Name: Mikroprzepływowa produkcja włókien polimerowych i biohybrydowych o wstępnie zaprojektowanym rozmiarze i kształcie (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-01-08T13:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 38 s
Description: Poznaj mikroprzepływową produkcję włókien polimerowych z precyzyjną kontrolą kształtu i rozmiaru przy użyciu polimeryzacji inicjowanej UV. Ta metoda umożliwia wytwarzanie mikrowłókien w temperaturze pokojowej bez wysokiego napięcia.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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

Ten protokół opisuje wytwarzanie pustego włókna za pomocą fotoinicjowanej chemii tiolowo-ynowej. Mikrokanał ma rowki w jodełkę lub "paski" jako elementy kształtujące w dolnej i górnej części kanału (rysunek 1). Wprowadzane są trzy płyny, które są kierowane w koncentrycznych strumieniach; Od wewnętrznych do zewnętrznych strumieni płynów są one określane jako płyn rdzeniowy, okładzinowy i osłonowy. Tylko przepływ okładziny jest polimeryzowany, tworząc puste włókno. Wybrane materiały są następujące:
<ol type="a">
	<li>Płyn rdzeniowy: PEG (MW = 400), ~100 mPa.s (20 ºC)</li>
	<li>Płyn okładzinowy: polimer tiolowo-ynowy (PETMP + ODY), inicjator (DMPA)</li>
	<li>Płyn osłonowy: PEG (MW = 400), ~100 mPa.s (20 ºC)</li>
</ol>
Urządzenie mikrokanałowe zostało złożone z części aluminiowych i plastikowych, wykonanych metodą frezowania CNC i odlewania PDMS. Przepływ przez mikrokanał był kontrolowany przez trzy pompy strzykawkowe.
1. Projektowanie i symulacja mikrokanału
Podczas obliczania zarówno prędkości płynu, jak i konwekcji/dyfuzji w mikrokanale, ważne jest przypisanie odpowiedniej lepkości każdemu napływającemu płynowi.
<ol>
	<li>Utwórz model komputerowy żądanego mikrokanału, który zostanie zaimportowany do oprogramowania do obliczeniowej dynamiki płynów (COMSOL). Przykład na rysunku 1 został wygenerowany za pomocą oprogramowania CAD Autodesk Inventor. Poniższe kroki odnoszą się do wykorzystania COMSOL Multiphysics do obliczania przepływu płynów w mikrokanale.</li>
	<li>Po zaimportowaniu zaprojektowanego mikrokanału do COMSOL, iteracyjne natężenia przepływu płynu mogą zostać wprowadzone do solwera Naviera-Stokesa.
	<ol>
		<li>Zainicjuj ustawienia programu i wybierz Równania przepływu laminarnego 3D + konwekcji / dyfuzji. Niskie liczby Reynoldsa generowane w mikrokanałach umożliwiają pełny przepływ laminarny w urządzeniu.</li>
		<li>Zaprojektuj siatkę elementów skończonych, na której zostaną wykonane obliczenia numeryczne. Siatka powinna być bardziej dopracowana (mieć małe podziały) w obszarach, w których właściwości zmieniają się szybko. Sugeruje się dopracowanie siatki zarówno na etapie kształtowania, jak i na wyjściu do długości boku <1 μm. Zapewnia to "wyraźną" wizualizację interfejsu płynu rdzeń-osłonka.</li>
		<li>Właściwości materiału wejściowego dla przepływu płynu, tj. lepkość, stała dyfuzji i stężenie. W tym momencie należy również ustawić warunki brzegowe dla przepływu wyjściowego. Sugerujemy zerowe naprężenie lepkie, aby symulować otwarty wylot.</li>
		<li>Obliczanie badań prędkości przepływu płynu poprzez iteracyjne cykliczne przechodzenie przez szereg wejściowych natężeń przepływu. Na przykład płyn rdzeniowy = 7,5 μl/min, płyn w osłonie = 30 μl/min.</li>
		<li>Zaimportuj roztwory pola prędkości jako wartości początkowe, aby rozwiązać właściwości konwekcyjne/dyfuzyjne przepływu mikrokanałowego. Rozwiązanie problemów z konwekcją/dyfuzją zilustruje granicę faz płynu rdzeń-osłona i pomoże w przewidywaniu kształtu końcowego przepływu płynu i wytwarzanego włókna.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
Na podstawie wyników obliczeń, można przewidzieć wymaganą liczbę i rodzaj cech kształtujących, aby osiągnąć pożądany kształt włókna. Dane wejściowe natężenia przepływu płynu będą również skorelowane z wymaganymi natężeniami przepływu do wytworzenia włókien. Dzięki tym przewidywaniom można wyprodukować urządzenie mikrokanałowe do wytłaczania włókien polimerowych.
2. Wytwarzanie elementów aparatury przepływowej
Kombinacja bezpośredniego mikromielenia, tłoczenia na gorąco i/lub odlewania polimerów może być użyta do stworzenia komponentów urządzenia do przepływu osłony. W zależności od zasobów wybierz odpowiednią strategię. Przedstawiony przykład to proces frezowania bezpośredniego, w którym wykorzystuje się komputerowy kod numeryczny (CNC). Do wykonania jest pięć warstw (od góry do dołu), które przedstawiono na rysunku 2: 1. Uchwyt wlotowy (aluminiowy), 2. Płytka mocująca (aluminiowa), 3. Górna warstwa mikrokanalików (cykliczny kopolimer olefiny, COC lub PDMS), 4. Dolna warstwa mikrokanałowa (COC lub polieteroeteroketon, PEEK), 5. Płytka mocująca (aluminiowa). (Przykładowe pliki do frezowania bezpośredniego są dostępne w formacie *.stl w informacjach dodatkowych)
<ol>
	<li>Korzystając z projektu zgodnego z symulacjami COMSOL, opracuj model 3D systemu za pomocą projektowania wspomaganego komputerowo (CAD). Utwórz osobny plik CAD dla każdej warstwy urządzenia.</li>
	<li>Gdy warstwa ma zostać wyprodukowana za pomocą bezpośredniego mikrofrezowania, zaimportuj modele CAD do aplikacji do obróbki wspomaganej komputerowo, aby wygenerować kod numeryczny (NC), który zostanie zinterpretowany przez frezarkę sterowaną numerycznie (CNC) w celu wyprodukowania urządzenia.</li>
	<li>Zdobądź 5 arkuszy warstw protektorowych o grubości co najmniej 3,2 mm × 30,5 cm o grubości 30,5 cm.</li>
	<li>Zdobądź po 1 arkuszu COC, PEEK, aluminium i poli(metakrylanu metylu) o grubości 30,5 cm × 30,5 cm i 3,2 mm.</li>
	<li>Zdobądź 1 arkusz aluminium o grubości 30,5 cm × 30,5 cm i 9,5 mm grubości.</li>
	<li>Przymocuj każdy z arkuszy w krokach 2.4-2.5 do arkusza materiału ofiarnego z kroku 2.3 za pomocą dwustronnego kleju. Upewnij się, że istnieje maksymalnie 2,5 cm zewnętrzne, niezaklejone oklejone obramowanie . Taśma służy do utrzymywania materiału roboczego na miejscu podczas frezowania i do jego ochrony, gdy frezowana część zostanie odcięta od materiału wyjściowego pod koniec cyklu frezowania.</li>
	<li>Przymocuj COC + materiał protektorowy do stołu frezarki CNC, załaduj narzędzia podane w kodzie numerycznym (NC) i skalibruj narzędzia i materiały magazynowe (robocze) w x, y i z.</li>
	<li>Załaduj kod NC i zmiel warstwę COC.</li>
