Proces wytwarzania trójwymiarowych mikrostruktur z wykorzystaniem parowania składnika protektorowego
November 2nd, 2013
Proces waporyzacji składnika ofiarnego (VaSC) jest używany do wytwarzania struktur mikronaczyniowych. Ta procedura wykorzystuje protektorowe włókna kwasu poli(mlekowego) do tworzenia pustych mikrokanalików z precyzyjnym pozycjonowaniem geometrycznym 3D zapewnianym przez laserowo obrabiane mikroobrabiane płytki prowadzące.
Ogólnym celem tej procedury jest wytworzenie trójwymiarowych struktur mikronaczyniowych. Osiąga się to poprzez uprzednie stworzenie włókien ofiarnych poprzez włączenie dwuszczawianu cyny do włókien kwasu polimlekowego. Drugim krokiem jest trójwymiarowe ułożenie włókien za pomocą płytek wzorcowych.
Następnie włókna są odlewane w żywicy do zatapiania. Ostatnim krokiem jest usunięcie włókien z żywicy pod wpływem ciepła i próżni. Ostatecznie układ mikronaczyniowy może być wykorzystywany do wielu celów, w tym do wymiany ciepła, transportu masy i systemów samoleczenia.
Ogólnie rzecz biorąc, osoby nowe w tej metodzie będą miały trudności ze względu na wysoki stopień zręczności manualnej i świadomości wzrokowej potrzebnej do pracy z włóknami. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ chemiczna obróbka włókien i nawlekanie płytek wzorcowych są trudne do nauczenia, ponieważ wymagają koordynacji ręka-oko i specjalistycznego sprzętu. Rozpocznij proces infuzji katalizatora włóknistego za pomocą dostosowanego wrzeciona i źródła włókien kwasu polimlekowego o znanej średnicy.
Tutaj 200 mikronów. Owiń żądaną ilość włókien wokół dolnych trzech czwartych wrzeciona. Zmniejsz nakładanie się włókien, aby zapewnić maksymalną ekspozycję powierzchni w butelce, którą można zamknąć.
Wymieszaj 400 mililitrów wody dejonizowanej z 40 mililitrami dysbarycznej. Jeden 30. Zamknij butelkę i potrząsaj nią do uzyskania jednorodnego roztworu.
Następnie umieść 1000-mililitrową zlewkę w łaźni wodnej o temperaturze 37 stopni Celsjusza. Wlej 400 mililitrów etanolu trifluorowego do zlewki. Dodaj roztwór dyspereczny wody do zlewki i mieszaj do uzyskania jednolitej konsystencji.
Dodaj jeden gram zieleni malachitowej lub innego barwnika do mieszaniny i mieszaj, aż się rozpuści. Teraz przymocuj wrzeciono do miksera cyfrowego i wyreguluj wysokość tak, aby wrzeciono znajdowało się pół cala od dołu. Ustaw mikser na 400 obr./min i zacznij powoli miksować.
Do mieszaniny dodać 1,3 grama katalizatora szczawianowego cyny. Dostosuj pH w mieszaninie za pomocą wodorotlenku sodu, aż pH osiągnie około 6,8 do 7,2. Następnie przymocuj pokrywę do zlewki i zwiększ obroty wrzeciona do 500 obr./min.
Utrzymuj to przez 24 godziny w ciągu pierwszych dwóch godzin. Ręcznie rozdrobnij wszelkie zbrylone aglomeracje szczawianu cyny, które się rozwijają. Po upływie 24 godzin nagrzej piekarnik do 35 stopni Celsjusza.
Wyjmij wrzeciono z miksera i umieść je w piekarniku. Pozostaw do wyschnięcia na noc. Po co najmniej ośmiu godzinach suszenia wyjmij wrzeciono z piekarnika, odwiń włókna z wrzeciona.
Usuń nadmiar katalizatora z włókien. Wytwarzanie mikronaczyniowej wymiany gazowej rozpoczyna się od uzyskania pary wycinanych laserowo mosiężnych płytek wzorcowych o pożądanym wzorze mikronaczyniowym. Przymocuj płytki do uchwytów zaciskowych.
