Artykuł metodologiczny

Wzorowanie i szczepienie światłem dla śliskich powierzchni na podstawie nanoporowatych struktur powlekanych silanem

DOI:

10.3791/69270

⸱

14 listopada 2025

 ,  ,  ,  ,  , 
1Global Institute for Advanced Nanoscience & Technology, Changwon National University, 2Department of Smart Manufacturing Engineering, Changwon National University

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

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

Protokół ten przedstawia metodę indukowaną światłem do wytwarzania śliskich, trójwymiarowych struktur poprzez sekwencyjne cyfrowe wzorowanie i szczepienie na nanoporowatych powierzchniach pokrytych silanem. To podejście umożliwia kontrolowane przestrzennie tworzenie śliskich obszarów, umożliwiając wzorzystą odstraszaczność cieczy oraz ilościową analizę śliskości między warstwami, z zastosowaniami w manipulacji płynami i inżynierii powierzchni.

Streszczenie

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

Protokół ten opisuje metodę indukowaną światłem do wytwarzania przestrzennie wzorowanych śliskich powierzchni za pomocą cyfrowego przetwarzania światła (DLP) oraz separacji fazowej indukowanej polimeryzacją. Fotoutwardzalna żywica poliuretanowa (PUA) jest mieszana z rozpuszczalnym w wodzie porogenem (PEG-200) i selektywnie wystawina na światło ultrafioletowe (UV) za pomocą systemu projekcji DLP. Proces ten jednocześnie indukuje sieci polimerowe oraz separację fazową porogenów. Po usunięciu porogenów pozostaje nanoporowata struktura, która jest chemicznie modyfikowana poprzez aktywację UV-ozon i silanizację fazą parową, aby zwiększyć hydrofobowość. Następnie olej silikonowy jest infuzowany i kowalencyjnie szczepiony na powierzchnię za pomocą wielofalowego światła UV, tworząc stabilną warstwę pędzla polidimetylosiloksanu (PDMS). Powstała powierzchnia wykazuje silną odpychaczność cieczy, histerezę przy niskim kącie styku oraz wysoką przezroczystość optyczną. Podatność na wyrównanie jest ilościowo oceniana za pomocą pomiarów kąta kontaktu i histerezy wodą, oktanem, miodem oraz sztuczną śliną ludzką. Metoda ta umożliwia selektywną śliskość, wykazaną poprzez kierowanie kropelek na bazie wody z obszarów śliskich w kierunku nieprzetworzonych obszarów hydrofilowych, tworząc dobrze określone wzory cieczy. Podejście to wspiera produkcję o wysokiej rozdzielczości, bez maski na elastycznych podłożach oraz skalowalne wzorowanie w zastosowaniach w mikrofluidyce, transporcie kropel, zbieraniu wody oraz urządzeniach biomedycznych.

Wprowadzenie

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

Śliskie powierzchnie porowate z nasyconymi cieczą (SLIPS)1 to bioinspirowane interfejsy, które odpychają szeroki zakres cieczy poprzez blokowanie płynów smarujących w mikro- lub nanostrukturalnych strukturach stałych 2,3. W przeciwieństwie do superhydrofobowych powierzchni4 inspirowanych lotosem, SLIPS wykorzystuje stabilizowany interfejs ciecz-ciecz, co pozwala kroplom poruszać się przy minimalnym tarciu. Wykazują omnifobiczność, histerezę przy niskim kącie kontaktu oraz samoregenerujące się zachowania 3,5 napędzane przez redystrybucję smaru wywołaną przez naczynia włosowate6. Te właściwości sprawiają, że SLIPS jest atrakcyjny do zastosowań w mikrofluidyce7, przeciwporostowej 6,8, przeciwoblodzeniowej 9,10,11, zbieraniu wody 12,13,14 oraz powierzchniach samoczyszczących15.

Jednak rozszerzenie SLIPS na geometrycznie złożone lub przestrzennie wzorowane powierzchnie pozostaje wyzwaniem. Tradycyjne techniki wytwarzania rusztowań porowatych – takie jak fotolitografia16,17, anodowanie18, żelacje 6,19 czy elektroprzędzenie20 – są czasochłonne i wymagają wielu etapów obróbki. Modelowanie osadzania fuzowanego (FDM)21,22, standardowe podejście do druku 3D, było również stosowane do tworzenia SLIPS poprzez drukowanie porowatych polimerów i nasycanie ich smarami. Chociaż jest bardziej dostępny, FDM charakteryzuje się powolnym, punktowym osadzeniem i ograniczoną rozdzielczością, co utrudnia efektywne tworzenie drobnych cech powierzchniowych lub wzorów dużych powierzchni. Co więcej, SLIPS wytwarzane przez te techniki są zazwyczaj jednolicie śliskie, co ogranicza ich zastosowanie w zastosowaniach wymagających selektywnej kontroli cieczy.

