych funkcji, a zminiaturyzowany charakter tych urządzeń sprawia, że są one atrakcyjne do użytku jako implanty1,2,3, urządzenia te często mają nieodłączne problemy z bezpieczeństwem i biokompatybilnością, ponieważ składają się z materiałów, które mogą być szkodliwe dla ludzkiego ciała (np. metale, baterie itp.)4,5,6. Hydrożele na bazie PEG są płynnymi, spęczniałymi sieciami polimerowymi i są często używane do zastosowań takich jak rusztowania inżynierii tkankowej, głównie ze względu na ich wysoką biokompatybilność7,8. Hydrożele na bazie PEG zostały również zatwierdzone przez FDA do stosowania u ludzi9,10,11. Jednak ze względu na właściwości materiałowe hydrożelu nie wytrzymują one łatwo normalnych procesów produkcyjnych, takich jak techniki stosowane w typowej mikroprodukcji na bazie krzemu. W związku z tym konstrukcje oparte na hydrożelu są zwykle ograniczone do prostych architektur monolitycznych. Obecne wysiłki w zakresie mikrowytwarzania hydrożeli zaowocowały strukturami o cechach mikronów; Jednak te struktury są często wykonane z jednej warstwy i jednego materiału12,13 i nie mają ruchomych komponentów14,15,16.

W poprzedniej pracy opisujemy strategię wytwarzania mikromaszyn, które są całkowicie wykonane z biokompatybilnego materiału hydrożelowego na bazie PEG17. Elementy o rozmiarach mikronowych można łatwo wytwarzać za pomocą metody fotolitografii, a struktury te można budować w górę metodą warstwa po warstwie, co jest możliwe dzięki precyzyjnemu ruchowi osi z podłoża, na którym polimeryzowane są hydrożele. Hydrożele o różnych składach mogą być wytwarzane obok siebie. Dodatkowo urządzenia te posiadają ruchome elementy, które mogą być uruchamiane za pomocą zewnętrznego magnesu. Ta wszechstronna technika nadaje się również do przetwarzania dowolnego miękkiego materiału lub hydrożelu, który jest fotopolimeryzowalny. W związku z tym technika ta doskonale nadaje się do wytwarzania wyrafinowanych urządzeń podobnych do MEMS, składających się w całości z hydrożeli.

Protokół

1. Etap produkcji

  1. Zmontuj zestaw produkcyjny (Rysunek 1) składający się z zbudowanej we własnym zakresie sceny i komory PDMS, w której polimeryzowane są składniki hydrożelowe. Etap produkcyjny składa się z akrylowego blatu, w którym ścieżki i kanały zostały obrobione, aby umożliwić połączenia próżniowe, uchwytu do mocowania głowicy mikrometrycznej w stoliku z funkcją podciśnienia oraz gwintowanych stalowych słupków, które umożliwiają przymocowanie całego stopnia do stalowej podstawy w celu stabilizacji.
  2. Zamocuj głowicę mikrometru za pomocą elementu akrylowego, który jest obrobiony tak, aby miał ścieżki do podłączenia próżniowego. Przyłącza próżniowe pozwalają użytkownikowi przytrzymać komorę PDMS, a także przesuwać elastyczną membranę w komorze PDMS.
  3. Umieścić źródło światła UV (320 - 500 nm) powyżej etapu produkcyjnego w taki sposób, aby kąt padania światła był prostopadły do płaszczyzny poziomej stolika (rysunek uzupełniający 1).

2. Produkcja komory PDMS i określanie jej poziomu "zerowego"

  1. Wykonaj komorę PDMS, w której hydrożele będą polimeryzowane (patrz Rysunek 1A, komora PDMS). Komora ta składa się ze studzienki PDMS z elastyczną membraną, do której przyklejone jest szklane szkiełko nakrywkowe. Szklane szkiełko nakrywkowe, które jest połączone z elastyczną membraną PDMS, jest poddawane dalszej obróbce, aby zapobiec przywieraniu hydrożeli (krok 2.1.7).
    1. Przygotuj 9-częściową bazę PDMS na 1 część mieszaniny utwardzacza (wagowo).
    2. Dobrze wymieszaj szklaną pałeczką, aby upewnić się, że baza i utwardzacze są dobrze wymieszane. Odwirować przy 1 000 x g w celu usunięcia pęcherzyków powietrza.
    3. Ostrożnie wlej mieszaninę PDMS do dwóch szklanych szalek Petriego, aby uzyskać grubą warstwę (~3 mm) i cienką warstwę (~0,2 mm). Umieść szalki Petriego wypełnione PDMS na płaskiej, równej powierzchni i utwardzaj przez noc w temperaturze pokojowej lub przez 30 minut w piekarniku o temperaturze ustawionej na minimum 75 °C.
      UWAGA: Cienka warstwa PDMS jest wymagana do podstawy komory PDMS, ponieważ zapewnia ona wytwarzanie elastycznej warstwy, którą można łatwo przesuwać w kierunku z za pomocą mikrometrycznego sprawdzianu śrubowego. Warstwy PDMS muszą być płaskie i równe, aby zapewnić jednolitą grubość warstw spolimeryzowanego hydrożelu.
    4. Po całkowitym utwardzeniu PDMS wytnij okrąg o średnicy 4 cm w grubej warstwie za pomocą ostrza skalpela lub scyzoryka. Oderwij grubą warstwę PDMS od szklanej szalki Petriego. Umieść grubą warstwę PDMS (od dołu do góry) i cienką warstwę PDMS (nadal na szklanej szalce Petriego) w piecu plazmowym.
    5. Plazma traktuje dwie warstwy PDMS (30 s, plazma powietrzna) i łączy dolną stronę grubej warstwy PDMS z górną stroną cienkiej warstwy PDMS. Usuń połączone kawałki ze szklanej szalki Petriego, aby utworzyć okrągłą studzienkę, której cienka warstwa tworzy elastyczną podstawę membrany.
      UWAGA: Przed usunięciem połączonych warstw ze szklanej szalki Petriego, dwie połączone warstwy można umieścić na płycie grzejnej w temperaturze 95 °C, aby zachęcić do sklejania warstw.
    6. Plazmowo przymocuj szklane szkiełko nakrywkowe (nr 2, 22 mm x 22 mm) do górnej strony elastycznej membrany PDMS; potraktuj plazmowo zarówno szklane szkiełko nakrywkowe, jak i komorę PDMS z kroku 4 przez 30 s (plazma powietrzna) i umieść szklane szkiełko nakrywkowe w kontakcie z górną stroną elastycznej podstawy membrany, aby przymocować je do membrany.
    7. Silanizować parowo komorę PDMS trichloro(1H, 1H, 2H, 2H -perfluorooktylo)silan (PFOTS) przez co najmniej 30 minut; umieścić komorę PDMS w eksykatorze próżniowym wraz z małą szalką Petriego z 60 μl PFOTS i podłączyć szczelnie zamknięty eksykator do centralnego laboratoryjnego systemu próżniowego. Pozostawić eksykator podłączony do układu próżniowego na co najmniej 30 minut.
      1. Upewnij się, że wytworzyło się uszczelnienie próżniowe eksykatora i że kropla PFOTS "bąbelkuje" po 5 - 10 minutach. Silanizacja parowa komory PDMS pozwala na łatwe usuwanie powstałych warstw hydrożelu oraz zapobiega silnemu przywieraniu spolimeryzowanych hydrożeli PEG do powierzchni szkła po długotrwałym użytkowaniu.
  2. Aby określić poziom "zerowy" komory PDMS, należy umieścić ją na stoliku z funkcją podciśnienia (podłączonym do laboratoryjnego systemu centralnego odkurzania).
    1. Zastosuj podciśnienie, aby przytrzymać komorę PDMS w dół. Struktury hydrożelowe PEG zostaną spolimeryzowane w tej komorze PDMS (Rysunek 1A, obszar produkcji).
    2. Umieść nieobrobione szkło nakrywkowe na górze komory PDMS tak, aby przykryło studzienkę. Odległość między szkiełkiem nakrywkowym ze szkła górnego (podłoże górne) a szkiełkiem nakrywkowym ze szkła dolnego (podłoże dolne) określa grubość warstwy hydrożelu, która tworzy się w komorze PDMS.
    3. Za pomocą głowicy mikrometrycznej popchnij dolne podłoże do góry, aż zetknie się z górnym podłożem. Użyj odczytu na głowicy mikrometru jako poziomu "zerowego" komory PDMS oraz jako odniesienia przy określaniu grubości warstw spolimeryzowanego hydrożelu.