Wytnij 10-calową długość katalizowanego włókna na mikrokanał. Użyj płytki przyciętej do średnicy włókna, aby usunąć pozostały katalizator z włókien. Użyj końcówki gorącego pistoletu do klejenia, aby zwęzić krawędzie włókna.
Zrób to, powoli wytłaczając końcówki włókien. Po zakończeniu przeciągnij włókna przez pasujące otwory w parach mosiężnych płytek wzorzystych. Następnie przykręć płytki do pudełka do formowania.
Upewnij się, że włókna nie są skręcone podczas mocowania płyt. Następnie przeciągnij końcówki włókien przez kołki stroikowe niestandardowej płyty napinającej, napnij włókna PLA do momentu napięcia. Uważaj, aby nie naprężyć nadmiernie i nie zatrzasnąć włókien.
Usuń nadmiar cząstek stałych ze wzoru włókien za pomocą sprężonego powietrza. Teraz wymieszaj bazę polidimethylxin z jej utwardzaczem w stosunku 10 do jednej objętości, umieść mieszaninę w słoiku z osuszaczem. Odgazowuje mieszaninę przez 10 minut w próżni.
Wlej mieszaninę PDMS do pudełka do formowania, ale nie bezpośrednio na włókna. Użyj igły o rozmiarze 26, aby usunąć wszelkie pęcherzyki w pudełku do formowania lub między włóknami. Po zakończeniu utwardź zestaw w temperaturze 85 stopni Celsjusza przez 30 minut.
Gdy pudełko ostygnie, odczep mosiężne płytki od pudełka do formowania, uważając, aby nie zgiąć płytek ani nie ciągnąć zbyt mocno. Wyjmij utwardzony pierwszy stopień z pudełka do formowania. Użyj igły podskórnej o średnicy, która jest co najmniej dwukrotnie większa od zewnętrznej średnicy włókien, aby nakłuć otwory w zaślepce RTV z igłą na miejscu gwintu włókna przez otwór.
Następnie wyjmij igłę. Układ otworów powinien być podobny do mosiężnej płytki wzorzystej, ale szerzej rozłożony. Następnie przymocuj zaślepki do większego pudełka do formowania.
Wlej drugi stopień PDMS i usuń wszelkie pozostałe pęcherzyki gazu. Ponownie utwardzony w temperaturze 85 stopni Celsjusza przez 30 minut. Po drugim utwardzeniu odetnij nadmiar włókien PLA z próbki.
Umieść go w piekarniku próżniowym w temperaturze 210 stopni Celsjusza na 24 godziny lub do momentu, gdy większość włókien PLA zostanie usunięta. Jeśli nie można usunąć PLA, wstrzyknij jeden mililitr chloroformu, aby rozpuścić to, co pozostało w mikrokanałach. Na tym kończy się produkcja urządzenia.
Ta procedura zapewnia metodę wytwarzania struktur mikronaczyniowych w żywicy, jak widać w jednostce wymiany gazowej. Pokazane na górze. W lewym dolnym rogu znajduje się szczegół segmentu konstrukcji.
Barwniki zostały użyte dla przejrzystości wizualnej. Po prawej stronie znajduje się sześciokątny wzór otworów o średnicy 200 mikronów i 300 mikronów, używany do tworzenia mikrokanałów. Mikrokanaliki są całkowicie puste w środku i można je oddzielić od siebie o mniej niż 50 mikronów.
Struktura sieci mikronaczyniowej jest ograniczona jedynie przez struktury, które mogą być tworzone przez włókna protektorowe. W mikrokanałach mogą pojawić się zarówno nieszczelności, jak i korki. Po lewej stronie tego wymiennika gazowego znajduje się wtyczka.