	<li>Usuń arkusz materiału z młyna i ostrożnie usuń obrabianą część z podłoża. Podczas tego procesu chłodziwo młyna nasyci część i materiał. Dokładnie spłucz przed delikatnym wyjęciem części. Umyć łagodnym detergentem, a następnie umyć 70% alkoholem izopropylowym. Łagodny detergent usunie oleiste pozostałości, a alkohol usunie resztki kleju. Jeśli zadziory są uwięzione w mikroarchitekturze, może być konieczna sonikacja w celu ich usunięcia.</li>
	<li>Powtórz kroki 2.7 i 2.9 dla każdej z pozostałych warstw, które zostaną użyte do stworzenia urządzenia przepływu osłony.</li>
	<li>Z wyjątkiem warstwy PMMA, każda z warstw, które zostały przygotowane do tej pory, zostanie wykorzystana bezpośrednio w urządzeniu. PMMA zostanie użyty do przygotowania warstwy PDMS poprzez połączenie 10 części bazy Sylgard 184 z 1 częścią utwardzacza i dokładne wymieszanie przez mieszanie. Informacje te są podane w przypadku, gdy ktoś wolałby zastąpić jedną z warstw COC materiałem PDMS przypominającym uszczelkę.</li>
	<li>Wlej Sylgard 184 do przygotowanej wcześniej wnęki formy PMMA, upewniając się, że pęcherzyki powietrza zostały wyeliminowane. W razie potrzeby pęcherzyki można usunąć w próżni. PDMS można utwardzać w temperaturze pokojowej przez 48 godzin, 45 minut w temperaturze 100 °C, 20 minut w temperaturze 125 °C lub 10 minut w temperaturze 150 °C.</li>
</ol>
3. Zespół aparatury przepływowej
<ol>
	<li>Zamontuj urządzenie przepływowe osłony od dołu do góry, umieszczając jedną płytę mocującą na dole, następnie warstwę COC, a następnie drugą warstwę COC i pozostałą płytkę mocującą (Rysunek 2). Upewnij się, że rowki kształtujące są wyrównane ze sobą wzdłuż krawędzi kanału i że geometrie kształtowania płynów w warstwach COC idealnie na siebie zachodzą. Mikroskop preparacyjny może być użyty do pomocy w wyrównaniu.</li>
	<li>Włóż w poprzek środka urządzenia i ręcznie dokręć nakrętki i, aby clamp urządzenie razem.</li>
	<li>Na przemian od lewej do prawej od środka, powtórz krok 3.2 od środka na zewnątrz, aby zablokować wyrównanie i zapobiec wyciekom. Dodaj uchwyt wlotowy, gdy dojdziesz do jego otworów montażowych i kontynuuj montaż na przemian.</li>
	<li>Użyj standardowych złączek HPLC, aby połączyć urządzenie przepływu osłony z rurkami i strzykawkami, które zawierają płyn osłonowy i roztwór prepolimeru. Ręczne dokręcanie jest wystarczające dla wszystkich połączeń.</li>
	<li>Zamontuj urządzenie pionowo za pomocą stojaka pierścieniowego i clamp. Upewnij się, że urządzenie jest ustawione pionowo, używając poziomicy w najwyższej części. Jeśli urządzenie przepływowe osłony nie jest pionowe, włókno może dotykać ścianki mikrokanału i powodować zatkanie.</li>
	<li>Umieść źródło promieniowania UV prostopadle ~1 cm od powierzchni COC urządzenia przepływowego w osłonie tak, aby ostatnie 3-5 cm mikrokanału zostało napromieniowane. Źródło UV powinno być skalibrowane tak, aby dostarczało ~200 mW/cm2.</li>
</ol>
4. Przygotowanie roztworu
Jak wskazano wcześniej, wiele materiałów może być używanych do tworzenia mikrowłókien przy użyciu analogicznych protokołów i systemów przepływu osłon, ale tutaj stosuje się chemię tiolowo-ynową. Roztwór prepolimeru należy przygotować bezpośrednio przed rozpoczęciem procesu wytłaczania włókien, aby uniknąć wzrostu lepkości, który może wystąpić z czasem podczas przechowywania.
<ol>
	<li>Przygotować podwielokrotność glikolu polietylenowego 400 (PEG 400), która posłuży jako płyn osłonowy.</li>
	<li>Napełnij strzykawkę o pojemności 1 ml z końcówką Luer PEG 400, aby służyła jako niepolimeryzowalny płyn rdzeniowy, a 30 ml strzykawkę z końcówką Luer napełnij PEG 400, aby posłużył jako płyn w osłonce.</li>
	<li>Przygotować roztwór prepolimeru zawierający 0,01 mola pentaerytrytolu tetrakis 3-merkaptopropionian (PETMP) i 0,01 mola 1,7-oktadyny (ODY). Upewnij się, że oba składniki są dobrze wymieszane przez cały czas trwania eksperymentu, zminimalizuj narażenie wszystkich odczynników prepolimerowych na źródła światła UV, w tym światło otoczenia (np. owinąć strzykawki folią).</li>
	<li>Uzupełnić roztwór PETMP/ODY fotoinicjatorem 2,2-dimetoksy-2-fenyloacetofenonu (DMPA) o masie 4 x 10-4 mol. Kontynuuj upewnienie się, że roztwory są dobrze wymieszane i że nie są wystawione na działanie światła UV, przykrywając pojemniki folią aluminiową.</li>
	<li>Załaduj 5 ml strzykawki owiniętej folią aluminiową i końcówką Luer z roztworem prepolimeru.</li>
</ol>
5. Produkcja mikrofibry (główny temat filmu)
<ol>
	<li>Upewnij się, że wylot kanału mikroprzepływowego styka się z roztworem w kąpieli zbiorczej (rysunek 3). W przypadku złożonych struktur roztwór w kąpieli zbiorczej powinien być dopasowany lepkością do płynów rdzeniowych i osłonowych, ale w przypadku prostych pustych włókien wystarczająca jest woda.</li>
	<li>Ustaw pompy strzykawkowe z rdzeniem, okładziną i osłoną na infuzję odpowiednio z prędkością 1, 30 i 120 μl/min. Upewnij się, że strzykawki o odpowiednich średnicach zostały prawidłowo wprowadzone do pomp strzykawkowych.</li>
	<li>Zamontuj strzykawki w odpowiednich pompach strzykawkowych i podłącz je do urządzenia przepływowego osłony za pomocą rurki Tygon chroniącej przed promieniowaniem UV.</li>
	<li>Uruchom płyn osłonowy, aby zalać urządzenie przepływowe osłony i usunąć powietrze z układu. Przed przejściem do następnego kroku sprawdź wzrokowo mikrokanalik, upewniając się, że nie pozostały w nim pęcherzyki powietrza. Zwróć szczególną uwagę na paski. Mikroskop preparacyjny może być używany do pomocy w kontroli mikrokanałów. Jeśli obecne są pęcherzyki powietrza, porusz urządzenie, obracając i/lub delikatnie stukając podczas przepływu, aby wypłukać pęcherzyki powietrza z urządzenia.</li>
	<li>Uruchom płyn okładzinowy, pozwalając również na ustabilizowanie przepływu. Upewnij się, że w mikrokanaliku nie pozostały żadne pęcherzyki powietrza przed przejściem do następnego kroku. Zwróć szczególną uwagę na rowki kształtujące. Jeśli występują pęcherzyki powietrza, należy zamieszać urządzenie pod przepływem, aby wypłukać pęcherzyki powietrza z urządzenia.</li>
	<li>Na koniec uruchom płyn rdzeniowy; ponownie upewnij się, że w systemie nie ma pęcherzyków.</li>
	<li>Włącz źródło promieniowania UV i obserwuj, jak kąpiel zbiorcza zapewnia ciągłą produkcję pustej mikrofibry (Rysunek 4A), gdy jest ona wyrzucana wraz z płynem osłonowym. Pobrać włókno z kąpieli zbiorczej za pomocą zmodyfikowanej szpatułki lub pętli zaszczepiającej i pozwolić na zebranie ciągłego włókna na zmotoryzowanej szpuli (rysunek 3).</li>
</ol>