3. Projekt fotomaski do fotopolimeryzacji mikrostruktur hydrożelowych

  1. Aby zaprojektować fotomaski, użyj oprogramowania CAD.
  2. Zaprojektuj każdą unikalną warstwę struktury hydrożelu, która ma zostać wyprodukowana. Zapoznaj się z Rysunek 2 przedstawia przykładowe urządzenie wyprodukowane przy użyciu tego protokołu. Rysunek 2 pokazuje schemat 3D tego urządzenia, odpowiadające im warstwy do wykonania, a także fotomaski, które zostały zaprojektowane do produkcji tych pojedynczych warstw.
  3. Zaprojektuj fotomaski w ciemnym polu; cechy przeznaczone do polimeryzacji powinny być przezroczyste, a tło nieprzezroczyste (Rysunek 2C, Rysunek uzupełniający 2).
  4. Uwzględnij znaczniki wyrównania w projektach fotomasek, aby ułatwić wyrównanie fotomasek podczas procesu wytwarzania.
  5. Drukuj projekty jako przezroczyste maski fotograficzne w najwyższej dostępnej rozdzielczości i przy dużej gęstości pikseli.

4. Obróbka szkiełek nakrywkowych w celu zapobiegania przywieraniu hydrożeli

  1. Aby stworzyć powierzchnie, które odpychają spolimeryzowane hydrożele PEG, szklane szkiełka nakrywkowe są pokryte cienką warstwą PDMS.
  2. Przygotować PDMS (stosunek zasady do utwardzacza 9:1) i odwirować przy 1,000 x g, aby usunąć pęcherzyki powietrza.
  3. Nałożyć cienką warstwę PDMS na oczyszczone szklane szkiełka nakrywkowe i pozostawić do utwardzenia na płaskiej, równej powierzchni w piekarniku (>75 °C, 30 min).

5. Produkcja hydrożeli warstwa po warstwie: górna warstwa uszczelniająca i dolne struktury nośne

  1. Aby utworzyć warstwę hydrożelu, która zostanie następnie użyta do uszczelnienia uformowanego urządzenia, należy użyć nieobrobionego kawałka szklanego szkiełka nakrywkowego (nr 2) jako "pokrywy" komory PDMS. Ta "pokrywa" jest określana jako górne podłoże.
    1. Zaczynając od poziomu "zerowego" urządzenia, opuść dolne podłoże za pomocą głowicy mikrometrycznej na żądaną wysokość. Odległość między górnym i dolnym podłożem określa grubość pierwszej warstwy hydrożelu (Z1, Rysunek 3A).
    2. Zdeponować niewielką objętość prepolimeru PEGDA (np. mieszaninę 400Da PEGDA z 1% Darocur 1173), wystarczającą do pokrycia dolnego podłoża.
    3. Umieść górne podłoże na komorze PDMS.
      UWAGA: Ważne jest, aby upewnić się, że między górnym i dolnym podłożem nie ma pęcherzyków powietrza.
    4. Umieść fotomaskę z pożądanym wzorem na wierzchu górnego podłoża (Rysunek 2C (i)). Upewnij się, że maska jest w pełnym kontakcie z górnym podłożem i jest wyrównana z dolnym podłożem.
    5. Wystaw prepolimer hydrożelu na działanie światła UV przez fotomaskę (Krok 1, Rysunek 3A). Upewnij się, że ekspozycja odbywa się w zamkniętej przestrzeni, która zapobiega ekspozycji na rozproszone światło UV w otoczeniu.
      Ostrzeżenie: Podczas obsługi systemu należy nosić ochronę przed promieniowaniem UV (np. gogle UV).
      UWAGA: Moc i czas trwania ekspozycji zależy od rodzaju zastosowanego systemu UV i prepolimeru PEGDA.
    6. Na przykład dla lampy UV o mocy 200 W i 99% roztworu prepolimeru PEGDA (400 Da PEGDA z 1% fotoinicjatorem (v/v)) należy ustawić moc lampy na 16% (co odpowiada ~2,3 W/cm2) i całkowicie utwardzić hydrożele w ciągu 4 sekund. Czas ekspozycji powinien być wydłużany wraz ze zmniejszaniem mocy lampy i zwiększaniem długości łańcucha PEG zastosowanego prepolimeru.
    7. Po polimeryzacji warstwy hydrożelu należy zdjąć górne podłoże z komory PDMS. Spolimeryzowaną warstwę należy przykleić do górnego podłoża (wstawka dla Kroku 1, Rysunek 3A). Zarezerwuj tę przylegającą warstwę do późniejszego wykorzystania w celu uszczelnienia zmontowanego urządzenia. Osłoń tę spolimeryzowaną warstwę przed światłem.
      UWAGA: Trzymaj tę spolimeryzowaną warstwę z dala od światła i wilgoci z nadmiarem nieusieciowanego prepolimeru, aby zapobiec wysychaniu i pękaniu warstwy.
  2. Do wykonania dolnych konstrukcji wsporczych należy użyć szkiełek nakrywkowych powlekanych PDMS jako górnego podłoża komory PDMS.
    1. Umieść więcej prepolimeru hydrożelowego na dolnym podłożu i dobrze przykryj PDMS szklanym szkiełkiem nakrywkowym pokrytym PDMS. Ma to na celu zapewnienie, że spolimeryzowane warstwy pozostaną na dolnym podłożu, umożliwiając użytkownikowi budowanie warstw w górę (Krok 2, Rysunek 3A).
    2. Powtórz kroki 5.1.4 i 5.1.5 z żądanym projektem fotomaski (Rysunek 2c (iii)).
    3. Usuń górne podłoże i dodaj więcej prepolimeru PEGDA i opuść dolne podłoże za pomocą głowicy mikrometrycznej do żądanego poziomu. Poziom ten powinien odpowiadać grubości drugiej warstwy hydrożelu, która ma być polimeryzowana (Z2, Krok 3, Rysunek 3A).
    4. Dobrze przykryj PDMS górnym podłożem (szkło pokryte PDMS) i powtórz kroki 5.1.4 i 5.1.5.
    5. Stale buduj warstwy hydrożelu zgodnie z potrzebami, wykonując kroki 5.2.1 i 5.2.2, aż uformują się pożądane struktury podporowe.

