Name: Zalecany bezpośredni zapis 3D zawieszonych struktur włókien w skali mikronowej/submikronowej za pomocą zrobotyzowanego systemu dozowania (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 36 s
Description: Poznaj metodę bezpośredniego zapisu 3D do tworzenia zawieszonych włókien polimerowych w skali mikronowej i submikronowej za pomocą zrobotyzowanego systemu dozowania. Technika umożliwia precyzyjną kontrolę średnicy i orientacji włókien.

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

playerTrialDesktop

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

1. Przygotowanie sprzętu
<ol>
	<li>Zmontować system dozujący i podłączyć sterownik zaworu oraz cylinder strzykawki do źródła pneumatycznego poprzez regulator ciśnienia, ustawiając ciśnienie na 15 psi, aby dozować roztwór polimeru z końcówki igły z szybkością przepływu 2,45 µl/min.</li>
	<li>Umieścić robota 3-osiowego i system dozujący w obudowie termicznej, aby zapewnić stabilne środowisko pracy (Rysunek 2).</li>
	<li>Zainstalować oprogramowanie Joint-Robot Control Points (JR-C Points) dostarczone przez producenta systemu i podłączyć robota 3-osiowego do komputera za pomocą portu komunikacji szeregowej.</li>
	<li>Zamontować zawór dozujący do robota 3-osiowego i zainstalować końcówkę igły na zaworze.</li>
	<li>Wypoziomować płytę stołu robota zgodnie z wytycznymi producenta, aby zapewnić płaskość względem wysokości końcówki zaworu15.</li>
	<li>Zamontować w obudowie grzałkę z układem sprzężenia zwrotnego w celu wprowadzenia kontroli parametrów środowiskowych.</li>
</ol>
<img alt="Konfiguracja 3-osiowego robota dozującego; obejmuje zawór, mikroskop oraz grzałkę sprzężenia zwrotnego do precyzyjnego dozowania cieczy." src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2. (A) 3-osiowy robot dozujący z wymaganymi akcesoriami umieszczony w obudowie oraz (B) zbliżenie zaworu dozującego z przymocowanym mikroskopem USB do wizualizacji. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
2. Materiały doświadczalne i czynniki kontrolne
<ol>
	<li>Czynniki kontrolne i ich kombinacja.
	<ol>
		<li>Zmieniać prędkość posuwu od 1% prędkości (5 mm/sec) do 100% (500 mm/sec) za pomocą oprogramowania JR C-Points. W tej aplikacji zastosowano prędkość 2% (10 mm/sec) do wytworzenia struktur włókienstwowych przedstawionych w niniejszej pracy.</li>
		<li>Zmieniać stężenia roztworów polimerów, aby uzyskać specyficzne parametry lepkości, napięcia powierzchniowego i lotności wymagane dla danej aplikacji. W tej aplikacji zastosowano 24% roztwór polimetakrylanu metylu (PMMA) w chlorobenzenie do wytworzenia struktur włókienstwowych przedstawionych w niniejszej pracy.</li>
		<li>Zmieniać czas dozowania zaworu sterującego od 0,02 sec do 1 sec w celu wyrzutu roztworów za pomocą sprężonego powietrza. W tej aplikacji zastosowano czas 0,02 sec do wytworzenia struktur włókienstwowych przedstawionych w niniejszej pracy.</li>
		<li>Wybrać rozmiar (gauge) wysokoprecyzyjnych końcówek igieł do dozowania roztworów polimerów. W tej aplikacji zastosowano końcówkę 30 G (średnica wewnętrzna (ID) = 152.4 µm) do wytworzenia struktur włókienstwowych przedstawionych w niniejszej pracy.</li>
		<li>Ustawić zakres temperatury pracy od 70 °F do 100 °F w termicznie izolowanej komorze, aby utrzymać stałą szybkość parowania próbki polimeru. W tej aplikacji zastosowano temperaturę 70 °F do wytworzenia struktur włókienstwowych przedstawionych w niniejszej pracy.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie roztworów polimerów.
	<ol>
		<li>Wymieszać żywice polimerowe polimetakrylanu metylu (PMMA; 0.72 g) z rozpuszczalnikiem chlorobenzenem (2.28 g) w dygestorium chemicznym.</li>
		<li>Obliczyć masę polimeru (PMMA) i jego rozpuszczalnika (chlorobenzenu), aby osiągnąć pożądane stężenie polimeru w roztworze. W tej aplikacji zastosowano 24% roztwór polimetakrylanu metylu (PMMA) w chlorobenzenie do wytworzenia struktur włókienstwowych przedstawionych w niniejszej pracy.</li>
		<li>Umieścić odpowiednią ilość proszku/żywicy polimerowej w szklanej fiolce. W tej aplikacji zastosowano 0.72 g żywicy PMMA, aby uzyskać stężenie 24% PMMA.</li>
		<li>Przenieść rozpuszczalnik do polimeru w fiolce za pomocą pipety, aż do osiągnięcia całkowitej masy 3 g.</li>
		<li>Mieszać fiolkę przez 1 min za pomocą mieszadła wiroksowego i poddać procesowi ultradźwiękowemu przez 5 hr, aby całkowicie rozpuścić proszek/żywicę polimerową.</li>
		<li>Sprawdzić przejrzystość roztworów; jeśli próbka jest mętna lub nieprzezroczysta, kontynuować sonikację do uzyskania klarowności.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiar lepkości roztworów polimerów.