<ol><li>Khademhosseini, A., Langer, R., Borenstein, J., Vacanti, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microscale+technologies+for+tissue+engineering+and+biology%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Microscale technologies for tissue engineering and biology.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 2480-2487 (2006).</li>
<li>Blond, D., McCarthy, D. N., Blau, W. J., Coleman, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toughening+of+artificial+silk+by+incorporation+of+carbon+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Toughening of artificial silk by incorporation of carbon nanotubes.</a> Biomacromolecules. 8, 3973-3976 (2007).</li>
<li>Aykut, Y., Saquing, C. D., Pourdeyhimi, B., Parsons, G. N., Khan, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Templating+quantum+dot+to+phase-transformed+electrospun+TiO%282%29+nanofibers+for+enhanced+photo-excited+electron+injection%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl.+Mater.+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Templating quantum dot to phase-transformed electrospun TiO(2) nanofibers for enhanced photo-excited electron injection.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 3837-3845 (2012).</li>
<li>Puigmarti-Luis, J., Schaffhauser, D., Burg, B. R., Dittrich, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Microfluidic+Approach+for+the+Formation+of+Conductive+Nanowires+and+Hollow+Hybrid+Structures%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">A Microfluidic Approach for the Formation of Conductive Nanowires and Hollow Hybrid Structures.</a> Adv. Mater. 22, 2255-22 (2010).</li>
<li>Edie, D. D., Fox, N. K., Barnett, B. C., Fain, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Melt-spun+noncircular+carbon-fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Carbon%22%5BJournal%5D)">Melt-spun noncircular carbon-fibers.</a> Carbon. 24, 477-482 (1986).</li>
<li>Park, S. J., Seo, M. K., Shim, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+fiber+shapes+on+physical+characteristics+of+non-circular+carbon+fibers-reinforced+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Sci.+Eng.+A+Struct%22%5BJournal%5D)">Effect of fiber shapes on physical characteristics of non-circular carbon fibers-reinforced composites.</a> Mater. Sci. Eng. A Struct. 352, 34-39 (2003).</li>
<li>Haile, W. A., Phillips, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Deep+grooved+polyester+fiber+for+wet+lay+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Tappi%22%5BJournal%5D)">Deep grooved polyester fiber for wet lay applications.</a> Tappi. 78, 139-142 (1995).</li>
<li>Yamada, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Radiative+properties+of+fibers+with+non-circular+cross+sectional+shapes%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Quant.+Spectrosc.+Ra%22%5BJournal%5D)">Radiative properties of fibers with non-circular cross sectional shapes.</a> J. Quant. Spectrosc. Ra. 73, 261-272 (2002).</li>
<li>Kopp, V. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chiral+fiber+gratings%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Chiral fiber gratings.</a> Science. 305, 74-75 (2004).</li>
<li>Thangawng, A. L., Howell, P. B., Richards, J. J., Erickson, J. S., Ligler, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+simple+sheath-flow+microfluidic+device+for+micro%2Fnanomanufacturing%3A+fabrication+of+hydrodynamically+shaped+polymer+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">A simple sheath-flow microfluidic device for micro/nanomanufacturing: fabrication of hydrodynamically shaped polymer fibers.</a> Lab Chip. 9, 3126-3130 (2009).</li>
<li>Thangawng, A. L., Howell, P. B., Spillmann, C. M., Naciri, J., Ligler, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((UV+polymerization+of+hydrodynamically+shaped+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">UV polymerization of hydrodynamically shaped fibers.</a> Lab Chip. 11, 1157-1160 (2011).</li>
<li>Thangawng, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+hard+microflow+cytometer+using+groove-generated+sheath+flow+for+multiplexed+bead+and+cell+assays%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Bioanal.+Chem%22%5BJournal%5D)">A hard microflow cytometer using groove-generated sheath flow for multiplexed bead and cell assays.</a> Anal. Bioanal. Chem. 398, 1871-1881 (2010).</li>
<li>Mott, D. R., Howell Jr,, B, P., Obenschain, K. S., Oran, E. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Numerical+Toolbox%3A+An+approach+for+modeling+and+optimizing+microfluidic+components%5BTitle%5D)+AND+%22Mech.+Res.+Commun%22%5BJournal%5D)">The Numerical Toolbox: An approach for modeling and optimizing microfluidic components.</a> Mech. Res. Commun. 36, 104-109 (2009).</li>
<li>Mott, D. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toolbox+for+the+design+of+optimized+microfluidic+components%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Toolbox for the design of optimized microfluidic components.</a> Lab Chip. 6, 540-549 (2006).</li>
<li>Howell Jr,, B, P., Ligler, F. S., Shields, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sheath+fow+device+and+method%5BTitle%5D)+AND+%22United+States+patent+US20110193259%22%5BJournal%5D)">Sheath fow device and method.</a> United States patent US20110193259. , (2011).</li>
<li>Howell, P. B., Ligler, F. S., Shields, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Creating+sheathed+flow+for+applications+e.g.+particle+counting%2C+by+introducing+sheath+and+core+streams+at+proximal+end+of+channel+that+creates+multiple+sheathed+flows%2C+and+polymerizing+multiple+sheathed+flows+to+form+multiple+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22United+States+patent+US2011193259-A1%22%5BJournal%5D)">Creating sheathed flow for applications e.g. particle counting, by introducing sheath and core streams at proximal end of channel that creates multiple sheathed flows, and polymerizing multiple sheathed flows to form multiple fibers.</a> United States patent US2011193259-A1. , (2009).</li>
<li>Mott, D., Howell Jr,, B, P., Ligler, F. S., Fertig, S., Bobrowski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sheath+flow+device+and+method%5BTitle%5D)+AND+%22United+States+patent+US20090208372%22%5BJournal%5D)">Sheath flow device and method.</a> United States patent US20090208372. , (2009).</li>
<li>Daniele, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+and+continuous+hydrodynamically+controlled+fabrication+of+biohybrid+microfibers%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Rapid and continuous hydrodynamically controlled fabrication of biohybrid microfibers.</a> Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2012).</li>
<li>Howell, P. B., Mott, D., Golden, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+toolbox+for+design+of+fluidic+components+and+systems%5BTitle%5D)+AND+%22United+States+patent+US20080221844%22%5BJournal%5D)">Numerical toolbox for design of fluidic components and systems.</a> United States patent US20080221844. , (2008).</li>
<li>Shields, A. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrodynamically+directed+multiscale+assembly+of+shaped+polymer+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Hydrodynamically directed multiscale assembly of shaped polymer fibers.</a> Soft Matter. 8, 6656-6660 (2012).</li>
<li>Boyd, D. A., Shields, A. R., Naciri, J., Ligler, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrodynamic+shaping%2C+polymerization%2C+and+subsequent+modification+of+thiol+click+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl.+Mater.+Inter%22%5BJournal%5D)">Hydrodynamic shaping, polymerization, and subsequent modification of thiol click fibers.</a> ACS Appl. Mater. Inter. 5, 114-119 (2012).</li>
<li>Daniele, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+and+Continuous+Hydrodynamically+Controlled+Fabrication+of+Biohybrid+Microfibers%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Rapid and Continuous Hydrodynamically Controlled Fabrication of Biohybrid Microfibers.</a> Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2013).</li>
<li>Boyd, D. A., Shields, A. R., Howell, P. B., Ligler, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+fabrication+of+uniquely+shaped+thiol-ene+microfibers+using+a+two-stage+hydrodynamic+focusing+design%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Design and fabrication of uniquely shaped thiol-ene microfibers using a two-stage hydrodynamic focusing design.</a> Lab Chip. 13, 3105-3110 (2013).</li>
</ol>