6. Montaż i uszczelnienie urządzenia na bazie hydrożelu

  1. Aby zmontować i uszczelnić urządzenie, najpierw usuń górne podłoże (szkło pokryte PDMS) i za pomocą pęsety umieść wstępnie uformowane elementy hydrożelowe (np. koła zębate, elementy domieszkowane żelazem) na strukturach wsporczych (Część (i), Krok 4, Rysunek 3A).
    UWAGA: Magnes trwały może być użyty do wyrównania dowolnych składników domieszkowanych żelazem (patrz domieszkowanie tlenkiem żelaza składników hydrożelowych dla etapów wytwarzania).
  2. Aby uszczelnić urządzenie, najpierw doprowadź dolne podłoże do ostatecznej żądanej wysokości zmontowanego urządzenia za pomocą mikrometrycznego sprawdzianu śrubowego. Powinna to być ostateczna wysokość urządzenia, biorąc pod uwagę grubość warstw, elementy wewnętrzne i wszelkie odstępy podane dla elementów ruchomych (Z4, Krok 5, Rysunek 3A)
    1. Umieść wstępnie uformowaną warstwę hydrożelu przyklejoną do nieobrobionego szkła nakrywkowego z 5.1 na częściowo zmontowanym urządzeniu (Część (ii), Krok 4, Rysunek 3A). Ostrożnie umieść wstępnie uformowaną warstwę tak, aby była prawidłowo wyrównana ze strukturami pod nią.
    2. Umieść fotomaskę, która pozwala na uszczelnienie urządzenia, ale chroni ruchome elementy wnętrza przed ekspozycją na promieniowanie UV. Upewnij się, że ruchome elementy nie są polimeryzowane do krawędzi urządzenia, zapobiegając ich ruchowi podczas uruchamiania.
    3. Wystaw całą konstrukcję na działanie światła UV (Część (i), Krok 5, Rysunek 3A).
    4. Podnieś szklane szkiełko nakrywkowe z etapu produkcji. Uszczelnione urządzenie powinno przylegać do górnego podłoża ((Część (ii), Krok 5, Rysunek 3A).
      UWAGA: Jeśli urządzenie pozostaje przyklejone do dolnego podłoża, ostrożnie podnieś urządzenie za pomocą pęsety z płaską końcówką (bez ząbkowania) lub płaskiej szpatułki.
    5. Ostrożnie usuń nadmiar niespolimeryzowanego PEGDA za pomocą odsysania próżniowego i ostrożnie zdejmij urządzenie ze szklanego szkiełka nakrywkowego za pomocą płaskiej pęsety lub płaskiej szpatułki.
    6. Umieść urządzenie w roztworze soli fizjologicznej lub wodzie DI. Hydrożele pęcznieją w roztworze. Pozostaw urządzenie w roztworze na co najmniej 30 minut, aby umożliwić stabilizację i rozszerzenie urządzenia i elementów wewnętrznych.
      UWAGA: Jeśli urządzenie ma być używane do implantacji in vivo, ważne jest, aby spłukać i wypłukać wszelkie nieusieciowane prepolimery. Można to zrobić, zmieniając roztwór, w którym inkubuje się urządzenie, co godzinę (co najmniej 3 płukania) i pozostawiając urządzenie w roztworze na noc i spłukując większą ilością roztworu.
    7. Usunąć powietrze z urządzenia, umieszczając je na szalce Petriego wypełnionej wodą demineralizowaną lub solą fizjologiczną w komorze próżniowej (podłączonej do centralnych laboratoryjnych systemów próżniowych) na co najmniej 30 minut. Spowoduje to odgazowanie urządzenia, a po usunięciu podciśnienia urządzenie zostanie napełnione roztworem.
      UWAGA: Utrzymuj urządzenie nawodnione/w roztworze przez cały czas. Urządzenie może pęknąć, jeśli zostanie pozostawione do wyschnięcia.