Aby rozwiązać te ograniczenia, wprowadzono metodę indukowaną światłem do wytwarzania wzorzystych, śliskich powierzchni przy użyciu cyfrowego przetwarzania światła (DLP)23. DLP umożliwia szybką, wysokorozdzielczą projekcję zaprojektowanych obrazów na materiały fotokurowalne. Łącząc DLP z separacją fazową indukowaną polimeryzacją, powstają nanoporowate mikrostruktury o zdolności do zatrzymywania smaru. Fotoutwardzalna żywica poliuretanowa (PUA) jest mieszana z rozpuszczalnym w wodzie porogenem i wystawina na wzorzyste światło ultrafioletowe (UV), co powoduje sieciowanie i separację fazową porogenów. Kolejne płukanie usuwa porogen, pozostawiając porowatą matrycę.

Powierzchnia jest następnie silanizowana oktadecyltrichlorosilanem (OTS), aby zwiększyć hydrofobowość24, i nasycona olejem silikonowym. Krótka ekspozycja na promienie UV powoduje kowalencyjne szczepienie warstwy szczotkowej polidimetylosiloksanu (PDMS) 6,19,25 na podłoże, chemicznie kotwicąc smar i poprawiając długoterminową stabilność międzyprzestrzeniową. Charakterystyka powierzchni wytwarzanych – w tym statyczny kąt styku, histereza kąta styku, kąt przesuwania, prędkość ślizgu oraz przepuszczalność optyczna – są ilościowo oceniane. Ponadto test wzorowania cieczy wykazuje selektywną śliskość poprzez kierowanie kropli wody do nieprzetworzonych obszarów. W tej pracy wprowadzono światłem indukowaną wzorzystą produkcję SLIPS za pomocą DLP, która umożliwia przestrzenną kontrolę domen śliskich bez konieczności skomplikowanej fotolitografii, anodowania czy żelowania. Poprzez chemiczne wiązanie smaru za pomocą fotoindukowanego szczepienia na zaprojektowanych nanoporowatych powierzchniach, proponowana metoda zapewnia wysokorozdzielcze, stabilne śliskie powierzchnie odpowiednie do selektywnej manipulacji kroplami w mikrofluidyce13, systemach zbierania wody 12,13,14 oraz urządzeniach biomedycznych 26,27.

Protokół

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

UWAGA: Schematyczny przegląd tego procesu znajduje się na Rysunku 1. Materiały i sprzęt użyte w tym badaniu są wymienione w Tabeli Materiałów.

1. Nanoporowata powierzchnia

  1. Zmieszaj fotoutwardzalną żywicę PUA z polietylenowym glikolem-200 (PEG-200) jako porogenem w stosunku masowym 50%. Mieszaj mieszankę z częstotliwością 500 obr./min przez 5 minut, używając mieszadła magnetycznego.
  2. Roztwór mieszany należy wydawać na folię z tereftalianu polietylenu (PET) jako krople osiadłe. Okryj krople folią fluoryzowanego etylenpropylenu (FEP) i zastosuj równomierny nacisk systemem roll-to-plate28 , aby zapewnić równomierne rozprowadzanie.
  3. Żywicę PUA naświetl na światło UV (365 nm) przy dawce energii 180 mJ/cm2 za pomocą systemu utwardzania LED UV, aby wywołać polimeryzację. Po utwardzeniu usuń folie FEP.
  4. Zanurz utwardzony preparat w wodzie dejonizowanej (DI) na 1 godzinę, aby wydobyć niezareagowany PEG-200. Susz porowatą próbkę w piekarniku o temperaturze 70 °C przez godzinę, aby usunąć resztki wody i sfinalizować produkcję powierzchni nanoporowatej (Rysunek 2).
    UWAGA: Po wyschnięciu białawo-matowy wygląd wskazuje, że PEG-200 został całkowicie usunięty i istnieją nanopory.