	<ol>
		<li>Zmierzyć lepkość roztworów za pomocą wiskozymetru stożkowo-płytowego (np. LVDV-II+ i RVDV-II+)16.</li>
		<li>Napełnić 0.5 ml wzorca lepkości o znanej wartości (mieszanina gliceryny i wody) dostarczonego przez producenta wiskozymetru, aby skalibrować urządzenie i zminimalizować błędy pomiarowe. Producent dostarczył szereg próbek wzorcowych do kalibracji wiskozymetru. Użyć wzorca na bazie gliceryny o lepkości 100,000 cP.</li>
		<li>Podłączyć płaszcz wodny do wiskozymetru, aby utrzymać ciecz testową w stałej temperaturze pracy.</li>
		<li>Rozpocząć pomiar cieczy testowej, przełączając przełącznik On/Off w pozycję On, aby zainicjować obrót wrzeciona. Po ustabilizowaniu się wartości momentu obrotowego na panelu wyświetlacza, zapisać moment obrotowy i obliczyć końcowe lepkości, korzystając z zależności między momentem obrotowym, stałą mnożnika wrzeciona a prędkością obrotową wrzeciona16 
		<img alt="Równanie równowagi statycznej ηs=TK×SMC×(10000/RPM); schemat wzoru do analizy mechanicznej." src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 1"> 
		gdzie ηs jest lepkością, RPM to prędkość obrotowa wrzeciona zamocowanego do stożka, TK to moment obrotowy (0.09373 dla LVDV-II+, 1 dla RVDV-II+), SMC to stała mnożnika wrzeciona, która zależy od konkretnego wrzeciona używanego podczas pomiaru lepkości. W tym badaniu użyto wrzeciona CP-52, które ma stałą mnożnika wrzeciona wynoszącą 9.83.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiar napięcia powierzchniowego roztworów polimerów.
	<ol>
		<li>Metoda pomiarowa opiera się na technice Wilhelmyego.14</li>
		<li>Umieścić 1 ml roztworów testowych w szklanej fiolce na wadze o wysokiej rozdzielczości (rozdzielczość wagi = 0.001 g). Zanurzyć szklany pręt o znanej średnicy w roztworach testowych.</li>
		<li>Kontrolować pozycję pręta za pomocą serwo napędu lub liniowego aktuatora sterowanego krokowo, aby dotknął powierzchni i został częściowo zanurzony w roztworach testowych bez kontaktu.</li>
		<li>Monitorować i zapisywać zmianę pomiaru masy na wadze podczas wyciągania pręta z powierzchni roztworu.</li>
		<li>Obliczyć napięcie powierzchniowe na podstawie zmiany siły, obwodu pręta i kąta zwilżania cieczy na pręcie. 
		<img alt="Wzór na naprężenie, σ=F/(l·cosθ), równanie z fizyki, schemat badania równowagi statycznej." src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 2"> 
		gdzie l jest zwilżonym obwodem pręta (l = 10.05 mm przy średnicy = 3.2 mm), θ to kąt zwilżania cieczy na pręcie, F to zmiana siły wynikająca z napięcia powierzchniowego cieczy testowej na końcówce pręta.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiar współczynnika przenoszenia masy roztworów.
	<ol>
		<li>Zmierzyć współczynniki przenoszenia masy roztworów polimerowych za pomocą analizy termograwimetrycznej.14</li>
		<li>Nanieść 30 µl 24% (masowo) roztworu polimeru PMMA na platynową płytkę przed taryzowaniem wagi.</li>
		<li>Odpowietrzyć komorę, zaprogramować urządzenie na pracę w pożądanej temperaturze roboczej (70 °F) przez 2 hr, aby monitorować masę docelowych roztworów.</li>
		<li>Obliczyć współczynniki przenoszenia masy na podstawie zmian masy roztworu, powierzchni styku roztwór/powietrze oraz gęstości. 
		<img alt="Wzór na współczynnik absorpcji polimeru, χ = równanie 3; badanie optyczne, analiza materiałowa." src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 3"> 
		 
		gdzie m(t) jest masą roztworów PMMA, A jest powierzchnią styku roztwór/powietrze (wynosi 78.5 mm2 dla standardowej płytki), mPOLYMER jest masą polimeru w roztworze, a ρ jest gęstością roztworu.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Procedura eksperymentu bezpośredniego zapisu
<ol>
	<li>Protokół ładowania próbek do systemu dozującego.
	<ol>
		<li>Napełnić cylinder strzykawki 3 ml roztworu polimeru, a następnie umieścić w nim tłok, aby wyeliminować nierównomierny rozkład ciśnienia pneumatycznego.</li>
		<li>Przykręcić adapter linii wlotowej do cylindra strzykawki i podłączyć go do rurki powietrznej linii zasilającej.</li>
		<li>Wybrać odpowiedni rozmiar (gauge) precyzyjnej igły do przeprowadzenia eksperymentu.</li>
		<li>Na panelu sterownika dozownika przełączyć urządzenie w stan płukania (purge) i kliknąć przycisk „cycle”, aby napełnić zawór dozujący roztworem polimeru, aż zostanie on wydalony z końcówki igły.</li>
		<li>Zetrzeć pozostałości roztworu polimeru z końcówki w celu przygotowania do zaprogramowanej procedury wypisywania włókien.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Bezpośrednie wypisywanie włókien polimerowych za pomocą robota 3-osiowego i systemu dozującego.