7. Domieszkanie składników hydrożelowych tlenkiem żelaza

  1. Przygotować roztwór prepolimeru PEGDA z 1% fotoinicjatorem (np. 99% (v/v) PEGDA (400 Da) z 1% Darocur 1173).
    1. Korzystając z tego roztworu prepolimeru, przygotuj 5% (w/v) roztwór nanocząstek tlenku żelaza (II, III). Odważyć 5 mg nanocząstek tlenku żelaza i dodać 100 μl prepolimeru PEGDA. Pipetę w górę i w dół i wirować, aby zapewnić równomierne mieszanie.
    2. Upewnij się, że nanocząstki są jednorodnie rozproszone w prepolimerze PEGDA przed każdym użyciem, ponieważ nanocząstki z czasem ulegną osadzaniu.
  2. Odpipetować niewielką objętość mieszaniny tlenku żelaza - prepolimeru PEGDA na dolne podłoże komory PDMS.
  3. Dobrze przykryj PDMS górnym podłożem (szkło powlekane PDMS), aby upewnić się, że uformowane hydrożele pozostały na dolnym podłożu.
  4. Doprowadź dolne podłoże do żądanej wysokości za pomocą głowicy mikrometrycznej.
    UWAGA: Cienkie warstwy (200 μm) PEGDA domieszkowanego tlenkiem żelaza powinny być polimeryzowane przy każdej pojedynczej ekspozycji. Wynika to ze zmniejszenia głębokości penetracji światła UV, ponieważ nanocząstki tlenku żelaza są nieprzezroczyste i są w stanie pochłaniać i blokować światło UV.
  5. Używając fotomaski, która określa kształt segmentu, który ma być domieszkowany tlenkiem żelaza w ruchomym elemencie, wystaw cienką warstwę prepolimeru domieszkowanego tlenkiem żelaza na działanie światła UV (Rysunek 4(i)).
    UWAGA: Czas ekspozycji na promieniowanie UV należy wydłużyć, aby zapewnić, że segment domieszkowany żelazem jest w pełni usieciowany (~10 sekund).
  6. Obniż dolne podłoże i powtórz krok 6, budując cienkimi warstwami segment domieszkowany żelazem za każdym razem do żądanej wysokości (Rysunek 4(ii)). W sumie 5 warstw powinno zostać spolimeryzowanych, aby uzyskać segment domieszkowany żelazem o wysokości 1 mm.
  7. Po zakończeniu segmentu domieszkowanego żelazem (Rysunek 4 (iii)), usuń nadmiar prepolimeru domieszkowanego żelazem za pomocą odsysania próżniowego. Nie usuwaj segmentu domieszkowanego żelazem z etapu wytwarzania.
  8. Osadzać prepolimer PEGDA (niedomieszkowany) na spolimeryzowanym segmencie domieszkowanym żelazem. Doprowadź dolne podłoże do ostatecznej wysokości elementu, który ma zostać ukończony. Dobrze przykryj PDMS górnym podłożem (szkło powlekane PDMS).
  9. Używając fotomaski, która definiuje cały kształt ruchomego elementu, wystaw prepolimer PEGDA, a także segment domieszkowany żelazem, na działanie światła UV (Rysunek 4(iv)).
  10. Usunąć górne podłoże i usunąć nadmiar niespolimeryzowanego prepolimeru PEGDA za pomocą odsysania próżniowego. Składnik PEG z domieszkowanym segmentem tlenku żelaza powinien pozostać na podłożu dennym. Delikatnie podnieś ten element za pomocą pęsety.
  11. Zarezerwuj ten element domieszkowany żelazem do montażu na konstrukcjach wsporczych urządzenia opartego na PEG (Część (i), Krok 4, Rysunek 3A). Chroń ten element przed światłem i upewnij się, że przed użyciem pozostaje zwilżony nieusieciowanym prepolimerem.

8. Uruchomienie zmontowanego urządzenia

UWAGA: Elementy domieszkowane żelazem w zmontowanym urządzeniu mogą być uruchamiane do ruchu za pomocą silnego magnesu trwałego, takiego jak neodym (siła N52). Uważaj, aby uniknąć ryzyka przytrzaśnięcia, ponieważ magnesy te są bardzo silnie przyciągane przez materiały ferromagnetyczne.

  1. Umieść magnes neodymowy pod lub nad urządzeniem w odległości 1-2 cm od urządzenia. Podczas poruszania magnesem ruch składników domieszkowanych tlenkiem żelaza powinien zasłaniać ruch magnesu.
    UWAGA: Siłownik można zbudować za pomocą silnika, który jest przymocowany za pomocą magnesu. Obrót silnika powinien umożliwiać obrotowe uruchamianie elementu domieszkowanego żelazem.

Wyniki

Rysunek 3B przedstawia obrazy warstw hydrożeli spolimeryzowanych przy użyciu zestawu do wytwarzania. Rysunek 3B(i) pokazuje wytworzoną warstwę bazową o grubości 40 µm z otworem o średnicy 60 µm. Rysunek 3B(ii) przedstawia dwie kolejne warstwy naniesione na warstwę bazową: obwód o wysokości 50 µm oraz oś o wysokości 80 µm w środkowej części. Całkowity czas wytwarzania tych trzech warstw wyniósł mniej niż 3 minuty, uwzględniając 4 sekundy naświetlania dla każdej warstwy oraz czas potrzebny na regulację wysokości dolnego podłoża i dopasowanie fotomasek. Wcześniejsze prace przeprowadzone z wykorzystaniem tego samego zestawu do wytwarzania wykazują, że możliwe jest wykonanie różnorodnych konstrukcji z rozdzielczością sięgającą 10 µm.

Składniki hydrożelu można było również łatwo domieszkować nanocząsteczkami tlenku żelaza. Czasy naświetlania zoptymalizowano tak, aby zapewnić pełną polimeryzację cienkich warstw (20 µm) prepolimerów PEGDA domieszkowanych nanocząsteczkami tlenku żelaza. Rysunek 5A przedstawia maskę fotolitograficzną użytą do zdefiniowania kształtu segmentu tlenku żelaza poddanego polimeryzacji. Niedomieszkowany prepolimer PEGDA może zostać w pełni spolimeryzowany w ciągu 4 sekund naświetlania promieniowaniem UV. Jednakże, gdy prepolimer domieszkowany tlenkiem żelaza był naświetlany promieniowaniem UV przez 4 sekundy, otrzymany hydrożel nie został w pełni spolimeryzowany, co widać na Rysunku 5C. Wygenerowany segment był cieńszy (w porównaniu do w pełni usieciowanego segmentu pokazanego na Rysunku 5B), a krawędzie były nierówne, z obniżoną wiernością odwzorowania w stosunku do kształtu zdefiniowanego przez maskę. Do pełnego usieciowania segmentu tlenku żelaza wymagane było 10-sekundowe naświetlanie UV, a Rysunek 5B przedstawia wygenerowany segment tlenku żelaza; spolimeryzowany segment tlenku żelaza ma pełną grubość (20 µm) z prostymi krawędziami, a wierność kształtu jest ściśle zachowana w porównaniu z maską (Rysunek 5A). Z kolei nadmierna ekspozycja (>15 sekund) na światło UV prowadziła do powstania nadmiernie spolimeryzowanych segmentów tlenku żelaza. Rysunek 5D przedstawia nadmiernie spolimeryzowany segment, który charakteryzuje się słabym odwzorowaniem kształtu i jest większy od kształtu zdefiniowanego przez maskę.