2. Powierzchnia objęta OTS

  1. Wykonaj zabieg ozonem UV na długościach fal 185 i 254 nm z intensywnością UV 25 mW/cm 2 przez 20 minut, aby wprowadzić grupy hydroksylowe na powierzchnię jako wstępną obróbkę do samoorganizującej się monowarstwy OTS (SAM). Proces ten przeprowadz w standardowych warunkach laboratoryjnych w temperaturze pokojowej i ciśnieniu atmosferycznym.
    UWAGA: Zabieg ozonem UV generuje ozon (O3) oraz reaktywne składniki tlenu (ROS) po ekspozycji na światło UV o sile 185 nm i 254 nm. Te produkty uboczne są szkodliwe dla zdrowia człowieka i mogą podrażniać układ oddechowy. Upewnij się, że system ozonu UV jest podłączony do funkcjonalnego systemu wylotowego lub spalinowego.
    Długotrwała ekspozycja na ozon UV dłuższy niż 20 minut może uszkodzić powierzchnię polimeru i spowodować deformacje strukturalne.
  2. Umieść płytę grzewczą w schowku wypełnionym azotem. Ustaw czystą zlewkę na płytce grzewczo i wylej 1 mL roztworu OTS na dno zlewki jako osiadłą kroplę.
    UWAGA: Oktadecyltrichlorosilan jest silnie reaktywny na wilgoć i podczas hydrolizy wytwarza gaz chlorowodoru (HCl). Może podrażniać skórę, oczy i układ oddechowy. Obsługuj OTS wyłącznie w schowku wypełnionym azotem i noś odpowiedni sprzęt ochrony osobistej (PPE), w tym rękawice, okulary ochronne i fartuch laboratoryjny.
  3. Przymocuj preparaty filmu PET na szklanych preparatach. Odwróć zamki i umieść je twarzą do dołu nad zlewką, aby przeprowadzić osadzanie OTS w fazie parowej. Podgrzej urządzenie do 120 °C przez 40 minut.
    UWAGA: Nakładanie powłoki OTS spowodowane nadmiernym nagrzewaniem lub długotrwałym narażeniem może powodować uszkodzenia powierzchni.
  4. Wyjmij okazy z schowka i wyczyść zlewkę chusteczką bez kłaczków.
    UWAGA: Jeśli zlewka nie zostanie odpowiednio wyczyszczona, pozostałości OTS mogą się zastygnąć i wydać się białe, co wpływa na warunki powtarzalnego przetwarzania.

3. Szczepienie światłem

  1. Wykonaj zabieg ozonem UV na długościach fal 185 i 254 nm z intensywnością UV 25 mW/cm 2 przez 20 minut na powierzchni pokrytej OTS, aby wprowadzić grupy hydroksylowe jako etap wstępny do kowalencyjnego szczepienia warstwy pędzla PDMS. Proces ten przeprowadza się w standardowych warunkach laboratoryjnych w temperaturze pokojowej i ciśnieniu atmosferycznym.
    UWAGA: Ten krok jest kluczowy. Bez aktywacji hydroksylowej warstwa szczotki PDMS nie uchodzi w formowanie i nie rozwija się śliska granica.
  2. Nałóż 20 μL/cm2 z 10 cS oleju silikonowego na powierzchnię poprzez osadzanie kropli osiadłych, aby zapewnić jednolitą powłokę.
  3. Napromieniuj próbkę przez 15 minut lampą UV o wysokiej intensywności, umieszczoną 15 cm nad powierzchnią. Użyj źródła o wielu długościach fal z wyraźnymi szczytami na 207 nm (149 mW/cm2), 214 nm (155 mW/cm2), 296 nm (125 mW/cm2), 317 nm (93 mW/cm2) oraz 321 nm (89 mW/cm2). Napromieniowanie wytwarza ciepło, a podłoże osiąga 103,3 ± 5,2 °C, co ułatwia kowalencyjne powstawanie pędzli.
    UWAGA: Podczas intensywnego napromieniowania UV olej silikonowy może osiągać podwyższone temperatury (>100 °C). Chociaż sam olej silikonowy ma niską ostrą toksyczność, wdychanie mgły olejowej może powodować podrażnienia układu oddechowego. W podwyższonych temperaturach jego lotność wzrasta, a długotrwałe narażenie na słabo wentylowane lub zamknięte przestrzenie może stanowić zagrożenie dla zdrowia. Noś okulary blokujące UV i zadbaj o odpowiednią wentylację wyciągów powietrza, aby uwolnić ozon. Trzymaj łatwopalne lub lotne materiały z dala od instalacji, aby zapobiec zagrożeniu pożarowym spowodowanym wysoką temperaturą i promieniowaniem UV.
  4. Przechyl próbkę pod kątem 30° i utrzymuj przez 5 minut, aby nadmiar oleju silikonowego spłynął z powierzchni.
    UWAGA: Skuteczne drenażowanie potwierdza się, gdy powierzchnia pokazuje cienką, jednolitą warstwę oleju silikonowego bez gromadzenia się i dużych widocznych kropelek.

4. Wytwarzanie wzorzystych, śliskich struktur

  1. Projektuj pożądane kształty za pomocą oprogramowania CAD (np. CATIA) i eksportuj je jako pliki STL (gear, maze i JoVE text; Plik uzupełniający 1, Plik uzupełniający 2, Plik uzupełniający 3 oraz Plik uzupełniający 4). Załaduj pliki STL do oprogramowania do cięcia (np. Carima Slicer), aby generować obrazy projekcyjne 2D kompatybilne z drukarką 3D DLP. Wyślij powstałe pliki do drukarki do cyfrowej projekcji światła.
  2. Umieść powłokę powlekaną roztworem polimerowym (od kroku 1.2) na okno drukarki DLP. Wystaw próbkę na światło UV o sile 365 nm o natężeniu 180 mJ/cm2 z projekcyjnym wzorem cyfrowym, aby selektywnie utwardzić żywicę.
  3. Zanurz odsłoniętą próbkę w wodzie DI na 1 godzinę, aby wydobyć PEG-200. Susz próbkę w piekarniku o temperaturze 70 °C przez 1 godzinę, aby usunąć resztki wody i uzyskać nanoporowatą strukturę. Przeprowadz obróbkę powierzchni OTS oraz szczepienie światłem, aby ukończyć wytwarzanie wzorzystych, śliskich powierzchni.