	<ol>
		<li>Wyznaczyć przesunięcie (offset) stołu robota, aby przesunąć końcówkę igły dozującej z domyślnej pozycji bazowej do punktu początkowego zaplanowanej mikro- lub submikronowej struktury włókien. Zamontować mikroskop USB (powiększenie = 200X) na uchwycie zaworu systemu dozującego, który przesuwa się wzdłuż osi Z. Ręcznie ustawić ostrość na końcówce dozownika, regulując pokrętło ostrości w mikroskopie USB, co ułatwi precyzyjne ustawienie końcówki zaworu w pożądanym miejscu, na przygotowanym podłożu lub urządzeniu.</li>
		<li>Utworzyć/zaprojektować pożądany wzór struktury włókien (Ryc. 3A, 4A i 5A) przy użyciu oprogramowania CAD. Wprowadzić współrzędne przestrzenne (x, y, z) do oprogramowania sterującego robotem JR-C dla wszystkich punktów początkowych i końcowych w kolejności sekwencyjnej, zgodnie z wzorem utworzonym w programie CAD (Ryc. 3B, 4B i 5B). 15</li>
		<li>Przesłać ukończony program projektu struktury włókien z komputera do robota, klikając „Send C&amp;T Data” w menu Robot w oprogramowaniu JR-C15.</li>
		<li>Napełnić cylinder strzykawki 3 ml próbki roztworu PMMA o znanym stężeniu (24%), przepłukać zawór i igłę, a następnie ustawić wszystkie parametry dozowania w sterowniku zaworu i oprogramowaniu sterującym robotem.</li>
		<li>Umieścić przygotowane podłoże na stole robota i zamknąć drzwi obudowy termicznej, aby zapobiec przepływowi powietrza otoczenia, który może powodować niestabilne odparowywanie roztworu polimeru.</li>
		<li>Rozpocząć wypisywanie włókien na podłożu, klikając menu robota w oprogramowaniu JR-C i wybierając „test running”15.</li>
		<li>Wykonać napylanie DC warstwy przewodzącego złota przez 2 min, aż na wypisanych włóknach zostanie osadzona warstwa złota o grubości 2 nm, co umożliwi wizualizację włókien w skaningowym mikroskopie elektronowym.</li>
		<li>Zmierzyć średnicę i strukturę włókien za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego17. Parametry mikroskopu: napięcie przyspieszające: 2.00 kV; detektor: InLens, odległość robocza (Working Distance): 9.0 mm.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przeprowadzenie procedury czyszczenia systemu dozującego w dygestorium.
	<ol>
		<li>Umieścić system dozujący w dygestorium w celu przeprowadzenia procedury czyszczenia.</li>
		<li>Zdemontować zawór igłowy zgodnie z protokołem producenta.</li>
		<li>Umieścić wszystkie metalowe części w zlewce i wlać do niej aceton, aż wszystkie elementy zostaną zanurzone.</li>
		<li>Umieścić zlewkę w kąpieli ultradźwiękowej na 30 min, aby usunąć wszystkie pozostałości polimeru.</li>
		<li>Opłukać wszystkie części pod bieżącą wodą dejonizowaną (DI), a następnie osuszyć je za pomocą pistoletu z powietrzem.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="Równowaga statyczna, ΣFx=0, schemat, struktura kratownicy, analiza belek, metoda numeracji węzłów." src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3. (A) Przykład zaprojektowanej struktury sieciowej typu „quad” na ramie 10 mm x 10 mm, (B) sekwencyjne przestrzenne instrukcje punkt po punkcie do wprowadzenia do oprogramowania JR-C point. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat siatki perspektywicznej ilustrujący punkty zbiegu i linie horyzontu dla metod rysowania 3D." src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4. (A) Przykład zaprojektowanej „symetrycznej” struktury sieci na ramce 10 mm x 10 mm, (B) sekwencyjne przestrzenne instrukcje punkt-punkt do wprowadzenia do oprogramowania JR-C point. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Równowaga statyczna; schemat kratownicy; ponumerowane węzły do analizy strukturalnej; zastosowanie edukacyjne." src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5. (A) Przykład zaprojektowanej struktury sieciowej typu „podwójny szewron” na ramie 10 mm x 10 mm, (B) sekwencyjne przestrzenne instrukcje punkt po punkcie do wprowadzenia do oprogramowania JR-C point. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>

<ol><li>Andrew, K. E., Glenn, D. P., Simon, M. C., Dietmar, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combining+Electrospun+Scaffolds+with+Electrosprayed+Hydrogels+Leads+to+Three-Dimensional+Cellularization+of+Hybrid+Constructs%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Combining Electrospun Scaffolds with Electrosprayed Hydrogels Leads to Three-Dimensional Cellularization of Hybrid Constructs.</a> Biomacromolecules. 9 (8), 2097-2103 (2008).</li>
<li>Cho, S. M., Kim, Y. J., Kim, Y. S., Yang, Y., Ha, S. -C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+application+of+carbon+nanotube-polymer+composite+as+gas+sensing+materials.+Sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+of+IEEE%22%5BJournal%5D)">The application of carbon nanotube-polymer composite as gas sensing materials. Sensors.</a> Proc. of IEEE. 2, 701-704 (2004).</li>
<li>Xu, F., Horak, P., Brambilla, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+microfiber+coil+resonator+refractometric+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Optical microfiber coil resonator refractometric sensor.</a> Optics Express. 15 (12), 7888-7893 (2007).</li>
<li>Dalton, P. D., Joergensen, N. T., Groll, J., Moeller, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Patterned+melt+electrospun+substrates+for+tissue+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Biomed.+Mater%22%5BJournal%5D)">Patterned melt electrospun substrates for tissue engineering.</a> Biomed. Mater. 3 (3), 034109(2008).</li>
<li>Hadjizadeh, A., Doillon, C. J., Vermette, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bioactive+polymer+fibers+to+direct+endothelial+cell+growth+in+a+three-dimensional+environment%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Bioactive polymer fibers to direct endothelial cell growth in a three-dimensional environment.</a> Biomacromolecules. 8 (3), 864-873 (2007).</li>
<li>Xu, C. Y., Inai, R., Kotaki, M., Ramakrishna, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aligned+biodegradable+nanofibrous+structure%3A+a+potential+scaffold+for+blood+vessel+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Aligned biodegradable nanofibrous structure: a potential scaffold for blood vessel engineering.</a> Biomaterials. 25 (5), 877-886 (2004).</li>
<li>You, Y. M., Lee, B. L. eeS. J., Lee, T. S., Park, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vitro+degradation+behavior+of+electrospun+polyglycolide%2C+polylactide%2C+and+poly%28lactide-co-glycolide%29%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Polym.+Sci%22%5BJournal%5D)">In vitro degradation behavior of electrospun polyglycolide, polylactide, and poly(lactide-co-glycolide).</a> J. Appl. Polym. Sci. 95 (2), 193-200 (2005).</li>