Rycina 6A przedstawia kompletne urządzenie po uszczelnieniu z prawidłowym dopasowaniem, osiągniętym dzięki zastosowaniu fotomasek z markami wyrównawczymi. Koło zębate wewnątrz urządzenia znajduje się całkowicie w centralnej pustce urządzenia, dzięki czemu reaguje na aktywację magnetyczną. Rycina 6B przedstawia urządzenie z przesuniętą warstwą uszczelniającą. Rycina 6C przedstawia dolne warstwy hydrożelu oraz samo koło zębate zaznaczone czarnymi konturami, a Rycina 6D pokazuje przesunięte uszczelnienie górnej warstwy hydrożelu zaznaczone białymi konturami. Jak widać na Rycynie 6D, fragmenty koła zębatego znajdujące się w obszarach, w których podczas uszczelniania zachodzi polimeryzacja (zaznaczone czerwonym wypełnieniem), powodują zakotwiczenie części koła w masie materiału hydrożelowego. Uniemożliwia to ruch koła zębatego podczas aktywacji.

Rysunek 7 przedstawia funkcjonalne urządzenie z pojedynczą przekładnią, które zostało wykonane (całkowity czas wykonania ~15 minut). Całkowita grubość urządzenia wynosi 2 mm, a jego najdłuższy wymiar to 13 mm. Górna i dolna warstwa urządzenia mają grubość 40 µm, a wysokość koła zębatego wynosi 1 mm. Taka konstrukcja zapewnia prześwit 100 µm na górnej i dolnej powierzchni koła zębatego, co umożliwia jego ruch. Najwyższa warstwa urządzenia posiada otwór o średnicy 60 µm, natomiast oś koła zębatego ma średnicę 40 µm. Rysunek 5B przedstawia obrazy urządzenia podczas jego aktywacji magnesem, w wyniku czego koło zębate wykonuje pełny obrót, co można zaobserwować po zmianie położenia segmentu tlenku żelaza od (i) do (vi).

Schemat układu do mikrofabrykacji z próżniowym wspomaganiem, zawierający komorę z PDMS, szkiełko nakrywowe i głowicę mikrometryczną.
Rysunek 1Układ wykonawczy dla mikromaszyn opartych na hydrożelu. A) Schemat etapu wytwarzania. Schemat ten przedstawia poszczególne elementy układu do wytwarzania, w tym komorę z PDMS, w której hydrożele formowane są w obszarze wytwarzania, stół z funkcją próżniową, który unieruchamia komorę z PDMS oraz łączy elastyczną membranę z głowicą mikrometryczną służącą do kontroli wysokości, a także górny podłoże w postaci szkiełka podstawowego, które jest niepoddane obróbce lub powlekane PDMS. B) Schemat widoku z góry stołu do wytwarzania (bez komory z PDMS). Źródło światła UV jest następnie ustawione tak, aby kąt padania światła był prostopadły do płaszczyzny poziomej stołu do wytwarzania (nie przedstawiono na rysunku). Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat kinematyki obrotowej; proces montażu koła; etapy (i-iii); edukacyjny koncept fizyczny.
Rysunek 2Schemat urządzenia z pojedynczą zębatką na bazie hydrożelu oraz fotomaski użyte do każdej warstwy. A) Schemat widoku z góry i z perspektywy typowego urządzenia na bazie hydrogelu, które można wykonać przy użyciu tej strategii. Urządzenie to składa się z pojedynczego koła zębatego zawierającego segment domieszkowany żelazem, co umożliwia sterowanie magnetyczne. B) Schemat poszczególnych warstw i komponentów wewnątrz urządzenia. To urządzenie z pojedynczym kołem zębatym składa się z górnej warstwy uszczelniającej (i), struktur wspierających, takich jak trzpień dla koła zębatego domieszkowanego żelazem i ścianki urządzenia (ii), a także warstwy dolnej (iii). C) Projekty fotomasek użytych do wykonania urządzenia z pojedynczym kołem zębatym. Fotomaski zostały zaprojektowane w polu ciemnym; pożądane elementy pozostawiono przezroczyste, natomiast tło jest ciemne. Ten panel przedstawia projekty fotomasek odpowiadające górnej warstwie uszczelniającej (i), strukturom wspierającym (ii) oraz warstwie dolnej (iii). Prosimy o kliknięcie tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Schemat polimeryzacji hydrożelu na szkle powlekanym PDMS z nanocząsteczkami Fe3O4, układ eksperymentalny.
Rysunek 3Fotolitografia warstwa po warstwie mikromaszyn opartych na hydrożelach. A) Schemat procesu krok po kroku wytwarzania urządzenia w obrębie obszaru produkcyjnego komory PDMS. 1: Mała objętość prepolimeru PEGDA jest nanioszona pipetą na szklaną krawatkę przytwierdzoną do elastycznej membrany komory PDMS (podłoże dolne). Jako podłoże górne wykorzystuje się fragment nieobrobionej szklanej krawatki, a na jego wierzchu umieszcza się fotomaskę. Wysokość podłoża dolnego zostaje ustawiona na pożądaną wartość (Z1) za pomocą głowicy mikrometru. Następnie prepolimer hydrożelu jest naświetlany promieniowaniem UV przez fotomaskę. Górny podłoże można teraz odnieść od komory PDMS, a hydrożel pozostaje przytwierdzony do górnego podłoża (wstawka). Warstwę tę zachowuje się do późniejszego użycia. 2: Krok 1 jest powtarzany, jednak górne podłoże zostaje zastąpione szkłem powlekanym PDMS. Spolimeryzowany hydrożel pozostanie przytwierdzony do dolnego podłoża. 3: Wysokość dolnego podłoża zostaje obniżona (Z2> Z1) i do obszaru wytwarzania można dodać więcej prepolimeru. Wykorzystuje się drugą fotomaskę, a prepolimer zostaje ponownie naświetlony światłem UV. 4: Krok 3 można powtórzyć (Z3 >Z2) aż do momentu utworzenia pożądanych struktur wsporczych. (i) Po ukończeniu struktur wsporczych można usunąć górny podkład, aby umożliwić dostęp do obszaru wytwarzania w celu wprowadzenia wszelkich prefabrykowanych komponentów hydrożelowych (np. koło zębate domieszkowane żelazem). (ii) Po umieszczeniu i prawidłowym wyrównaniu wstępnie uformowanych komponentów, warstwę hydrożelu z kroku 1 można nałożyć na wierzch wykonanej struktury i wyrównać. 5: Wszystkie warstwy są następnie naświetlane światłem UV przez fotomaskę, która uszczelnia krawędzie urządzenia. (i) Krok uszczelniania zamyka całe urządzenie, podczas gdy komponenty wewnętrzne są chronione przed dalszą ekspozycją na promieniowanie UV. (ii) Uszczelnione urządzenie można następnie zdjąć z komory produkcyjnej, ponieważ będzie ono preferencyjnie przylegać do górnego podłoża. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Schemat procesu druku 3D; ekspozycja na promieniowanie UV, warstwy hydrożelu PEG, formowanie kompletnej przekładni.
Rysunek 4Etapy domieszkowania komponentów hydrożelu nanocząsteczkami tlenku żelaza. (i) Światło UV jest naświetlane przez fotomaskę definiującą segment domieszkowany tlenkiem żelaza wewnątrz hydrożelowej zębatki. (ii) Cienka (200 µm) przy każdym etapie polimeryzowane są warstwy hydrożelu domieszkowanego tlenkiem żelaza, a następnie nakładane jedna na drugą. (iii) Warstwa tych cienkich warstw tworzy segment o całkowitej wysokości 1 mm. Segment ten pozostaje w warstwie wytwórczej. (iv) Następnie w obszarze wytwórczym nanosi się niedomieszkowany prepolimer, a podczas sieciowania stosuje się fotomaskę definiującą pełny kształt koła zębatego. Umożliwia to utworzenie kompletnego koła zębatego z segmentem domieszkowanym tlenkiem żelaza. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Zdjęcia mikroskopowe przedstawiające etapy modyfikacji chemicznej powierzchni materiału od A do D.
Rycina 5Fotopolimeryzacja komponentów hydrożelu domieszkowanego tlenkiem żelaza. A) Fotomaska segmentu koła zębatego, który ma zostać domieszkowany nanocząsteczkami tlenku żelaza. B) Hydrożel domieszkowany tlenkiem żelaza, poddany optymalnej polimeryzacji (naświetlanie przez 10 s). C) Hydrożel domieszkowany tlenkiem żelaza, poddany niedostatecznej polimeryzacji (naświetlanie przez 4 s). D) Hydrożel domieszkowany tlenkiem żelaza, poddany nadmiernej polimeryzacji (naświetlanie przez 20 s). Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat urządzenia mikrofluidycznego z systemem zaworów 3D, przedstawiający kontrolę przepływu płynów w układzie lab-on-a-chip.
Rysunek 6Wyrównanie warstw hydrożelu podczas uszczelniania urządzenia. A) Obraz przedstawiający prawidłowe wyrównanie warstw hydrożelu z swobodnie poruszającą się zębatką, która znajduje się w całości wewnątrz pustej przestrzeni urządzenia. B) Obraz przedstawiający urządzenie z niewyrównanymi warstwami hydrożelu (B, C i D to obrazy tego samego urządzenia, ale z zaznaczonymi różnymi warstwami). C) Ten sam obraz co w (B), ale z czarnymi konturami wyjaśniającymi położenie warstw dolnych, które są prawidłowo wyrównane. Zębatka jest prawidłowo umieszczona w warstwach dolnych. D) Ten sam obraz co w (B), ale z białymi konturami pokazującymi niewyrównaną górną warstwę hydrożelu. Zębatka uległa częściowej polimeryzacji podczas etapu uszczelniania, a fragmenty zębatki (wypełnienie na czerwono) zostały zakotwiczone w materiale głównym urządzenia. Powoduje to brak funkcjonalności urządzenia. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Obraz mikroskopowy schematów apertury; pułapkowanie optyczne i analiza ruchu w układzie eksperymentalnym.
Rycina 7Aktywacja mikromaszyny opartej na hydrożelu z jednym kołem zębatym. A) Obraz przedstawiający wykonane urządzenie. B) Obrazy przedstawiające różne orientacje koła zębatego podczas aktywacji. (i) Od orientacji początkowej (0°), koło zębate jest obracane przez (ii) 60°, (iii) 120°, (iv) 180°, (v) 240°i 300°Pasek skali: 1 mm Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