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

Wytwarzanie włókien polimerowych przy użyciu podejścia opartego na przepływie osłony ma wiele zalet w porównaniu z innymi technikami wytwarzania włókien. Jedną z tych zalet jest możliwość wytwarzania włókien przy użyciu różnych kombinacji odczynników. Chociaż tutaj przedstawiono konkretną kombinację tiol-yne, kilka innych kombinacji chemicznych tiolu (w tym tiol-len) działa równie dobrze. Do produkcji włókien można zastosować szeroką gamę innych kombinacji, o ile roztwór osłony miesza się z materiałem rdzenia, który ma być polimeryzowany. Inkluzje, takie jak nanowłókna, cząstki i komórki, są również możliwe, o ile weźmie się pod uwagę udział tych dodatków w lepkości roztworu prepolimeru.
Chemia tiolowa jest podzbiorem rodziny chemii kliknięć, w której kompleks z grupą tiolową może być kowalencyjnie przyłączony do kompleksu z grupą funkcyjną alkenową (wiązanie podwójne) lub alkinową (wiązanie potrójne) przez fotopolimeryzację światłem UV. Reakcje z udziałem alkenów nazywane są reakcjami tiol-en, a reakcje z udziałem alkinów nazywane są reakcjami tiol-yne. Jedno wiązanie pi (z alkenu lub alkinu) przyłączy się do jednego grupa tiolowa po napromieniowaniu światłem UV. Proces ten dobrze wpisuje się w rodzinę reakcji kliknięć i został skutecznie wykorzystany w naszym kanale mikroprzepływowym do produkcji włókien o różnych kształtach (np. okrągłe, w kształcie wstęgi, podwójnej kotwicy) z wielu składników wyjściowych tiolowych.
Szczególną zaletą opisanej tutaj metody w porównaniu z większością innych podobnych procesów jest możliwość kontrolowania zarówno kształtu, jak i rozmiaru wytwarzanych włókien (rysunki 4A-H). Projektując kanał tak, aby miał paski, szewrony lub jodełkę, wytworzone włókno będzie miało inny kształt przekroju poprzecznego. Ogólnie rzecz biorąc, paski są przydatne do tworzenia okrągłych kształtów lub do wprowadzania dodatkowych strumieni osłony, aby całkowicie otoczyć poprzednio ukształtowane strumienie i odsunąć je od ścian kanału przed polimeryzacją. Szewrony zmniejszają wymiar pionowy w środku kształtowanego strumienia, zachowując symetrię poziomą. Jodełka zmniejsza wymiar pionowy jednej strony kształtowanego strumienia, tworząc asymetrię. Te narzędzia do kształtowania można mieszać w niezliczonych kombinacjach. Liczba równoważnych cech (tj. 7 szewronów kontra 10 szewronów) może być również wykorzystana do produkcji włókien o różnych profilach przekroju.
Oprócz możliwości kontrolowania kształtu włókien, przedstawiona metodologia wytwarzania włókien daje również możliwość kontrolowania rozmiaru wytwarzanych włókien, nawet przy użyciu pojedynczego zespołu przepływu osłony (np. Rysunek 1). Regulacja stosunku natężenia przepływu osłony do rdzenia jest jednym ze sposobów wytwarzania włókien o różnych polach przekroju poprzecznego. Możliwe jest również kontrolowanie rozmiaru włókna poprzez dostosowanie projektu kanału tak, aby miał dodatkowe stopnie poszycia. #160; Niezależnie od tego, czy kształtowanie odbywa się w jednym czy kilku etapach, prosty etap końcowy może być wykorzystany do zmniejszenia rozmiaru rdzenia bez zmiany kształtu.
Łatwość, z jaką można wykorzystać wiele kombinacji odczynników do produkcji włókien o różnych kształtach i rozmiarach przy użyciu tej konstrukcji kanału mikroprzepływowego, okaże się przydatna w szerokim zakresie zastosowań, od inżynierii tkankowej, przez komunikację optyczną, po inteligentne tekstylia.