Wyniki

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

Nanoporowate powierzchnie powstałe w wyniku polimeryzacyjnego separacji fazowej wykazywały dominujący rozkład wielkości porów 60-100 nm, jak pokazano na Rysunku 2. Ten rozkład został potwierdzony przez trzy pomiary replikacyjne za pomocą obrazowania SEM o wysokiej rozdzielczości. Obrazy SEM były przetwarzane za pomocą analizy pikselowej w MATLAB, aby określić średnice porów, zakładając przekrój kołowy.

Statyczny kąt kontaktu wody zmierzony na porowatej powierzchni wynosił 84,4 ± 1,4°, na podstawie pięciu testów powtarzalnych z 5 μL osiadłymi kroplami wody (Rysunek 3A). Aby ocenić zmiany w wilgotności powierzchni, kąt kontaktu był monitorowany na etapach modyfikacji powierzchni – w tym formowaniu struktury nanoporowatej, aktywacji UV-ozonu, silanizacji oraz szczepieniu PDMS indukowanym światłem. Po silanizacji powierzchnia stała się hydrofobowa; jednak drugie leczenie UV-ozonem, przeprowadzone przed przeszczepem PDMS, tymczasowo zmniejszyło kąt styku z powodu wprowadzenia grup hydroksylowych. Redukcja ta została odwrócona przez utworzenie kowalencyjnie wiązanej warstwy pędzli PDMS, przywracającej hydrofobowość powierzchni29. W przeciwieństwie do wolnych powłok silikonowych, które łatwo się wyczerpywają, szczoteczka PDMS z uwięzieniem zapewnia stabilną i elastyczną warstwę molekularną, która zatrzymuje smar i umożliwia długotrwałe zachowanie śliskie11. Jeśli proces szczepienia nie zostanie ukończony, krople pozostają przypięte do powierzchni i nie przesuwają się, co wskazuje, że etap szczepienia jest niezbędny do osiągnięcia śliskiego zachowania.

Aby zweryfikować śliskie zachowanie czterech reprezentatywnych cieczy (rysunek 3B) – wody dejonizowanej, oktanu (niskie napięcie powierzchniowe), miodu (wysoka lepkość) oraz sztucznej ludzkiej śliny (imitator biopłynów; komercyjny roztwór syntezyczny) – ich kąt styku (rysunek 3C), kąt ślizgu (rysunek 3D), prędkość ślizgu (rysunek 3E) oraz histereza kąta styku (CAH) (rysunek 3F)) były mierzone. Dla każdej cieczy używano 5 μL osiadłej kropli do pomiaru kątów kontaktu i przesuwu (szybkość przechylania: 0,8°/s), a kolejną kroplę 5 μL umieszczano na powierzchni pochylonej o 30°, aby zmierzyć prędkość przesuwania na odległość 8,5 mm. CAH było kwantyfikowane w każdym przypadku. Wszystkie testy zachowań śliskich wykonywano w pinotuplikacie. W każdym eksperymencie kąty przesuwania pozostawały poniżej 3°. Prędkość ślizgania miodu była wyraźnie niższa, ponieważ jego wysoka lepkość powoduje większe wewnętrzne rozpraszanie lepkości, które silnie opiera się ruchowi kropel pod tą samą siłą napędową. Dodatkowo CAH pozostawał poniżej 10° (rysunek 3F), co wskazuje na solidny, omnifobiczny i śliski interfejs.

Przed wdrożeniem protokołu śliskiego wzorowania z projekcją DLP, rozdzielczość druku żywicy PEG-PUA oceniano za pomocą wzorców testowych linii i przestrzeni (Rysunek 4). Biorąc pod uwagę natywną rozdzielczość pikseli układu DMD (50 μm x 50 μm), minimalna szerokość linii została ustalona na 50 μm, z stopniowym wzrostem do 300 μm. Każda szerokość linii była tworzona i analizowana pięć razy. Elementy 50 μm wykazywały wysoką wierność zaprojektowanej geometrii (50,3 ± 6,3 μm). Jednak odchylenia wymiarowe nieznacznie wzrastały przy szerszych cechach, prawdopodobnie z powodu rozpraszania światła i dyfuzji bocznej podczas ekspozycji szerszych obszarów, prowadząc do przekroczenia zamierzonych granic wzoru. Te efekty nadmiernego utwardzania są powszechnie obserwowane w żywicach fotopolimerowych, które nie są specjalnie zaprojektowane do produkcji addytywnej. W tym badaniu żywica PEG-PUA została początkowo opracowana do fotowzorowania i nie była zoptymalizowana do druku 3D, co prawdopodobnie przyczyniło się do tego zachowania. Niemniej jednak takie ograniczenia można złagodzić poprzez optymalizację składu żywicy i właściwości fotopolimeryzacji.