System zaworu bramowego z wykorzystaniem hydrożelu PEG do dyfuzji leków; schematy i obrazy przedstawiające mechanizmy.
Rycina 8Wszechstronna fabrykacja różnorodnych projektów mikromaszyn opartych na hydrożelach. A) Prosty zawór samozamykający, który kontroluje uwalnianie leków z pojedynczego zbiornika. Ruch liniowy komponentu z hydrożelu domieszkowanego tlenkiem żelaza reguluje dyfuzję hipotetycznego leku przez otwór wylotowy. B) Grodzicowy kolektor liniowy, który kontroluje uwalnianie leków z wielu zbiorników. Każdy zbiornik zawiera hipotetyczne leki, a ruch komponentu domieszkowanego tlenkiem żelaza reguluje przepływ leków z tych zbiorników przez okno z hydrożelu, które umożliwia dyfuzję leków na zewnątrz. C) Prosty rotor, który może zostać uruchomiony w celu obrotu wokół osi. D) Złożona konstrukcja oparta na mechanizmie krzyżkowym (koło genewskie). Koło napędowe z trzpieniem może zazębiać się z większym kołem napędzanym, wywołując ruch przerywany; pełny obrót koła napędowego obraca koło napędzane o 60°Wszystkie paski skali mają długość 1 mm. Źródło: Chin, S. Y. et al. Additive manufacturing of hydrogel-based materials for next-generation implantable medical devices. Science Robotics. 2 (2), (2017). Przedrukowano za zgodą AAAS17. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Dyskusja

Technika ta jest łatwą i szybką metodą fotolitografii mikrostruktur hydrożelowych warstwa po warstwie. Stosując podejście do produkcji addytywnej, możemy łatwo budować różnorodne struktury 3D z materiałów biokompatybilnych, a nawet włączać ruchome części. Umożliwiłoby to zatem tworzenie w pełni biokompatybilnych mikrourządzeń. Technika ta opiera się na prostym powtarzaniu kroków litografii, co jest możliwe dzięki precyzyjnej kontroli wysokości podłoża dennego za pomocą głowicy mikrometrycznej. Tradycyjne techniki wytwarzania stosowane w przemyśle MEMS, obejmujące surowe techniki przetwarzania i materiały protektorowe, często nie są kompatybilne z przetwarzaniem miękkich hydrożeli. Inne metody drukowania hydrożeli 3D, takie jak metody oparte na wytłaczaniu, są ograniczone do rozdzielczości przestrzennych powyżej 200 μm i prędkości drukowania mm/s dla prostych konstrukcji, które nie zawierają ruchomych części18,19. Biodrukarki oparte na stereolitografii (SLA) i cyfrowym projekcie świetlnym (DLP) mogą być w stanie osiągnąć lepszą rozdzielczość, ale są również znacznie droższe w konfiguracji. Te strategie produkcyjne nie są również w stanie łatwo drukować zwisów bez materiałów nośnych, które mogą być trudne do wprowadzenia i usunięcia z gotowego urządzenia. Omijam ten problem, wyrównując i polimeryzując wstępnie uformowaną warstwę uszczelniającą do wytworzonej konstrukcji wsporczej jako ostatni krok do uformowania gotowego urządzenia. Konstrukcja zestawu produkcyjnego zapewnia użytkownikowi łatwy dostęp do wytworzonych konstrukcji i pozwala na łatwe wyrównanie różnych elementów za pomocą znaczników wyrównania.