Rusztowania tkankowe1, materiały kompozytowe2, komunikacja optyczna3 i przewodzące materiały hybrydowe4 to obszary badań wykorzystujących specjalistyczne włókna polimerowe. Konwencjonalne metody wytwarzania włókien obejmują wytłaczanie ze stopu, przędzenie, ciągnienie, odlewanie i elektroprzędzenie. Większość włókien polimerowych wytwarzanych tymi metodami ma okrągłe przekroje powstałe w wyniku napięcia powierzchniowego między polimerem a powietrzem podczas wytwarzania. Jednak włókna o nieokrągłych przekrojach mogą poprawiać właściwości mechaniczne materiałów kompozytowych5,6, zwiększać stosunek powierzchni do objętości, kontrolować zwilżanie lub odprowadzanie wilgoci7 i być wykorzystywane jako falowody8 lub polaryzatory9.
Produkcja specjalistycznych włókien polimerowych przez systemy mikroprzepływowe wykorzystujące jeden strumień (przepływ osłony) do otoczenia i kształtowania innego strumienia (przepływ rdzenia) są atrakcyjne ze względu na łagodne warunki i zdolność do ciągłej produkcji wysoce powtarzalnych włókien. Początkowe eksperymenty pozwoliły na uzyskanie okrągłych włókien o rozmiarach zależnych od względnych natężeń przepływu prepolimeru i płynów osłonowych10-12. Odkrycie, że rowki w górnej i dolnej części kanału mikroprzepływowego mogą odchylać osłonę, tworząc z góry określony kształt dla strumienia rdzenia13,14, doprowadziło do opracowania technologii generowania bardziej złożonych kształtów włókien10-12,15-17.
Badacze NRL zademonstrowali następujące krytyczne cechy techniczne13-21:
<ol>
	<li>Do kierowania płynem osłonki w celu ukształtowania strumienia rdzenia można wykorzystać różne cechy kształtujące: rowki lub grzbiety mogą być skonfigurowane jako paski, szewrony lub jodełka.</li>
	<li>Zestaw narzędzi tych funkcji można zmapować do pożądanego wyniku przepływu.</li>
	<li>Mikrokanaliki można tworzyć przy użyciu technik litografii, formowania, frezowania lub drukowania. Materiały podłoża nie mogą rozpuszczać się ani ulegać erozji w roztworach prepolimerów lub osłon, a w przypadku polimeryzacji inicjowanej fotoinicjowaną warstwy zewnętrzne muszą być przezroczyste dla światła ultrafioletowego.</li>
	<li>Kształt utworzony przez pojedynczy zestaw elementów kształtujących może być zmieniany poprzez zmianę natężenia przepływu przez kanał. Symulacje przepływu płynów w mikrokanałach COMSOL Multiphysics są w stanie przewidzieć wynikowe kształty płynów i włókien.</li>
	<li>Dopasowanie lepkości i fazy (hydrofilowości) płynów osłonowych i rdzeniowych ma kluczowe znaczenie dla uniknięcia niestabilności typu wyboczenia, wynikającej ze zmian odkształcenia ścinającego na granicy faz płynu. Jeśli występuje duża lepkość lub niedopasowanie fazowe, może wystąpić wyboczenie lepkie, które może zdeformować ostateczny kształt włókna lub nawet zatkać mikrokanał.</li>
	<li>Włókna mogą być formowane przez odlewanie lub polimeryzację, ale polimeryzacja zapewnia większą kontrolę nad kształtem.</li>
	<li>Polimeryzacja (krzepnięcie płynu rdzeniowego) musi nastąpić przed wyjściem z mikrokanału. Jednak wolniejsza polimeryzacja w kanale może powodować wzrost lepkości, wpływając na kształt włókna, a nawet zatykając kanał. Czas i miejsce zdarzeń polimeryzacji muszą być dokładnie kontrolowane.</li>
	<li>Ze względu na szybką kinetykę reakcji, fotoindukowane polimeryzacje wolnorodnikowe, zwłaszcza chemia na bazie tioli, szczególnie dobrze nadają się do produkcji włókien.</li>
	<li>Względne natężenia przepływu można zmieniać podczas wytwarzania, aby uzyskać niejednorodne średnice włókien.</li>
	<li>Wiele grup funkcji kształtowania można zintegrować w jednym kanale z następujących powodów:
	<ol type="a">
		<li>Aby rozdzielić funkcje kształtowania i zmiany rozmiaru</li>
		<li>Do tworzenia włókien wielowarstwowych lub pustych w środku</li>
		<li>Do produkcji wielu włókien z jednego kanału mikroprzepływowego</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Mezogeny ciekłokrystaliczne włączone do polimeru w bardzo niskich stężeniach wykazują dwójłomność w świetle spolaryzowanym, co sugeruje, że cząsteczki polimeru mogą być ustawione wzdłuż osi włókien.</li>
	<li>Komórki mogą być włączone do biokompatybilnych prepolimerów hydrożelowych i przetrwać proces wytwarzania z wysoką żywotnością22.</li>
</ol>
Podczas wytwarzania włókien polimerowych za pomocą hydrodynamicznego ogniskowania przez strumień osłony w celu kształtowania strumienia prepolimeru, wybór materiałów polimerowych jest praktycznym pierwszym krokiem. Odpowiednie polimery, odpowiadające im substancje chemiczne inicjatorów i płyny osłonowe powinny być określone w ramach następujących wytycznych:
<ol>
	<li>Płyny polimerowe i osłonowe są mieszalne i mają podobną lepkość. Na przykład wodny roztwór monomeru może wykorzystywać wodę jako żywy płyn osłonowy, ale nie może wykorzystywać heksanu jako płynu osłonowego.</li>
	<li>Mechanizm polimeryzacji musi mieć wystarczająco szybką kinetykę, aby zestalić płyn rdzeniowy po uformowaniu i bezpośrednio przed wyjściem włókna z kanału.</li>
</ol>
Po wybraniu materiałów, należy zaprojektować mikrokanał do generowania pożądanego kształtu i rozmiaru włókna. Aby określić wymagane cechy kształtujące (paski, jodełki, szewrony), można wykorzystać oprogramowanie do obliczeniowej dynamiki płynów do przewidywania wzorców przepływu płynów. Elementy kształtujące transportują płyn osłonki wokół płynu rdzeniowego. Ogólnie rzecz biorąc, paski przesuwają płyn osłonkowy przez górną i dolną część kanału z jednej strony na drugą, podczas gdy jodełka i szewrony przesuwają płyn z boków w kierunku góry i/lub dołu kanału, a następnie z powrotem w kierunku środka kanału bezpośrednio pod punktem struktury. Liczba powtarzających się rowków w górnej i dolnej części kanału wpływa na stopień w którym kierowany jest płyn osłonki. Stosunek natężenia przepływu płynu rdzeniowego i osłonowego również pośredniczy w tym efekcie. Symulacje przeprowadzone przy użyciu oprogramowania COMSOL Multiphysics okazały się wiarygodne w ocenie interakcji cech kształtujących i stosunków natężenia przepływu w celu przewidywania kształtu przekroju poprzecznego. Symulacje te dostarczają również użytecznych informacji na temat dyfuzji substancji rozpuszczonych między rdzeniem a osłoną przy proponowanej wielkości kanału, lepkości i natężeniu przepływu.
Jeśli pożądany jest skomplikowany kształt, taki jak "podwójna kotwica" opisana w Boyd et al.23, przydatne jest rozdzielenie funkcji kształtowania i rozmiaru. Złożony kształt można utworzyć za pomocą jednego zestawu cech, a następnie strategicznie umieszczoną strukturę z pojedynczym rowkiem umieszczoną u wejścia drugiego strumienia poszycia można wykorzystać do zmniejszenia pola przekroju poprzecznego strumienia polimeryzującego bez znaczącej zmiany jego kształtu.
Kolejny przykład skomplikowanego projektowania mikrokanałów może generować wielowarstwowe włókna. W tym projekcie wprowadzane są sekwencyjne zestawy cech kształtujących i dodatkowe płyny do okładzin. Te koncentryczne przepływy mogą być zestalane w solidne włókna okładzinowe rdzenia lub puste rury. Przykład tego urządzenia zostanie przedstawiony poniżej.
Po wybraniu projektu urządzenia mikroprzepływowego, proces produkcji mikrokanałów może się rozpocząć. Narzędzia produkcyjne, które mogą być użyte, obejmują miękką litografię, frezowanie CNC, tłoczenie na gorąco i druk 3D. Niezależnie od użytych narzędzi, ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że cechy przypadkowo wprowadzone do ściany kanału mikroprzepływowego będą również kierować przepływem osłonki i mogą powodować wysoce powtarzalne odchylenia w kształcie przekroju poprzecznego wszystkich włókien wykonanych za pomocą tego urządzenia. Materiały podłoża mikrokanalikowe powinny być również starannie dobrane, aby były fizycznie wytrzymałe, chemicznie obojętne i odporne na uszkodzenia spowodowane promieniowaniem UV. Na przykład polidimetylosiloksan (PDMS) można łatwo odlewać, zapewnia uszczelki przypominające uszczelki i jest przezroczysty dla promieni UV; PDMS jest przydatny dla przezroczystej górnej części kanału, ale nie dla boków i dołu kanału, które wymagają większej sztywności.
Ostatecznie, poprzez wprowadzenie odpowiednio dobranych płynów rdzeniowych i osłonowych przy natężeniach przepływu przewidywanych przez symulacje dynamiki płynów, cechy kształtujące wygenerują odpowiedni profil płynu, a lampa utwardzająca UV utwardza zaprojektowane włókna polimerowe. Ciągłe wytłaczanie spolimeryzowanych włókien z kanału może zapewnić powtarzalne włókna o długościach ograniczonych jedynie objętością zbiorników płynu.