Wzorzyste nanoporowate powierzchnie z wzorami literowymi (JoVE) i graficznymi (labirynty, zębaty) były z powodzeniem wytwarzane procesem DLP (rysunek 5A). Po zakończeniu wszystkich etapów modyfikacji powierzchni – w tym silanizacji, aktywacji UV-ozonu, szczepienia PDMS oraz infuzji oleju silikonowego – wzory stały się optycznie przezroczyste (rysunek 5B). To przejście wynika z niedopasowania współczynnika załamania między powietrzem (n a = 1,0) a matrycą polimerową (np = 1,5), co powoduje rozpraszanie w niewypełnionych strukturach porowatych. Po infiltracji olejem silikonowym (ns = 1,4) kontrast współczynnika załamania został zmniejszony, co utworzyło widocznie przezroczystą powierzchnię o przepuszczalności przekraczającej 90% (rysunek 5C). Po nałożeniu tuszu zawierającego wodę krople selektywnie migrowały do nieobtworzonych obszarów hydrofilowych (np. warstwa PET), unikając domen śliskich (rysunek 5D), tworząc tym samym wyraźnie określone wzory cieczy (rysunek 5E). Wyniki te pokazują, że protokół umożliwia skuteczną przestrzenną kontrolę wilgotności powierzchni.

figure-results-1
Rysunek 1: Schemat procesu wytwarzania cyfrowo wzorowanej śliskiej powierzchni zbudowanej na nanoporowatej strukturze powlekanej silanem.(A) Proces roll-to-plate do równomiernego powlekania żywicy PEG-PUA pomiędzy folią PET a folią FEP, po czym następuje wzorowanie indukowane światłem za pomocą systemu projekcji DLP. (B) Sekwencja wytwarzania śliskiej powierzchni: (krok 1) Powstanie nanoporowatej powierzchni przez separację fazową; (Krok 2) Obróbka ozonem UV w celu generowania grup hydroksylowych na nanoporowej powierzchni; (Krok 3) Osadzanie z gazy OTS w celu utworzenia hydrofobowego SAM; (krok 4) drugie leczenie ozonem UV w celu wprowadzenia grup hydroksylowych na powierzchnię SAM; (krok 5) infiltracja oleju silikonowego; (krok 6) przeszczep powierzchniowy indukowany światłem w celu utworzenia warstwy pędzla PDMS. Skróty: PEG-PUA = Polietylen-glikol-poliuretan akrylan; PET = Polietylentereftalan; FEP = Fluorowany etylenpropylen; DLP = cyfrowe przetwarzanie światła; OTS = oktadecyltrichlorosilan; SAM = Samozorganizowana monowarstwa; PDMS = polidimetylosiloksan. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

figure-results-2
Rysunek 2: Wykonana nanoporowata powierzchnia. (A) kroki przetwarzania obrazu SEM do analizy rozmiaru nanoporów: (i) oryginalny obraz SEM; (ii) mapa głębi pokazująca względną głębokość porów z pseudokolorową skalą wyprowadzoną z jasności; (iii) obraz binarny do segmentacji porów; (iv) oznaczanie porów, gdzie każdemu porowi przypisuje się odrębny kolor. Pasek skali = 500 nm. (B) Rozkład rozmiarów nanoporów. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

figure-results-3
Rysunek 3: Analiza zwilżalności powierzchni. (A) Pomiary kąta styku wody (5 μL) po każdym etapie produkcji: powierzchnia porowata (krok 1), powierzchnia impregnowana ozonem UV (krok 2), powierzchnia pokryta OTS (krok 3), SAM impregnowana ozonem UV-ozonem (krok 4), powierzchnia pokryta olejem silikonowym (krok 5) oraz powierzchnia lekko szczepiona (krok 6). (B) Napięcie powierzchniowe różnych cieczy: oktan (28,7 ± 0,5 mN/m), woda (70,6 ± 4,4 mN/m), miód (51,0 ± 0,2 mN/m), sztuczna ludzka ślina (66,7 ± 0,4 mN/m) (C) Statyczny kąt styku, (D) Kąt ślizgu (5 μL), (E) Prędkość ślizgu (5 μL) oraz (F) Histerezza kąta styku (CAH) mierzona dla kropelek tych cieczy. Wszystkie eksperymenty przeprowadzono w temperaturze pokojowej i wilgotności względnej 40 ± 5%. Słupki i punkty oznaczają wartości średnie, a kreski błędu wskazują średnią ± SD (n = 5 niezależnych eksperymentów). Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