Przedstawiona tutaj strategia jest również znacznie szybsza niż inne techniki o podobnych rozdzielczościach; Całkowity czas potrzebny na zademonstrowane wykonanie urządzenia z obracającym się mechanizmem wynosi około 15 minut. Kolejną dodatkową zaletą tej strategii wytwarzania, choć nie zademonstrowaną w tym protokole, ale pokazaną w naszej poprzedniej pracy17, jest możliwość szybkiej i łatwej zmiany przez użytkownika rodzaju użytego polimeru między etapami, co można wykonać w małych ilościach. W ten sposób można tworzyć urządzenia, które są kompozytem różnych rodzajów hydrożeli. Urządzenie wyprodukowane przy użyciu tej strategii ma również dodatkową zaletę w postaci bezdotykowego uruchamiania, ponieważ przekładnia zawiera segment, który jest domieszkowany nanocząstkami tlenku żelaza, dzięki czemu przekładnia jest wrażliwa na uruchamianie magnetyczne, a zatem może być uruchamiana za pomocą zewnętrznego magnesu. Ponadto urządzenie jest w pełni biokompatybilne, dzięki czemu może być bezpiecznie wszczepiane in vivo.

Ważną cechą tej techniki jest obróbka różnych podłoży szklanych, co umożliwia użytkownikowi preferencyjne przyleganie lub odpychanie spolimeryzowanego hydrożelu do dolnego lub górnego podłoża szklanego. W przypadku zastosowania kombinacji szkła niepoddanego obróbce z powierzchnią szkła poddanego działaniu PFOTS (podłoże dolne), uformowane hydrożele będą preferencyjnie przylegać do szkła niepoddanego obróbce, ponieważ są odpychane od fluorowanej powierzchni szkła poddanego działaniu PFOTS. I odwrotnie, gdy szkło powlekane PDMS jest używane z podłożem dolnym poddanym działaniu PFOTS, hydrożele będą miały tendencję do pozostawania na powierzchni poddanej działaniu PFOTS, ponieważ powierzchnie PDMS silniej odpychają utworzone hydrożele. Ta cecha pozwala budować w górę, przylegać hydrożeli tak, że są one unieruchomione na szklanych podłożach i mogą być zarezerwowane do wyrównania z innymi strukturami w późniejszym czasie, a nawet budować w dół. Zwiększa to elastyczność techniki i rodzajów konstrukcji, które można wyprodukować, a także umożliwia wprowadzanie i uszczelnianie niezależnych, swobodnie poruszających się składników hydrożelowych.

Podczas wytwarzania warstwa po warstwie ważne jest, aby zoptymalizować zastosowany czas polimeryzacji. Hydrożele powinny być optymalnie usieciowane, tak aby tworzyły się na całej grubości, a także z wysoką wiernością w porównaniu z kształtami zdefiniowanymi przez fotomaskę. Jest to zależne od mocy lampy i rodzaju użytego hydrożelu. Chociaż nie wykazano tego w tym protokole, czas polimeryzacji skraca się wraz ze wzrostem mocy lampy i wydłuża się wraz ze wzrostem długości łańcucha PEG i zmniejszaniem się stężeń stosowanego PEGDA. Inne czynniki wpływające na ilość energii dostępnej do fotopolimeryzacji, takie jak zmiana nieprzezroczystości prepolimeru spowodowana dodaniem nanocząstek tlenku żelaza (rysunek 4), również wpłyną na czas polimeryzacji. Optymalizacja pod kątem warunków sieciowania dla różnych kompozycji hydrożelowych jest zatem wymagana przed rozpoczęciem procesu wytwarzania urządzeń.

Zastosowanie znaczników wyrównania na fotomaskach i prawidłowe wyrównanie warstw hydrożelu, zwłaszcza końcowej warstwy uszczelniającej, jest ważne, aby zapewnić prawidłowe uszczelnienie, a elementy wewnętrzne nie są przypadkowo usieciowane z otaczającymi strukturami wsporczymi podczas procesu produkcyjnego. Uniemożliwiłoby to swobodne przemieszczanie się tych podzespołów podczas uruchamiania magnetycznego. Jak pokazano na rysunku 5, nieprawidłowo wyrównana górna warstwa uszczelniająca i fotomaska powodują usieciowanie i zakotwiczenie części przekładni do materiału masowego samego urządzenia. W rezultacie koło to nie obraca się po uruchomieniu za pomocą magnesu.

Urządzenia mogą być uruchamiane za pomocą silnych magnesów trwałych, takich jak magnesy neodymowe. Magnesy te generują silne siły magnetyczne, gdy znajdują się w bliskiej odległości od materiałów ferromagnetycznych i należy zachować ostrożność, aby zapobiec obrażeniom. Urządzenie można uruchomić tak, aby poruszało się bez kontaktu magnesu z urządzeniem; Magnes można trzymać lub umieszczać w odległości ~1 cm od urządzenia. Ruch elementów domieszkowanych żelazem powinien odzwierciedlać ruch magnesu i może być uruchamiany tak, aby poruszał się w sposób ciągły lub zorientowany z przerwami zgodnie z potrzebami. Urządzenie może być uruchamiane ręcznie lub można użyć konfiguracji uruchamiania. Magnes można przymocować do dowolnego siłownika (np. serwomotoru) do ruchu obrotowego. Prędkość obrotowa magnesu, a co za tym idzie prędkość obrotowa elementu domieszkowanego żelazem, może być kontrolowana za pomocą mikrokontrolera. Zapewnia to bardziej precyzyjną metodę uruchamiania.