<table><tbody><tr><td>Pentaerytrytol tetrakis 3-merkaptopropionian</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>381462</td><td>Zobacz referencje</td></tr><tr><td>1.7-Octadiyne</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>161292</td><td>Zobacz referencje</td></tr><tr><td>2,2-dimetoksy-2-fenyloacetofenon</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>196118</td><td>Zobacz referencje</td></tr><tr><td>Glikol polietylenowy 400</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>202398</td><td>Glikol polietylenowy 200 lub 600, dekstroza, lub glicerol może być zastąpiony</td></tr><tr><td>Sylgard 184&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>761036</td><td>QSIL 216, OptiTec 7020 lub GS RTV 615 mogą być zastąpione przez</td></tr><tr><td>Tabela wyposażenia specjalnego</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MiniMill</td><td>Haas</td><td>MINIMILL</td><td>Każdy kod NC interpretujący frezarkę o osi 2,5 (lub wyższej) można zastąpić</td></tr><tr><td>pompami strzykawkowymi (3)</td><td>Aparatura Harvarda</td><td>702212</td><td>Pompy strzykawkowe, które można zaprogramować tak, aby dostarczały pożądane natężenia przepływu, można zastąpić</td></tr><tr><td>Rurka Tygon (3 m)</td><td>Rurka Fisher Scientific</td><td>14-169-13A</td><td></td></tr><tr><td>Rurka NA PEEK</td><td>Złączki HPLC Upchurch Scientific</td><td>1435</td><td>NA</td></tr><tr><td>Lampa UV</td><td>Upchurch Scientific</td><td>1457</td><td></td></tr><tr><td>NA BlueWave 200 ze stojakiem i światłowodami</td><td>Dymax</td><td>38905; 38477; 39700</td><td>Każde prowadzone źródło UV, które dostarcza 300-450 nm, >200 mW/cm2 można zastąpić</td></tr><tr><td>zlewką 500 ml</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB-100-600</td><td>Można zastąpić dowolne naczynie o mniej więcej tej samej wielkości i kształcie</td></tr><tr><td>Stojak pierścieniowy</td><td>Fisher Scientific</td><td>S47807</td><td>Można zastąpić dowolny statyw pierścieniowy zdolny do zamontowania zaciśniętego aparatu przepływowego z osłoną powyżej poziomu pomp strzykawkowych</td></tr><tr><td>Stojak pierścieniowy clamp uchwyt (2)</td><td>Fisher Scientific</td><td>S02625</td><td>Każdy stojak pierścieniowy clamp uchwyt zdolny do trzymania zacisków może zostać zastąpiony</td></tr><tr><td>Stojak pierścieniowy clamps (2)</td><td>Fisher Scientific</td><td>02-216-352</td><td>Każdy stojak pierścieniowy clamp zdolny do utrzymania zaciśniętej osłony aparatu przepływowego i światłowodów może być zastąpiony</td></tr><tr><td>strzykawkami 1, 5 i 60 ml</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-823-16H; 14-823-16D; 14-820-11</td><td>Każda strzykawka o znanej średnicy wewnętrznej i wystarczającej objętości może zostać zastąpiona</td></tr><tr><td>poli(metakrylanem metylu) (3,2 mm)</td><td>McMaster-Carr</td><td>8560K239</td><td>Poliwęglan i cykliczny kopolimer olefin mogą być podstawione</td></tr><tr><td>Polieteroeteroket ketonowy (3,2 mm)</td><td>McMaster-Carr</td><td>8504K25</td><td>Materiały odporne na rozpuszczalniki można zastąpić</td></tr><tr><td>aluminium (3,2, 9,5 mm)</td><td>McMaster-Carr</td><td>1651T41; 9246K23</td><td>W razie potrzeby zastąp inne materiały</td></tr></tbody></table>

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

Microfluidic Fabrication of Polymeric and Biohybrid Fibers with Predesigned Size and Shape

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

Do wytworzenia włókien kapilarnych zastosowano prostą konstrukcję dwustopniową, wykorzystującą rowki kształtujące i trzy wloty roztworów (Rycina 1). Symulacje w programie COMSOL posłużyły do określenia odpowiednich stosunków przepływów w celu uzyskania pożądanego rozmiaru przekroju poprzecznego (Rycina 1, film ESI). Komponenty zestawu do przepływu osłonowego służącego do wytwarzania włókien wykonano w technice frezowania i formowania (Rycina 2). Kompletny zestaw obejmował urządzenie do przepływu osłonowego, laser UV sprzężony z włóknem światłowodowym, trzy pompy strzykawkowe, kąpiel zbierającą (zlewkę) oraz szpulę do zbierania włókien (Rycina 3).
Polimeryzację materiału płaszcza zainicjowano za pomocą źródła światła UV, a włókna kapilarne były wytłaczane z mikrokanału do kąpieli zbierającej. Włókno tworzyło się i było zbierane w sposób ciągły aż do momentu wyłączenia światła UV. Produkcja włókien trwała kilka minut, w wyniku czego uzyskano pojedyncze włókno o długości ponad metr. Włókna wytworzone w tych warunkach miały średnicę około 200 µm. Strukturę włókien zbadano przy użyciu mikroskopii optycznej i elektronowej. Włókna miały owalny kształt z pustym rdzeniem. Wykorzystano zjawisko kapilarne, aby wprowadzić ciecz i pęcherzyki powietrza do wnętrza włókna, co potwierdziło, że pusta struktura jest ciągła na całej jego długości (Rysunek 4A).
<img alt="Schemat urządzenia do przepływu osłonowego; dane z symulacji COMSOL; wytwarzanie włókien; stosunki rdzeń:płaszcz." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50958/50958fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1. Projekt urządzenia do przepływu osłonowego i dane z programu COMSOL. Do produkcji włókna kapilarnego (obróconego o 45° wokół osi x) wybrano dwusekcyjne urządzenie do wytwarzania z prostymi rowkami. Symulacje COMSOL po lewej stronie pokazują, w jaki sposób stosunki przepływów rdzeń:płaszcz:osłona (liczby pod każdą symulacją) wpływają na końcowy rozmiar włókien kapilarnych. Przekrój poprzeczny mikrokanału wynosi 1 mm x 0,75 mm, a paski mają szerokość 0,38 mm i głębokość 250 µm. Paski są ustawione pod kątem ∠45° względem kanału.
<img alt="Schemat rozłożony warstwowej konfiguracji optycznej z perforowanymi płytkami, oznaczone A-E, z naniesionymi wymiarami." fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig2highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2. Widok rozłożony zespołu przepływu osłonowego. Od góry do dołu: (A) uchwyt wlotowy, (B) płytka mocująca, (C) pokrywa mikrokanału, (D) podstawa mikrokanału, (E) płytka mocująca. Komponenty wykonane są odpowiednio z aluminium, aluminium, COC (lub PDMS), COC (lub PEEK) oraz aluminium. Regularnie rozmieszczone otwory służą do montażu śrub.
<img alt="Schemat i zdjęcie układu do elektroprzędzenia, produkcja włókien, roztwór polimeru, przyłożenie napięcia." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50958/50958fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3. Zdjęcie układu i schemat ogólny. Układ obejmuje zespół przepływu osłonki zamocowany pionowo nad zlewem z kąpielą wodną, laser światłowodowy do fotopolimeryzacji, trzy pompy strzykawkowe oraz wrzeciono do zbierania włókien polimerowych. Wstawka przedstawia zespół do wytwarzania z oświetleniem UV. (A) wloty osłonki i rdzenia, (B) kanał mikrofluidyczny, (C) światło UV, (D) zbiornik odbiorczy, (E) zbierane spolimeryzowane włókno.
<img alt="Zdjęcia materiałów włóknistych pod mikroskopem pokazują strukturę, teksturę i morfologię w skalach mikro." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50958/50958fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4. Obrazy z mikroskopii optycznej i skaningowej elektronowej włókien wytworzonych za pomocą ogniskowania hydrodynamicznego. Za pomocą ogniskowania hydrodynamicznego wytworzono włókna o następujących kształtach: (A) rurki puste w środku, (B) wstążki prostokątne, (C) cienkie wstążki elastyczne, (D) trójkąty, (E) kształty fasolopodobne, (F) sznur pereł, (G) włókno okrągłe z zatopionym nanowłóknem węglowym oraz (H) kształt podwójnej kotwicy. Włókna wykonano z różnych materiałów, w tym z akrylanów, metakrylanów i tiol-enów.
<a href="/files/ftp_upload/50958/ESI_Video.mp4" target="_blank">Film ESI.</a> Wykres przekroju (slice plot) wygenerowany w programie COMSOL Multiphysics, przedstawiający połowę mikrokanału, do którego wpływają ciecze rdzenia, płaszcza i osłony, przechodząc przez dwuetapowe ukośne rowki zmieniające przepływ. Symulowane natężenia przepływu rdzenia, płaszcza i osłony wynoszą odpowiednio 1, 28 i 256 µl/minodpowiednio. Wideo przedstawia ok. 6 s czasu rzeczywistego, spowolnionych 6-krotnie w celach ilustracyjnych.