figure-results-4
Rysunek 4: Struktury mikroliniowe drukowane do testów rozdzielczości systemu DLP, z szerokością linii mierzoną w środku każdej linii (pięć powtórzeń). Pasek skali = 500 μm. Punkty oznaczają wartości średnie, a paski błędu wskazują średnią ± SD (n = 5 niezależnych eksperymentów). Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

figure-results-5
Rysunek 5: Powierzchnie wzorzyste wykonane na podstawie cyfrowo zaprojektowanych obrazów za pomocą projekcji DLP. (A) Nanoporowate powierzchnie przed infiltracją oleju silikonowego, wykazujące nieprzezroczystość. Wzory: (i) sprzęt, (ii) labirynt, (iii) tekst JoVE. Pasek skalowy: 10 mm. (B) Śliskie powierzchnie po infiltracji oleju silikonowego, wyglądają na przezroczyste. Wzory: (i) sprzęt, (ii) labirynt, (iii) tekst JoVE. (C) Porównanie przepuszczalności optycznej między powierzchniami śliskimi a porowatymi. (D) Selektywne usuwanie kropel wody kierowanych do wyznaczonych obszarów hydrofilowych (folia PET) na śliskiej powierzchni. (E) Wzorowanie prowadzone cieczą z kroplami wody na śliskiej powierzchni. Wzory: (i) sprzęt, (ii) labirynt, (iii) tekst JoVE. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Dyskusja

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

Kluczowym krokiem w tym protokole jest utworzenie nanoporowej struktury poprzez polimeryzację indukowaną separację fazową podczas utwardzania UV na bazie DLP. Mieszanie PEG-200 z fotoutwardzalną żywicą PUA i następnie napromieniowanie mieszaniny wzorzystym światłem UV daje krzyżowo osieciowane sieci porowate i struktury, które skutecznie zatrzymują smary1. Aby umożliwić późniejsze szczepieniewarstwy szczotki PDMS, która tworzy fundament stabilnej śliskiej granicy UV-ozone, wykonano dwukrotnie podczas procesu: najpierw wprowadzenie grup hydroksylowych na porowatą powierzchnię polimeru przed silanizacją, a po drugie, reaktywację powierzchni silanizowanej przed szczepieniem PDMS.

Należy zachować ostrożność podczas obu etapów UV-ozonu, ponieważ ekspozycja na warunki wysokiej energii – takie jak krótkofalowe światło UV i podwyższone temperatury – może uszkodzić polimerowe podłoże lub odkształcić strukturę powierzchni25. Po drugim kroku UV-ozonu na aktywowanej powierzchni nałożono olej silikonowy. Następne wielofalowe naświetlenie UV inicjuje szczepienie łańcuchów PDMS. Chociaż reakcja jest napędzana głównie przez światło UV, towarzysząca mu energia cieplna wspiera oddziaływania molekularne i sprzyja solidnemu wiązaniu powierzchni. Proces szczepienia prowadzi do powstania kowalencyjnej warstwy pędzla PDMS, co skutkuje stabilnymi, śliskimi interfejsami charakteryzującymi się niskimi kątami przesuwania, niskim CAH i szybką prędkością przesuwania. Jednak niewystarczająca hydroksylacja podczas obu etapów UV-ozonu może skutkować słabym szczepieniem i obniżeniem śliskich właściwości. Dodatkowo, jeśli intensywność UV użyta podczas procesu utwardzania nanoporowatej powierzchni spadnie poniżej zalecanej wartości, powierzchnia staje się nadmiernie chropowata, a rozmiar porów bardzo nieregularny, a nanoporowata warstwa może nawet odklejać się od podłoża PET podczas płukania23. Ponadto, chociaż nanoporowate powierzchnie można wytwarzać poprzez zwiększenie zawartości PEG-200 powyżej 50% masy, powstałe struktury często wykazują powiększone pory i zwiększoną chropowatą powierzchnię, co może utrudniać śliskie zachowanie, gdy krople są przypięte w dużych porach. Dlatego parametry produkcji powinny być starannie utrzymywane w określonych zakresach.

Ograniczeniem tego protokołu jest wytwarzanie dużych lub w pełni 3D (w skali milimetrów) śliskich struktur z wykorzystaniem przezroczystych formuł żywic w produkcji addytywnej. Ze względu na wysoką przepuszczalność optyczną żywicy PEG-PUA, światło UV może przenikać poza zamierzoną warstwę ekspozycji i inicjować utwardzanie w zagłębionych lub wklęsłych miejscach. Może to powodować niezamierzone zastyganie i utratę wierności strukturalnej, szczególnie w wewnętrznych jamach. Dlatego rozszerzenie tej metody na wolumetryczne, śliskie architektury 3D pozostaje wyzwaniem bez dalszego dostrojenia właściwości absorpcji optycznej żywicy23.