<li>Berry, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Endothelial+cell+scaffolds+generated+by+3D+direct+writing+of+biodegradable+polymer+microfibers%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Endothelial cell scaffolds generated by 3D direct writing of biodegradable polymer microfibers.</a> Biomaterials. 32 (7), 1872-1879 (2011).</li>
<li>Dalton, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Super-tough+carbon-nanotube+fibres%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Super-tough carbon-nanotube fibres.</a> Nature. 423, 703(2003).</li>
<li>Dalton, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous+carbon+nanotube+composite+fibers%3A+properties%2C+potential+applications%2C+and+problems%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mater.+Chem%22%5BJournal%5D)">Continuous carbon nanotube composite fibers: properties, potential applications, and problems.</a> J. Mater. Chem. , 1-3 (2004).</li>
<li>Sperling, L. H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSperling%2C+LH+%22Introduction+to+physical+polymer+science%22">Introduction to physical polymer science</a>. , Wiley. 325-347 (1992).</li>
<li>Harfenist, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+drawing+of+suspended+filamentary+micro-+and+nanostructures+from+liquid+polymers%5BTitle%5D)+AND+%22Nano.+Lett%22%5BJournal%5D)">Direct drawing of suspended filamentary micro- and nanostructures from liquid polymers.</a> Nano. Lett. 4 (10), 1931-1937 (2004).</li>
<li>Yang, R. R., He, J. H., Xu, L., Yu, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bubble-electrospinning+for+fabricating+nanofibers%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer%22%5BJournal%5D)">Bubble-electrospinning for fabricating nanofibers.</a> Polymer. 50 (24), 5846-5850 (2009).</li>
<li>Berry, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+and+modeling+of+direct-write+fabrication+of+microscale+polymer+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer%22%5BJournal%5D)">Characterization and modeling of direct-write fabrication of microscale polymer fibers.</a> Polymer. 52 (7), 1654-1661 (2011).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Janome+Desktop+Robot+JR2000N+Series+Operation+Manual%22">Janome Desktop Robot JR2000N Series Operation Manual</a>. , Janome Sewing Machine Co. Tokyo, Japan. (2007).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Brookfield+DV-II%2B+Programmable+Viscometer+Operating+Manual%2C+Manual+No.+M%2F97-164-B299%22">Brookfield DV-II+ Programmable Viscometer Operating Manual, Manual No. M/97-164-B299</a>. , Brookfield Engineering Laboratories. Middleboro, MA. (1999).</li>
<li>Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFlegler%2C+SL+%22Scanning+and+transmission+electron+microscopy+%3A+an+introduction%22">Scanning and transmission electron microscopy : an introduction</a>. , W.H. Freeman. (1993).</li>
<li>Berry, S. M., Pabba, S., Cohn, R. W., Keynton, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct-Write+Drawing+of+Carbon+Nanotube%2FPolymer+Composite+Microfibers%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Nanomater%22%5BJournal%5D)">Direct-Write Drawing of Carbon Nanotube/Polymer Composite Microfibers.</a> J. Nanomater. 2012, 1-8 (2012).</li>
<li>Berry, S. M., Roussel, T. J., Cambron, S. D., Cohn, R. W., Keynton, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+suspended+electrokinetic+microchannels+from+directly-written+sacrificial+polymer+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Microfluid.+Nanofluid%22%5BJournal%5D)">Fabrication of suspended electrokinetic microchannels from directly-written sacrificial polymer fibers.</a> Microfluid. Nanofluid. 13, 451-459 (2012).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Przed przystąpieniem do każdej próby bardzo ważne jest, aby dokładnie zmierzyć lepkość, współczynniki przenoszenia masy i test napięcia powierzchniowego roztworów polimerowych w celu określenia, czy robot i system dozujący są w stanie przetworzyć pożądany polimer. Jak opisaliśmy wcześniej przez naszą grupę, roztwory polimerowe muszą zachowywać odpowiednie: 1) napięcie powierzchniowe, aby umożliwić tworzenie ciekłych włókien w struktury mikronowe/submikronowe; 2) lepkość odporna na pękanie naczyń włosowatych; oraz 3) szybkość parowania w celu zwiększenia krzepnięcia włókien18. Synergia między tymi parametrami jest kluczowa do skutecznej produkcji włókien w określonym zakresie średnic. Jednocześnie niestabilność któregokolwiek z tych parametrów zapobiega tworzeniu się włókien w skali mikronowej/submikronowej. Aby utrzymać synergię między tymi parametrami podczas wytwarzania włókien, ważne jest, aby upewnić się, że iglica i zawór iglicowy są dokładnie oczyszczone po sesji bezpośredniego zapisu, aby zapobiec: 1) zanieczyszczeniu roztworu; 2) zmniejszenie natężenia przepływu roztworu polimeru przez igłę; oraz 3) nadmierny wzrost kulki polimerowej na końcu igły. Ponadto regulator temperatury na grzałce musi być ustawiony na żądaną temperaturę, aby utrzymać stałą szybkość parowania roztworu polimerowego.
Rozwidlone włókna rozgałęzione miały średnicę o 59%, 41% i 24% większą niż struktury wsporcze na rysunkach 6-8, odpowiednio, przy użyciu 24% roztworu PMMA. Wynika to przede wszystkim z odległości, na jaką rysowane są włókna. W szczególności konstrukcje wsporcze są rysowane na całej szerokości podłoża (10,0 mm w kierunkach X i Y; 14,4 mm po przekątnej). W rezultacie są to najdłuższe włókna z całości zawieszonych konstrukcji. Rozwidlone struktury rozgałęzień są znacznie krótsze, od maksymalnej długości 7 mm do 2,5 mm. Ta krótsza długość ciągnienia włókien nie indukuje skutecznie naprężenia włókien wymaganego podczas procesu przerzedzania włókien w celu wytworzenia włókien o małej średnicy. Z drugiej strony, druty o większej średnicy muszą służyć jako włókna nośne, aby skutecznie wytrzymać szarpanie i odkształcenia wywołane podczas procesu ciągnienia rozwidlonych gałęzi. Ponieważ gałęzie bifurkacji są przeciągane w poprzek włókien nośnych, może dojść do przebudowy geometrii włókien nośnych z powodu sił ciągnących, a także miejscowego rozpuszczenia polimeru PMMA na granicy między podporą a rozgałęzionymi włóknami z rozpuszczalnika obecnego w roztworze polimeru. W związku z tym w niektórych przypadkach włókna nośne mogą wymagać wytworzenia z roztworu polimerowego składającego się z polimeru o wyższym stężeniu w celu wytworzenia włókien o większej średnicy i mocniejszych mechanicznie.