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

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

A &#8220;sheath&#8221; fluid passing through a microfluidic channel at low Reynolds number can be directed around another &#8220;core&#8221; stream and ...

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest zademonstrowanie złożonego kształtowania płynów, obserwowanego podczas wytwarzania mikrowłókien. Jest to osiągane poprzez zbudowanie kanału mikrofluidycznego ze specjalnymi rowkami w celu wytworzenia polimerowego rdzenia o zdefiniowanym kształcie przekroju poprzecznego. W drugim kroku przygotowywany jest roztwór prepolimeru, który zostanie ukształtowany i spolimeryzowany po przejściu przez kanał.Następnie w dolnej części kanału włącza się światło UV w celu polimeryzacji materiału polimerowego. Na przedstawionych mikrografiach z elektronowego mikroskopu skaningowego widocznych jest kilka wytworzonych kształtów mikrowłókien. Podobnie, zalety tej techniki w porównaniu z innymi istniejącymi metodami, takimi jak elektroprzędzenie i przędzenie z topnienia, obejmują fakt, że technika ta może być przeprowadzana w temperaturze pokojowej oraz może być stosowana z różnymi odpowiednimi materiałami polimerowymi.Ponadto technika ta nie wymaga stosowania wysokich napięć. Nie wymaga ona wysokiej temperatury z następującym po niej szybkim chłodzeniem, a także nie wymaga kontroli czynników środowiskowych, takich jak wilgotność. Wizualna prezentacja tej techniki jest kluczowa, ponieważ wytwarzanie włókien mikrofluidycznych nie jest tak powszechne jak niektóre inne metody, w związku z czym bez zobaczenia tego procesu może być trudno go sobie wyobrazić.Wizualnie jednak metoda ta była wykorzystywana do produkcji polimerowych mikrowłókien. Te same zasady są stosowane w naszym laboratorium do opracowywania innych systemów, takich jak mikro naczynia krwionośne. Pomysł ten pojawił się początkowo podczas obserwacji mikromikserów i systemów mikroprzepływowej cytometrii przepływowej za pomocą mikroskopii konfokalnej.Zaobserwowaliśmy powstawanie trwałych, ozdobnych przekrojów poprzecznych. Postawiliśmy hipotezę, że poprzez wprowadzenie roztworu polimeru, kształty te można utrwalić za pomocą fotopolimeryzacji w sposób ciągły i stosunkowo łatwy. Procedurę tę zaprezentują Michael Danielle i Darrell Boyd, postdoktoranci z mojego laboratorium.W pierwszej kolejności należy złożyć wcześniej zaprojektowane urządzenie do przepływu osłonowego od dołu, umieszczając na spodzie jedną płytkę mocującą, następnie warstwę COC (cyklicznego kopolimeru olefinowego) oraz pozostałą płytkę mocującą. Należy upewnić się, że rowki formujące są ze sobą wyrównane wzdłuż krawędzi kanału, a geometrie formujące płyn w warstwach COC idealnie się pokrywają. Przez środek urządzenia należy wsunąć śruby, a następnie za pomocą wkrętarki dokręcić nakrętki i śruby, aby scisnąć urządzenie, dokręcając je naprzemiennie od lewej do prawej strony środka.Powtórz poprzedni krok, przesuwając się od środka na zewnątrz, aby utrwalić wyrównanie i zapobiec wyciekom. Po dotarciu do otworów montażowych załóż uchwyt wlotowy i kontynuuj dokręcanie śrub naprzemiennie. Następnie podłącz urządzenie do przepływu osłonki do rurek typu tigon.Używając standardowych złączek do HPLC, ręcznie dokręć wszystkie połączenia, zamontuj urządzenie pionowo za pomocą statywu z obejmą i upewnij się, że urządzenie znajduje się w pionie, używając poziomicy umieszczonej na najwyższej części. Następnie ustaw źródło UV prostopadle, w odległości około jednego centymetra od powierzchni COC urządzenia do przepływu osłonowego, tak aby naświetlone zostały ostatnie trzy do pięciu centymetrów mikrokanału. Napełnij strzykawkę z końcówką luer o pojemności 1 ml roztworem PEG 400, który będzie służył jako niepolimerowy płyn rdzeniowy, oraz strzykawkę z końcówką luer o pojemności 30 ml roztworem PEG 400, który będzie służył jako płyn osłonowy.Następnie, w małej probówce, uzupełnij świeżo przygotowany roztwór linii tiolowej o 4 × 10⁻⁴ mola fotoinicjatora DMPA. Po około dwóch minutach mieszania, napełnij strzykawkę z dolną końcówką o objętości 5 ml, owiniętą folią aluminiową, roztworem prepolimeru. Następnie umieść wylot kanału mikrofluidycznego w kąpieli zbierającej zawierającej wodę.Ustaw pompy strzykawkowe dla rdzenia, płaszcza i cieczy osłonowej na przepływ odpowiednio 30 i 120 µL/min. Następnie wprowadź odpowiednie średnice strzykawek do pomp strzykawkowych. Po tym zamontuj strzykawki w odpowiednich pompach i podłącz je do urządzenia do przepływu osłonowego.Używając rurek tigon z ochroną przed promieniowaniem UV, rozpocznij podawanie płynu osłonowego, aby zaprawić urządzenie do przepływu osłony i usunąć powietrze z układu. Przeprowadź inspekcję wizualną mikrokanału, zwracając szczególną uwagę na rowki kształtujące, aby upewnić się, że w mikrokanale nie pozostały pęcherzyki powietrza przed przejściem do następnego kroku. Jeśli obecne są pęcherzyki powietrza, potrząśnij urządzeniem, obracając je lub delikatnie opukując podczas przepływu, aby wypłukać je z urządzenia.Uruchom przepływ cieczy osłonowej, pozwalając na jego stabilizację. Po sprawdzeniu mikrokanału i usunięciu pęcherzyków powietrza, uruchom ciecz rdzeniową i w ten sam sposób co wcześniej upewnij się, że w układzie nie ma pęcherzyków. Na koniec włącz źródło UV i obserwuj kąpiel zbiorczą pod kątem ciągłej produkcji pustego w środku mikrowłókna, które jest wypłukiwane wraz z cieczą osłonową.Wyjmij włókno z kąpieli zbierającej; do wytworzenia włókien kapilarnych zastosowano prostą konstrukcję dwustopniową z wykorzystaniem rowków kształtujących i trzech wlotów roztworów. Symulacje w programie Comsol posłużyły do określenia odpowiednich stosunków natężeń przepływu w celu uzyskania pożądanego rozmiaru przekroju poprzecznego. Komponenty zespołu przepływu osłonowego do wytwarzania włókien wykonano w procesie frezowania i odlewania.Polimeryzację materiału płaszcza zainicjowano za pomocą źródła światła UV, a włókna kapilarne były wytłaczane z mikrokanału do kąpieli zbierającej. Produkcja włókien trwała kilka minut i pozwoliła na wytworzenie pojedynczego włókna o długości ponad metr. Włókna wykonane w tych warunkach miały średnicę około 200 mikrometrów.Strukturę włókien zwizualizowano przy użyciu mikroskopii optycznej i elektronowej. Włókna miały owalny kształt z pustym rdzeniem. Wykorzystano zjawisko kapilarne do wprowadzenia cieczy i pęcherzyków powietrza do wnętrza włókna, co potwierdziło, że pusta struktura jest ciągła na całej długości włókna.Po opanowaniu tej procedury cały proces może zająć zaledwie 45 minut. Czas ten obejmuje przygotowanie kanału, sporządzenie roztworu, wytwarzanie włókien oraz ich zbieranie. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat tego, jak zaprojektować i złożyć kanał mikroprzepływowy do produkcji pustych w środku mikrowłókien.Pamiętaj, że podczas pracy z niebezpiecznymi chemikaliami oraz przy naświetlaniu promieniami UV należy zawsze używać osobistych środków ochrony indywidualnej.