Rysunek 8 przedstawia schematy i obrazy różnych projektów z poprzednich prac, które zostały wykonane przy użyciu tej samej techniki i pokazują wszechstronność tej metody. Konstrukcje te obejmują zarówno proste urządzenia, które przypominają zawory (rysunek 8A), jak i bardziej skomplikowane i wyrafinowane konstrukcje, które czerpią inspirację z konstrukcji napędu Geneva (ilustracja 8D), które składają się z 2 włączonych kół zębatych, które wytwarzają ruch przerywany. Najmniejsze cechy, które można wygenerować za pomocą tej techniki, miały zwykle około 100 μm, a każdy projekt składa się z wielu warstw (od 3 do 6 warstw). Różne rodzaje kompozycji hydrożelowych (o różnej wytrzymałości mechanicznej i porowatości) mogą być również polimeryzowane i łączone ze sobą. W związku z tym można łatwo łączyć rodzaje hydrożeli, które mają być stosowane w urządzeniu, w zależności od wymaganej funkcji różnych komponentów w urządzeniu.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez nagrodę NSF CAREER, grant NIH R01 (HL095477-05) oraz grant NSF ECCS-1509748. S.Y.C. był wspierany przez National Science Scholarship (PhD), który został przyznany przez Agencję ds. Nauki, Technologii i Badań (Singapur). Dziękujemy Keithowi Yeagerowi za pomoc w budowie zestawu produkcyjnego oraz Cyrusowi W. Behowi za zdjęcia konfiguracji i urządzeń.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Diakrylan poli(glikolu etylenowego) (n) [MW 400Da]Polysciences, Inc01871-250Odczynnik PEGDA do prepolimeru
Darocur 1173Ciba Specialty Chemicals,Inc-Fotoinicjator
Tlenek żelaza (II, III)Sigma Aldrich637106-25G Nanocząstki tlenku żelaza
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooktylo)silanSigma Aldrich448931Fluorowany związek, który służy do odparowywania silanizacji komory PDMS w celu zapobieżenia przywieraniu hydrożelu do szklanego szkiełka nakrywkowego, które jest połączone z elastyczną membraną PDMS przy długotrwałym użytkowaniu komory PDMS
Szalka Petriego, szkłoSigma AldrichBR455743Szklane szalki Petriego do odlewania warstw PDMS do formowania komory
PDMSSylgard 184 Zestaw elastomerów silikonowych (PDMS)Dow Corning240-4019862PDMS do komory produkcyjnej
Szkiełka nakrywkowe szklane (nr 2), 50 x 45 mmFisher ScientificFIS#12-543FPodłoża szklane pokrywające komorę produkcyjną
Kleszcze proste z płaską końcówką Fisherbrand 4,75 calaFisher ScientificFIS#16-100-112Pęseta do przenoszenia spolimeryzowanych warstw/urządzeń hydrożelowych
Omnicure S2000Cadence Technologies Pte Ltd010-00148RLampa UV
5 mm Regulowany adapter kolimacyjnyCadence Technologies Pte Ltd810-00042Kolimator do źródła światła UV
FotomaskiCAD/Art Services Inc-Fotomaskiużywane do definiowania mikrostruktur hydrożelowych
Adobe IllustratorAdobe-Projektowaniefotomasek

Bibliografia

  1. Elman, N. M., Ho Duc, H. L., Cima, M. J. An implantable MEMS drug delivery device for rapid delivery in ambulatory emergency care. Biomedical Microdevices. 11 (3), 625-631 (2009).
  2. Gensler, H., Sheybani, R., Li, P. Y., Mann, R. L., Meng, E. An implantable MEMS micropump system for drug delivery in small animals. Biomedical Microdevices. 14 (3), 483-496 (2012).
  3. Grayson, A. C. R., et al. BioMEMS review: MEMS technology for physiologically integrated devices. Proceedings of the IEEE. 92 (1), 6-21 (2004).
  4. Frost, M., Meyerhoff, M. E. In vivo chemical sensors: tackling biocompatibility. Analytical Chemistry. 78 (21), 7370-7377 (2006).
  5. Voskerician, G., et al. Biocompatibility and biofouling of MEMS drug delivery devices. Biomaterials. 24 (11), 1959-1967 (2003).
  6. Ainslie, K. M., Desai, T. A. Microfabricated implants for applications in therapeutic delivery, tissue engineering, and biosensing. Lab Chip. 8 (11), 1864-1878 (2008).
  7. Burdick, J. A., Anseth, K. S. Photoencapsulation of osteoblasts in injectable RGD-modified PEG hydrogels for bone tissue engineering. Biomaterials. 23 (22), 4315-4323 (2002).
  8. Drury, J. L., Mooney, D. J. Hydrogels for tissue engineering: scaffold design variables and applications. Biomaterials. 24 (24), 4337-4351 (2003).
  9. Alcantar, N. A., Aydil, E. S., Israelachvili, J. N. Polyethylene glycol-coated biocompatible surfaces. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 51 (3), 343-351 (2000).
  10. Cruise, G. M., et al. In vitro and in vivo performance of porcine islets encapsulated in interfacially photopolymerized poly(ethylene glycol) diacrylate membranes. Cell Transplantation. 8 (3), 293-306 (1999).
  11. Hoare, T. R., Kohane, D. S. Hydrogels in drug delivery: Progress and challenges. Polymer. 49 (8), 1993-2007 (2008).
  12. Ryu, W., Huang, Z., Prinz, F. B., Goodman, S. B., Fasching, R. Biodegradable micro-osmotic pump for long-term and controlled release of basic fibroblast growth factor. Journal of Controlled Release. 124 (1-2), 98-105 (2007).
  13. Lee, J. W., Park, J. H., Prausnitz, M. R. Dissolving microneedles for transdermal drug delivery. Biomaterials. 29 (13), 2113-2124 (2008).
  14. Hinton, T. J., et al. Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels. Science Advances. 1 (9), e1500758(2015).
  15. Tseng, H., et al. Fabrication and mechanical evaluation of anatomically-inspired quasilaminate hydrogel structures with layer-specific formulations. Annals of Biomedical Engineering. 41 (2), 398-407 (2013).
  16. Grogan, S. P., et al. Digital micromirror device projection printing system for meniscus tissue engineering. Acta Biomaterialia. 9 (7), 7218-7226 (2013).
  17. Chin, S. Y., et al. Additive manufacturing of hydrogel-based materials for next-generation implantable medical devices. Science Robotics. 2 (2), (2017).
  18. Diogo, G. S., Gaspar, V. M., Serra, I. R., Fradique, R., Correia, I. J. Manufacture of beta-TCP/alginate scaffolds through a Fab@home model for application in bone tissue engineering. Biofabrication. 6 (2), 025001(2014).
  19. Hockaday, L. A., et al. Rapid 3D printing of anatomically accurate and mechanically heterogeneous aortic valve hydrogel scaffolds. Biofabrication. 4 (3), 035005(2012).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Mikromaszyny hydro elowemetoda fotolitografiiprepolimer PEGDAsuperparamagnetyczny tlenek elazaaktywacja magnetycznakomora PDMSna wietlanie UVwytwarzanie warstwa po warstwiemonta ruchomych komponent wurz dzenia biokompatybilne
Technika wytwarzania przyrostowego do łatwego i szybkiego wytwarzania mikromaszyn na bazie hydrożelu z komponentami reagującymi magnetycznie
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.