Istnieją przede wszystkim trzy skuteczne metody modyfikacji istniejącego protokołu w celu wygenerowania szerszego zakresu podpór i rozgałęzionych średnic włókien: 1) początkowo dozuj polimer z większej końcówki igły (np. 25 G; ID = 254 μm), aby wytworzyć włókna podporowe, a następnie wymienić je na mniejszą końcówkę igły (np . 32 G; ID = 101,6 μm) do wytwarzania mniejszych rozgałęzionych włókien; 2) Jak wspomniano powyżej, należy stosować wiele stężeń polimerów; i/lub, 3) Dostosuj prędkość posuwu, tj . prędkość, z jaką przesuwa się stolik, gdzie zwiększenie prędkości posuwu daje włókna o mniejszej średnicy, a zmniejszenie prędkości posuwu tworzy włókna o większej średnicy. Do tej pory udało nam się z powodzeniem wyprodukować włókna o długości fali zaledwie 90 nm; Jednak uzysk błonnika w tym wymiarze jest niski ze względu na rozpad naczyń włosowatych.
Jednym z ograniczeń zautomatyzowanego procesu bezpośredniego zapisu jest to, że jednocześnie można dozować tylko jedno stężenie roztworu polimerowego. Ogranicza to poziom złożoności konstrukcji podwieszanych, które można opracować bez konieczności: 1) dodania drugiego zaworu dozującego do robota; lub 2) wyjąć istniejący zawór i wykonać protokół czyszczenia (sekcja 3.4) przed dozowaniem drugiego roztworu polimerowego, co zajmuje dodatkowy czas. Drugim ograniczeniem jest prędkość posuwu (lub prędkość drukowania), gdzie maksymalna prędkość posuwu, jaką system jest w stanie osiągnąć, wynosi 500 mm/s. Istnieje jednak kompromis między szybkością posuwu a tworzeniem włókien. W szczególności, jeśli siły bezwładności (siły wynikające z prędkości posuwu) są większe niż siły napięcia powierzchniowego i szybkość parowania roztworu polimerowego, tworzenie się włókien nie występuje. Z drugiej strony, jeśli prędkość posuwu jest zbyt niska, włókna będą pękać z powodu nadmiernego parowania przed i podczas procesu wydłużania. Po trzecie, wymiary światłowodu i konstrukcji są ograniczone do zakresu pracy stolika robota, tj . 200 mm, 200 mm i 25 mm (z dokładnością pozycjonowania 10 μm) odpowiednio w kierunkach x, y i z. Niemniej jednak proces ten umożliwia tworzenie włókien o wysokim współczynniku kształtu (długość włókna: średnica). Strategiczna zmiana rozmiaru końcówki dozującej i stężenia roztworu polimeru pozwoliłaby na uzyskanie szerszego zakresu średnic włókien, tworząc możliwość generowania swobodnie zawieszonych struktur o większej złożoności.
Postępując zgodnie z powyższymi protokołami, włókna polimerowe o średnicy mikronowej i submikronowej mogą być generowane z wysokim poziomem kontroli przestrzennej poprzez wykorzystanie mechaniki płynów roztworów polimerowych opartej na napięciu powierzchniowym, której nie można kontrolować za pomocą żadnych innych procesów mokrego, suchego lub elektroprzędzenia. Z wcześniejszych prac8,19 wiemy, że technika ta może być wykorzystana do wytwarzania skomplikowanych mikro/submikronowych urządzeń fluidalnych19 i rusztowań bioinżynieryjnych8. Ta tania i łatwa technika ma pod wieloma względami zalety w porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji strugarek.

W ciągu ostatnich kilku dekad zastosowano szereg technik wytwarzania, takich jak przędzenie na mokro, przędzenie na sucho oraz elektroprzędzenie, w celu tworzenia nowoczesnych struktur z włókien polimerowych o zróżnicowanych i trwałych właściwościach biologicznych, chemicznych, elektrycznych i mechanicznych1-12. Chociaż techniki przędzenia te pozwalają na generowanie zawieszonych włókien trójwymiarowych, ich możliwości w zakresie precyzyjnej kontroli orientacji włókien w trzech wymiarach są ograniczone, ponieważ osadzanie włókien w tych procesach ma charakter przypadkowy. Ponadto techniki te są ograniczone pod względem zakresu wymiarowego wytwarzanych włókien; konkretnie, włókna produkowane metodą przędzenia na mokro i na sucho mają średnicę od dziesiątek do setek mikrometrów, podczas gdy elektroprzędzenie pozwala uzyskać włókna o średnicach od dziesiątek nanometrów do pojedynczego mikrometra13.