microfluidic-fabrication-polymeric-biohybrid-fibers-with-predesigned

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Mikropłytkowa produkcja włókien polimerowych i biohybrydowych o wstępnie zaprojektowanej wielkości i kształcie

Opisano wydajne podejście do przygotowania nanowłókien udekorowanych grupami funkcyjnymi zdolnymi do specyficznych oddziaływań z białkami. Podejście to wymaga w pierwszej kolejności przygotowania polimeru funkcjonalizowanego odpowiednią grupą funkcyjną. Funkcjonalny polimer jest przekształcany w nanowłókna za pomocą elektroprzędzenia. Efektywność wiązania nanowłókien z białkiem jest badana za pomocą mikroskopii konfokalnej.

Procedura wytwarzania biofunkcjonalnych nanowłókien

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.

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

Proponujemy prostą technikę samoorganizacji koloidalnych nanocząstek krzemionki w celu stworzenia nanofluidycznego połączenia między dwoma mikrokanałami w polidimetylosiloksanie (PDMS). Korzystając z tej techniki, nanoporowatą membranę perełkową o wielkości porów do ~45 nm wbudowano w mikrokanał i zastosowano do elektrokinetycznego wstępnego zagęszczenia próbek DNA.

Tworzenie połączeń nanofluidycznych poniżej 50 nm w chipie mikroprzepływowym PDMS poprzez proces samoorganizacji cząstek koloidalnych

Opisane są protokoły wytwarzania degradowalnych termoresponsywnych hydrożeli opartych na sieciowaniu hydrazonów polimerowych oligomerów na skalę masową, mikroskalową i nanoskalę, przy czym ta ostatnia służy do przygotowania zarówno nanocząstek żelowych, jak i nanowłókien.

Wytwarzanie degradowalnych termoczułych hydrożeli w różnych skalach długości za pomocą wytłaczania reaktywnego, mikrofluidyki, samoorganizacji i elektroprzędzenia

Ten protokół opisuje implementację sterowanej obrazem, laserowej degradacji hydrożelu do wytwarzania naczyniowych, biomimetycznych sieci mikroprzepływowych osadzonych w hydrożelach diakrylanowych z poli(glikolu etylenowego) (PEGDA). Te biomimetyczne systemy mikroprzepływowe mogą być przydatne w zastosowaniach inżynierii tkankowej, generowaniu modeli chorób in vitro i wytwarzaniu zaawansowanych urządzeń "na chipie".

Sterowane obrazem, laserowe wytwarzanie sieci mikroprzepływowych pochodzenia naczyniowego

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.

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

Dostępnych jest kilka metod wytwarzania kanałów o przekrojach nieprostokątnych osadzonych w urządzeniach mikroprzepływowych z polidimetylosiloksanu. Większość z nich wiąże się z wieloetapową produkcją i rozległym wyrównaniem. W artykule przedstawiono jednoetapowe podejście do wytwarzania kanałów mikroprzepływowych o różnych przekrojach geometrycznych za pomocą sekwencyjnego trawienia na mokro polidimetylosiloksanu.

Jednoetapowe podejście do wytwarzania kanałów mikroprzepływowych z polidimetylosiloksanu o różnych przekrojach geometrycznych za pomocą sekwencyjnych procesów trawienia na mokro

Tutaj prezentujemy protokół, który opisuje wytwarzanie rozciągliwych, dwukanałowych, mikroprzepływowych urządzeń do hodowli komórek na poziomie narządów do rekapitulacji funkcjonalności na poziomie narządów in vitro.

Skalowalna produkcja rozciągliwych, dwukanałowych, mikroprzepływowych układów narządowych

Tutaj prezentujemy protokół do projektowania i produkcji niestandardowych urządzeń mikroprzepływowych przy minimalnym nakładzie finansowym i czasowym. Celem jest ułatwienie przyjęcia technologii mikroprzepływowych w biomedycznych laboratoriach badawczych i placówkach edukacyjnych.

Szybka produkcja niestandardowych urządzeń mikroprzepływowych do zastosowań badawczych i edukacyjnych

Obecny protokół opisuje wytwarzanie wysoce otwartych porowatych mikrosfer (HOPM) na bazie poli(kwasu mlekowo-ko-glikolowego) za pomocą opartej na pojedynczej emulsji technologii mikroprzepływowej. Mikrosfery te mają potencjalne zastosowania w inżynierii tkankowej i badaniach przesiewowych leków.

Wytwarzanie wysoce otwartych porowatych mikrosfer (HOPM) za pomocą technologii mikroprzepływowej

Ten protokół opisuje trzy proste metody uszczelniania do produkcji hybrydowego urządzenia mikrofluidalnego, które integruje komponenty poliwęglanów i krzemowe. Poprzez zastosowanie strategii wiązania rozpuszczalnikami, kompresji termicznej i kompresji mechanicznej, umożliwiamy niezawodne, niskotemperaturowe techniki uszczelniania, które unikają specjalistycznego sprzętu dla hybrydowych urządzeń mikrofluidalnych.

Metody budowy hybrydowych mikrofluidycznych urządzeń poliwęglanowych-krzemianowych

Poznaj mikroprzepływową produkcję włókien polimerowych z precyzyjną kontrolą kształtu i rozmiaru przy użyciu polimeryzacji inicjowanej UV. Ta metoda umożliwia wytwarzanie mikrowłókien w temperaturze pokojowej bez wysokiego napięcia.

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

Przeglądaj więcej filmów