Pomimo tych ograniczeń, protokół oferuje wyraźne przewagi w porównaniu z konwencjonalnymi metodami wytwarzania SLIPS. W przeciwieństwie do podejść opartych na FDM22, które są ograniczone niską rozdzielczością i powolnym, punkt-po-punktowym osadzaniu lub technikami anodacji i żelacji20, które wymagają procedur wieloetapowych i sztywnych szablonów, proponowana metoda oparta na DLP umożliwia bezpośrednie wytwarzanie porowatych podłoży nasyconych smarem poprzez jednoetapowy, bezmaskowy i cyfrowo programowalny proces projekcji. Takie podejście nie tylko skraca czas produkcji, ale także upraszcza proces i znacznie zwiększa przepustowość wzorowania, umożliwiając efektywną produkcję powierzchni wzorzystych. Ponadto proces ten jest kompatybilny z elastycznymi podłożami, takimi jak folie PET. Dodatkowo, strategia separacji fazowej indukowanej światłem zapewnia wysoką rozdzielczość, elastyczność wzorowania oraz uproszczoną formację porowatych rusztowań zdolnych do zatrzymywania smarów. Zastosowanie procesów fotoindukowanych ułatwia również integrację z podłożami wzorzystym, pozwala na selektywną śliskość i wspiera skalowalną produkcję struktur wieloskalowych. Łącznie te zalety sprawiają, że metoda ta jest szczególnie odpowiednia do zastosowań takich jak kierowany transport kropel, mikrofluidika otwartego kanału, powłoki antyporostowe8 oraz systemy zbierania wody13,14, gdzie precyzyjna kontrola przestrzenna wilgotności powierzchni jest niezbędna.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają żadnych konfliktów interesów do zgłoszenia.

Podziękowania

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

Prace te otrzymały wsparcie z grantów National Research Foundation of Korea (NRF) finansowanych przez rząd Korei (MSIT) (nr 2023R1A2C3006499 oraz RS-2023-00238462). Badania te były również wspierane przez inicjatywę LAMP (Global Learning & Academic Research Institution for Master's and PhD Students and Postdocs) realizowaną przez grant Narodowej Fundacji Badań Korei (NRF), sfinansowany przez Ministerstwo Edukacji (nr RS-2024-00444460).

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
System LED UV 365 nmLichtzenLZL-FL-220220-CUrządzenia do utwardzania UV
Sztuczna ślinaTMABIOTB0924Sztuczna ludzka ślina (mimik biopłynów; komercyjny syntetyczny roztwór)
Carima SlicerCARIMAV2.0Oprogramowanie do cięcia
CATIASystemy DassaultV5R20Oprogramowanie CAD
Woda dejonizowana (DI)CHEMIA SPRZĄTANIA KOREIKCU-PW3Płukanie i usuwanie porogenów
Drukarka 3D DLP (365 nm UV)CARIMAIMD-CSprzęt do cyfrowego wzorowania
Fluorowana folia etylenpropylenowa (FEP)ALPHAFLONFEP0250Film premierowy
SchowekMADE LABG801Wykorzystywane do bezpiecznej obsługi materiałów niebezpiecznych
Mieszadło na płytach gorącychCorningPC-420DPłyta grzewcza i Magnetyczne mieszadła (5" x 7")
System lamp UV o wielu długościach falRaynicsRX-H1000SSprzęt do szczepienia indukowanego światłem
Oktadecyltrichlorosilan (OTS)Sigma-Aldrich104817Powłoka powierzchniowa hydrofobowa
PiekarnikSH ScientificSH-VDO-30NHWykorzystywane do suszenia próbek
Żywica utwardzalna do utwardzaniaTechnologia minutaMINS-311RMŻywica poliuretanowa akrylanowa (PUA)
Glikol polietylenowy (PEG) 200Przemysł Chemiczny TokioP0840Porogen
Folia z polietylen-tereftalianu (PET)Niebieski DPPodłoże do imprintowania
Olej silikonowyPolimer Shin-EtsuKF-96-10CS10cS
SmartDropFemtobiomaPomiar kąta styku
Oczyszczacz ozonu UVInżynieria JaesungUVC-30Sprzęt do obróbki ozonu UV
Spektrofotometr UV-widoczny/NIRJascoV-770Pomiar przepuszczalności światła