Aby zapewnić dokładniejszą kontrolę orientacji włókien w przestrzeni 3D, nasza grupa opracowała proces samoorganizującego się wytwarzania włókien metodą „zapisywania bezpośredniego” (direct-write), który polega na bezpośrednim wyrzucaniu materiału polimerowego z kapilary i późniejszym wyciąganiu poszczególnych filamentów, które cieńczą się i krzepną do przewidywalnych średnic włókien dzięki wykorzystaniu mechaniki płynów napędzanej napięciem powierzchniowym14. Nasz początkowy system zapisu bezpośredniego, służący do zwiększenia poziomu kontroli nad pozycją i średnicą włókien, składał się z wykonanego na zamówienie systemu dozującego z wykorzystaniem strzykawki z dociskiem sprężynowym, przymocowanego do głowicy specjalistycznej maszyny do mikrofrezowania o ultrawysokiej precyzji (Ultra-High Precision Micromilling Machine – UHPMM) (Rysunek 1). Maszyna UHPMM posiadała stół z rozdzielczością pozycjonowania 1,25 nm w kierunkach X i Y oraz 20 nm w kierunku Z, sterowany programowo w celu tworzenia drutów i struktur w skali mikronowej i submikronowej. Jednym z ograniczeń tego konkretnego systemu zapisu bezpośredniego był brak kontroli przepływu roztworu polimeru przez końcówkę igły. Chociaż system dozujący z dociskiem sprężynowym skutecznie generował stały przepływ przez końcówkę, na wylocie igły strzykawki tworzyła się stale powiększająca się sferyczna kropla roztworu polimeru, której rozmiar i objętość zmieniały się w zależności od warunków środowiskowych.
<img alt="Układ spektroskopowy z mikroskopem do pomiaru wzbudzenia optycznego; sprzęt do analizy spektralnej." src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1. Obraz ultraprecyzyjnej maszyny do mikrofrezowania: pierwszy system zapisu bezpośredniego wykorzystany w wytwarzaniu struktur w skali mikro i submikronowej. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Niespójność tej kropelki źródłowej wpłynęła na zdolność systemu do powtarzalnego wytwarzania drutów o określonej średnicy. Mimo że za pomocą tego procesu zapisu bezpośredniego udało się pomyślnie stworzyć struktury, udoskonalenie procesu poprzez zwiększenie kontroli nad przepływem roztworu polimeru pozwoliłoby na uzyskanie bardziej precyzyjnych, zadanych średnic włókien dzięki regulacji wielkości kropelki na końcówce strzykawki. W związku z tym niniejsza praca opisuje implementację zautomatyzowanego systemu dozowania 3-osiowego z pneumatycznie sterowanym zaworem dozującym, aby precyzyjnie kontrolować szybkość przepływu roztworu polimeru oraz wielkość kropelki na końcówce w celu tworzenia zadanych, mikronowych i submikronowych struktur zawieszonych.

<table><tbody><tr><td>ROBOT DR2203N 3 OSIE 200MM X 200MM 200MM</td><td>Nordson EFD</td><td>7023145</td><td>3-osiowy robot</td></tr><tr><td>CONTROLLER 7100, ZAWÓR DOZUJĄCY</td><td>Sterownik zaworu</td><td>Nordson EFD</td><td>7015340</td></tr><tr><td>ZAWÓR MICRODOT</td><td>Zawór mikropunktowy</td><td>Nordson EFD</td><td>7021233</td></tr><tr><td>ROBOT ACC PŁYTA MOCUJĄCA 200MM</td><td>Płyta mocująca</td><td>Nordson EFD</td><td>7028276</td></tr><tr><td>ROBOT ACC DRN / DSRN POINTS SOFTWAR</td><td>Oprogramowanie Nordson EFD</td><td>7023144</td><td>JR-C</td></tr><tr><td>ZAWÓR DO MONTAŻU ROBOTA UNIWERSALNY</td><td>Nordson EFD</td><td>7028273</td><td>Microdot VALVE MOUNT</td></tr><tr><td>PRASA DO BECZEK 15 PSI. REGULATOR</td><td>Nordson EFD</td><td>7020585</td><td>Zestaw regulatora lufy</td></tr><tr><td>o BRL/PIST 5CC CL/WH 40</td><td>Beczki Nordson EFD</td><td>7012096</td><td>5CC z tłokami</td></tr><tr><td>ADAPTER ASM O 5CC BL</td><td>Pneumatyczny adapter lufy</td><td>Nordson EFD</td><td>7012054</td></tr><tr><td>KOŃCÓWKA 30GA .006X.25 LAVNDR 50PC</td><td>Końcówka igły Nordson EFD</td><td>7018424</td><td>30 gauge (długość 0,250")</td></tr> <tr><td>Elektryczny grzejnik listwowy (500&nbsp; W, długość 30 ")</td>Regulator temperatury <td>grzałki</td> <td>Cadet</td><td>2F500</td></tr><tr>z <td>regulatorem</td><td>czasowym</td> Firma <td>130726596</td><td>Regulator temperatury</td></tr><tr><td>eScope Mikroskop USB</td><td>OiTez</td><td>DP-M02</td><td>200X Mikroskop USB</td></tr><tr><td>Poli(metakrylan metylu)</td><td>Aldrich</td><td>182265-500G</td><td>PMMA w proszku</td></tr><tr><td>Chlorobenzen</td><td>Sigma Aldrich</td><td>284513</td><td>Rozpuszczalnik do rozpuszczania PMMA</td></tr></tbody></table>

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

Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System

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

Zdjęcia rzeczywistych struktur wytworzonych za pomocą robota 3-osiowego i metody zapisu bezpośredniego dla każdego z odpowiednich projektów oraz algorytmów JR C-Point zdefiniowanych w rycinach 3-5A i B powyżej przedstawiono na rycinach 6A, 7A i 8A. Jak widać na otrzymanych obrazach, trójwymiarowe, swobodnie zawieszone włókna zostały pomyślnie „zapisane” na podłożach poprzez precyzyjne sterowanie końcówką dozownika do wyznaczonych lokalizacji przestrzennych, w tym do punktów początkowych/końcowych oraz punktów przecięcia. Wstawki na tych rycinach powiększają punkty przecięcia zawieszonych włókien, co demonstruje zdolność systemu do precyzyjnego kontrolowania orientacji włókien (ryciny 6B, 7B i 8B) w przestrzeni 3D.