Często można je usunąć za pomocą rozpuszczalnika. Po prawej stronie znajduje się przykład wycieku. Powstają one, gdy włókna protektorowe nie są dokładnie oczyszczone lub dobrze napięte Po opanowaniu tę technikę można wykonać w 45 minut w przypadku tworzenia włókien i 60 minut w przypadku wytwarzania jednostek mikronaczyniowych.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak sprawić, by włókna protektorowe tworzyły trójwymiarowy wzór i rozwiązywać problemy z tym ogromnym procesem.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Proces Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) jest wykorzystywany do wytwarzania trójwymiarowych struktur mikrokrążenia. Ta innowacyjna metoda wykorzystuje ofiarne włókna poli(kwasu mlekowego) do stworzenia wgłębionych mikrokanałów, przy czym precyzyjne pozycjonowanie geometryczne osiągane jest za pomocą kierunkowców wykonywanych laserowo.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Biomateriały
- Mikrofabrykacja
Tło
- Potrzeba zaawansowanych systemów mikrokrążenia w różnych zastosowaniach.
- Znaczenie precyzyjnego pozycjonowania geometrycznego w mikrofabrykacji.
- Wykorzystanie materiałów ofiarnych do tworzenia złożonych struktur.
- Zastosowania w wymianie ciepła, transporcie masy i systemach samonaprawiających się.
Cel badania
- Opracowanie niezawodnej metody wytwarzania struktur mikrokrążenia.
- Poprawa funkcjonalności mikrokanałów dla różnych zastosowań.
- Zbadanie potencjału procesu VaSC w inżynierii biomedycznej.
Stosowane metody
- Tworzenie włókien ofiarnych poprzez włączenie szczawianu cyny do kwasu polimlekowego.
- Trójwymiarowe układanie włókien za pomocą płyt kierunkowczych.
- Wylewanie włókien w żywicy osadzającej.
- Ewakuacja włókien z żywicy w warunkach ciepła i próżni.
Główne wyniki
- Udane wytworzenie wgłębionych mikrokanałów o precyzyjnej geometrii.
- Demonstracja wszechstronności systemu mikrokrążenia.
- Potencjalne zastosowania w różnych dziedzinach, w tym w inżynierii biomedycznej.
- Walidacja procesu VaSC dla przyszłych badań i rozwoju.
Wnioski
- Proces VaSC jest skuteczny w tworzeniu struktur mikrokrążenia.
- Mikrokanały mogą być wykorzystywane do różnych zastosowań.
- Ta metoda otwiera nowe kierunki badań w dziedzinie mikrofabrykacji i biomateriałów.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
The Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) process enables scalable fabrication of three-dimensional microvascular structures with precise geometric control. This capability addresses a critical challenge in replicating complex vascular architectures for advanced biomaterials and tissue engineering. The method supports high-fidelity mass transport systems, directly impacting early discovery and translational research pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables construction of physiologically relevant microenvironments for hypothesis-driven studies.
- Supports functional validation of vascularized tissue models for mechanistic de-risking.
- Facilitates exploration of structure-function relationships in engineered matrices.
Screening & Assay Development
- Provides reproducible microchannel arrays for standardized compound perfusion assays.
- Enables quantitative assessment of mass transport and exchange in synthetic systems.
- Supports scalable preparation of assay-ready platforms for high-throughput workflows.
Translational & Preclinical Research
- Aligns engineered microvascular networks with disease-relevant tissue models.
- Maintains continuity from discovery-stage validation to preclinical evaluation of biomaterials.
- Reduces translational risk by enabling predictive in vitro testing of vascularized constructs.
Pipeline & Workflow Integration
The VaSC process integrates from early discovery through preclinical model development, supporting both hypothesis testing and assay standardization.
- Discovery Biology: Enables controlled testing of vascularization hypotheses in engineered matrices.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative microchannel platforms for compound evaluation.
- Analytics: Provides measurable outputs for comparing mass transport and channel integrity.
- Translational Research: Bridges in vitro model development with preclinical biomaterial validation.
- Enterprise Reuse: Offers a modular fabrication capability adaptable to diverse R&D needs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in engineered tissue models and vascularized systems.
- Operational Value: Standardizes fabrication of complex microstructures for reproducible research.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making by reducing ambiguity in model performance.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of biomaterial and tissue engineering programs.
Implementation Considerations
- Requires specialized manual dexterity and visual awareness for fiber handling.
- Needs access to micromachined patterning plates and tensioning devices.
- Demands cross-team standardization for reproducible microchannel fabrication.
- Adaptable to various matrix materials and fiber topologies as supported by the process.
- Potential for leaks or plugs necessitates troubleshooting and quality control steps.