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wong, T. S., et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature. 477 (7365), 443-447 (2011).
  2. Yao, X., et al. Adaptive fluid-infused porous films with tunable transparency and wettability. Nat Mater. 12 (6), 529-534 (2013).
  3. Kreder, M. J., Alvarenga, J., Kim, P., Aizenberg, J. Design of anti-icing surfaces: smooth, textured or slippery. Nat Rev Mater. 1 (1), 1-15 (2016).
  4. Latthe, S. S., Terashima, C., Nakata, K., Fujishima, A. Superhydrophobic surfaces developed by mimicking hierarchical surface morphology of lotus leaf. Molecules. 19 (4), 4256-4283 (2014).
  5. Xiang, T., et al. Slippery liquid-infused porous surface for corrosion protection with self-healing property. Chem Eng J. 345, 147-155 (2018).
  6. Lee, S. H., et al. Implementation of a large-area slippery surface using a transparent organogel. Mater Today Chem. 39, 102187(2024).
  7. Wang, X., Zhuang, Z., Li, X., Yao, X. Droplet manipulation on bioinspired slippery surfaces: from design principle to biomedical applications. Small Methods. 8 (4), 2300253(2024).
  8. Tesler, A. B., et al. Extremely durable biofouling-resistant metallic surfaces based on electrodeposited nanoporous tungstite films on steel. Nat Commun. 6 (1), 8649(2015).
  9. Yuan, Y., et al. Self-repairing performance of slippery liquid infused porous surfaces for durable anti-icing. Adv Mater Interfaces. 9 (10), 2101968(2022).
  10. Eder, T., et al. Transparent PDMS surfaces with covalently attached lubricants for enhanced anti-adhesion performance. ACS Appl Mater Interfaces. 16 (8), 10942-10952 (2024).
  11. Zhao, X., et al. Macroscopic evidence of the liquidlike nature of nanoscale polydimethylsiloxane brushes. ACS Nano. 15 (8), 13559-13567 (2021).
  12. Dai, X., et al. Hydrophilic directional slippery rough surfaces for water harvesting. Sci Adv. 4 (3), eaaq0919(2018).
  13. Lv, P., Zhang, Y. L., Han, D. D., Sun, H. B. Directional droplet transport on functional surfaces with superwettabilities. Adv Mater Interfaces. 8 (12), 2100043(2021).
  14. Lian, Z., et al. Recent progress in bio-inspired macrostructure array materials with special wettability-from surface engineering to functional applications. Int J Extreme Manuf. 6 (1), 012008(2023).
  15. Yin, J., et al. Self-cleaning and antibiofouling enamel surface by slippery liquid-infused technique. Sci Rep. 6 (1), 25924(2016).
  16. Ucuncuoglu, R., Erbil, H. Y. Water drop evaporation on slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS): effect of lubricant thickness, viscosity, ridge height, and pattern geometry. Langmuir. 39 (18), 6514-6528 (2023).
  17. Zhang, P., Zhang, L., Chen, H., Dong, Z., Zhang, D. Surfaces inspired by the Nepenthes peristome for unidirectional liquid transport. Adv Mater. 29 (45), 1702995(2017).
  18. Song, T., et al. Fabrication of super slippery sheet-layered and porous anodic aluminium oxide surfaces and its anticorrosion property. Appl Surf Sci. 355, 495-501 (2015).
  19. Yoon, S. M., et al. Photo-induced liquid-based slippery materials for highly efficient particle aggregation. Appl Surf Sci. 682, 161638(2025).
  20. Mahmut, T. A. S., Memon, H., Xu, F., Ahmed, I., Hou, X. Electrospun nanofibre membrane based transparent slippery liquid-infused porous surfaces with icephobic properties. Colloids Surf A Physicochem Eng Asp. 585, 124177(2020).
  21. Mazzanti, V., Malagutti, L., Mollica, F. FDM 3D printing of polymers containing natural fillers: a review of their mechanical properties. Polymers. 11 (7), 1094(2019).
  22. Shams, H., Basit, K., Khan, M. A., Mansoor, A., Saleem, S. Scalable wear-resistant 3D printed slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS). Addit Manuf. 48, 102379(2021).
  23. Quan, H., et al. Photo-curing 3D printing technique and its challenges. Bioact Mater. 5 (1), 110-115 (2020).
  24. Belgardt, C., Graaf, H., Baumgärtel, T., Borczyskowski, C. V. Self-assembled monolayers on silicon oxide. Phys Status Solidi C. 7 (2), 227-231 (2010).
  25. Tesler, A. B., et al. A one-pot universal approach to fabricate lubricant-infused slippery surfaces on solid substrates. Adv Funct Mater. 31 (27), 2101090(2021).
  26. Huang, W. P., et al. Patterned slippery surface through dynamically controlling surface structures for droplet microarray. Chem Mater. 31 (3), 834-841 (2019).
  27. Sun, L., et al. Tailoring materials with specific wettability in biomedical engineering. Adv Sci. 8 (19), 2100126(2021).
  28. Kim, W. Y., et al. Quasi-seamless stitching for large-area micropatterned surfaces enabled by Fourier spectral analysis of moiré patterns. Nat Commun. 14 (1), 2202(2023).
  29. Pupillo, D., et al. Corrosion resistance of biodegradable zinc surfaces enhanced by UV-grafted polydimethylsiloxane coating. ACS Biomater Sci Eng. 10 (8), 4891-4900 (2024).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Slippery SurfacesDigital Light ProcessingNanoporous StructuresPolymerization Induced Phase SeparationSurface SilanizationUV Ozone TreatmentSilicone Oil GraftingContact Angle MeasurementDroplet TransportMicrofluidic Devices

Powiązane artykuły