<img alt="Sieć krystaliczna, obraz mikroskopowy, powiększony szczegół strukturalny, badanie z zakresu inżynierii materiałowej." src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 6"> 
Rysunek 6. (A) Obraz optyczny wykonanej zawieszonej struktury sieciowej typu „quad” posiadającej 2 włókna wspierające (przekątne) i 12 rozwidlonych włókien PMMA (powiększenie optyczne 15X; pasek skali = 1 mm), (B) obraz SEM pojedynczego rozwidlonego włókna (powiększenie 289X; pasek skali = 100 μm). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Analiza nanostruktury grafenu, obraz mikroskopowy; zaznaczone ścieżki elektronów, badanie materiału." src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 7"> 
Rycina 7. (A) Obraz optyczny wykonanej „symetrycznej” zawieszonej struktury sieciowej posiadającej 1 włókno wspierające (poziome) i 11 rozwidlonych włókien PMMA (powiększenie optyczne 15X; pasek skali = 1 mm), (B) obraz SEM pojedynczego rozwidlonego włókna (powiększenie 107X; pasek skali = 100 μm). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig7large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Analiza struktury mikroskopowej; powiększony obraz sieci włókien; badanie materiałowe, technika mikroskopowa." src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 8"> 
Rycina 8. (A) Obraz optyczny wykonanej zawieszonej struktury sieciowej o kształcie „podwójnego szewrona”, posiadającej 1 włókno wspierające (poziome) i 22 rozwidlone włókna PMMA (powiększenie optyczne 15X; pasek skali = 1 mm), (B) obraz SEM pojedynczego rozwidlonego włókna (powiększenie 80X; pasek skali = 100 μm). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Rycina 9 przedstawia zbliżenie sekwencyjnego, punktowego porządku wytwarzania włókien, przy którym robot 3-osiowy i system dozujący mogą generować swobodnie zawieszone struktury przypominające sieć. Punkty styku polimeru oznaczone numerami odpowiadają zaprogramowanym punktom początkowym i końcowym w oprogramowaniu JR-C, o których wspomniano na powyższej rycinie 3B. Strzałki reprezentują trajektorię robota. Rycina 10 przedstawia polimerowe włókna mikronowe i submikronowe, co demonstruje zdolność systemu zapisu bezpośredniego do wytwarzania przewodów o różnych rozmiarach.
<img alt="Mikroskopia mikroprzepływów; schemat pokazuje ścieżki przepływu cieczy; układ eksperymentalny dla dynamiki płynów." src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 9"> 
Rysunek 9. Obraz SEM ilustrujący sekwencyjną kolejność wytwarzania punkt po punkcie w celu wyciągnięcia polimerowych włókien mikro- i submikronowych (powiększenie 29X; pasek skali = 200 μm). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Obraz mikroskopowy wytwarzania nanodrutów, pokazujący wyrównanie włókien w procesie mikrotechnicznym." src="/files/ftp_upload/52834/52834fig10.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 10"> 
Rycina 10. Obraz SEM włókien mikronowych (6,5 µm) i submikronowych (555 nm) wyciągniętych przy użyciu 20% roztworu polimeru PMMA (powiększenie 2,270X; pasek skali = 2 μm). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
Długość i średnicę włókien polimerowych zmierzono za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej. Tabela 1 przedstawia średnią średnicę włókna dla każdej z unikalnych struktur zaprezentowanych powyżej na Rysunkach 6-8, w odniesieniu do włókien gałęzi rozwidlonych oraz włókien wspierających. Tabela 2 zawiera parametry polimeru zmierzone dla 24% roztworów PMMA, które zostały wykorzystane do wytworzenia opisanych powyżej struktur.
<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Średnica struktury w Rysunek 6</td>
			<td>Średnica struktury w Rysunek 7</td>
			<td>Średnica struktury w Rycina 8</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Włókna wspierające </td>
			<td>8.65 ± 1.43 µm</td>
			<td>9.39 ± 1.23  µm</td>
			<td>9.31 ± 1.65  µm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Włókna boczne</td>
			<td>20.96 ± 3.35 µm</td>
			<td>15.92 ± 1.44  µm</td>
			<td>12.24 ± 5.42  µm</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1. Średnie średnice zawieszonych włókien nośnych i bocznych przedstawione na rysunkach 6-8 dla 24% roztworu PMMA.
<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td></td>
			<td>24% PMMA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lepkość (Pa*s)</td>
			<td>35.19</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Napięcie powierzchniowe (mN/m)</td>
			<td>262.01</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Współczynnik przeniesienia masy (m/s)</td>
			<td>8,59 x 10-8</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 2. Parametry polimerowe 24% roztworów PMMA, które zostały wykorzystane do wytworzenia struktur włókien zaprezentowanych w niniejszej pracy.

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

A 3-axis dispensing system is utilized to control the initiating and terminating fiber positions and trajectory via the dispensing software. The polymer ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wytworzenie swobodnie zawieszonych włókien polimerowych o skali od mikronowej do submikronowej oraz struktur przypominających sieć, z wykorzystaniem zautomatyzowanej procedury zapisu bezpośredniego za pomocą trzystosiowego systemu dozującego. Cel ten osiąga się poprzez wstępną konfigurację zautomatyzowanego urządzenia wraz z kontrolerem zaworu i systemem dozującym. Po zakończeniu konfiguracji mechanicznej syntetyzowane są ciekłe polimery, a następnie przeprowadzana jest kontrola jakości poprzez pomiar parametrów reologicznych, takich jak napięcie powierzchniowe i lepkość.Następnie struktury są projektowane przy użyciu oprogramowania CAD. Potem współrzędne przestrzenne zaprojektowanych struktur są przesyłane do oprogramowania sterownika robota. Następnie robot przesuwa igłę dozującą do określonych lokalizacji w celu wytworzenia swobodnie zawieszonych polimerowych włókien o skali mikro i podmikronowej oraz struktur przypominających sieć.Główną zaletą tej techniki w porównaniu z innymi, takimi jak przędzenie na mokro, na sucho i elektroprzędzenie, jest możliwość precyzyjnej kontroli średnicy włókien oraz ich orientacji i wymiarów w trzech wymiarach przestrzennych. Zazwyczaj osoby początkujące w korzystaniu z tej technologii napotykają trudności, ponieważ synergia między napięciem powierzchniowym, szybkością odparowywania a szybkością podawania materiału musi być odpowiednio zrównoważona, aby z sukcesem wytworzyć włókna o szerokim zakresie średnic. Procedurę zaprezentuje dziś Han Yon, doktorant w moim laboratorium. Aby przygotować aparat robotyczny, należy zacząć od montażu systemu dozującego na stole laboratoryjnym.Cztery komponenty pneumatyczne, które należy połączyć podczas tego procesu, to źródło ciśnienia, regulator kontrolujący ciśnienie źródła, sterownik zaworu dopływowego oraz główny cylinder strzykawki. Po złożeniu komponentów pneumatycznych należy ustawić główny regulator na 15 PSI. Pozwoli to na dozowanie roztworu polimeru z końcówki igły z prędkością przepływu 2,45 µL/min.Następnie umieść trójośową podstawę robota w dedykowanej komorze termicznej i zamontuj cały system dozujący wraz z kontrolerem zaworu na górze podstawy robota. Komora z kontrolowanym klimatem zapewni stabilne środowisko dla roztworu polimeru oraz czułej elektroniki podczas kolejnej fazy procesu montażu robota. Najpierw ustanów połączenie przez port szeregowy pomiędzy podstawą robota a komputerem.Następnie zainstaluj dedykowane oprogramowanie sterujące na komputerze i przed kontynuacją przetestuj komunikację między oprogramowaniem a sprzętem. Następnie wypoziomuj platformę robota. Zgodnie z wytycznymi producenta zapewnia to, że końcówka dozująca będzie prostopadła do platformy robota podczas ruchów bocznych.Co więcej, zapewni to również precyzyjny ruch wzdłuż osi Z podczas pionowych ruchów igły. Aby przygotować roztwór polimeru o określonym, pożądanym stężeniu, należy rozpocząć od obliczenia ilości proszku polimerowego i rozpuszczalnika w taki sposób, aby spełnić dwa jednoczesne kryteria. Ich stosunek wagowy musi odpowiadać pożądanemu procentowemu stężeniu, a łączna masa obu składników musi wynosić dokładnie trzy gramy.Na przykład, jeśli do obróbki włókien ma zostać użyty 24% roztwór akrylu, mieszaninę można przygotować, odważając najpierw 72 g polimetakrylanu metylu (PMMA), a następnie dodając 2,28 g chlorobenzenu. Następnie należy umieścić pustą szklaną fiolkę na mikrowadze. Po wytarowaniu wagi, do fiolki należy wsypać proszek PMMA.Następnie za pomocą pipety szklanej przenieś chlorobenzen do fiolki, aż całkowita masa obu substancji chemicznych osiągnie 3 g. Aby ułatwić proces, wymieszaj roztwór granulatu polimeru. Inkubuj fiolkę w wstrząsarce wierzchołkowej przez jedną minutę, a następnie umieść ją w kąpieli ultradźwiękowej na około pięć godzin.Sprawdzić przejrzystość otrzymanego roztworu, jeśli jest on nadal mętny. Powtarzać etap sonikacji do momentu, aż roztwór stanie się całkowicie przejrzysty. Aby zaprojektować wzór włókien przy użyciu oprogramowania CAD, wymagane jest określenie relacji między fizycznymi współrzędnymi pozycyjnymi punktu zero stolika a punktem zero rysunku CAD w celu ustalenia tej zależności referencyjnej.Zacznij od zamocowania mikroskopu USB na uchwycie montażowym obok zaworu dozującego. Następnie umieść przygotowany wcześniej podłoże na stole roboczym i wykonaj wstępne przesunięcie stołu w taki sposób, aby pożądany obszar nanoszenia polimeru znalazł się w polu widzenia mikroskopu. Ręcznie dostrój mikroskop, aż igła dozownika zostanie ustawiona w ostrości.Za pomocą sterowania programowego wprowadź dodatkowe precyzyjne korekty w osiach X, Y i Z, tak aby fizyczne położenie igły odpowiadało odpowiedniemu punktowi początkowemu struktury w rysunku CAD. Następnie zapisz w komputerze aktualne współrzędne stolika XY, przyjmując współrzędne stolika jako kod punktu początkowego projektu, oraz współrzędne początkowe i końcowe każdego segmentu linii projektu włókna polimerowego. Na koniec wybierz polecenie danych sense c i t w menu robota i prześlij plik CAD z komputera do robota.Robot jest teraz gotowy do przygotowania do ładowania roztworu polimeru i bezpośredniego drukowania sieci włókien. Napełniając strzykawkę, unikając tworzenia pęcherzyków powietrza, ostrożnie wprowadź 3 mL klarownego roztworu polimeru do cylindra strzykawki. Następnie włóż tłok do cylindra strzykawki.Pozwoli to wyeliminować nierównomierny rozkład ciśnienia pneumatycznego podczas kolejnych etapów. Następnie przekręć adapter linii wlotowej na tulei strzykawki, aby umożliwić bezpośrednie połączenie tulei z linią źródła powietrza. Przejdź teraz do drugiej końcówki tulei strzykawki.Wybierz końcówkę igły o pożądanym rozmiarze (gauge) i zamontuj precyzyjną igłę w zaworze dozującym. Po zainstalowaniu igły zlokalizuj panel sterownika dozowania, przełącz stan na „purge” (przedmuch) i kliknij przycisk cyklu, aby napełnić zawór dozujący roztworem polimeru. Gdy roztwór polimeru zacznie kapać z precyzyjnej igły, przetrzyj nadmiar wydzielonego polimeru z igły.Na koniec wprowadź niezbędne parametry dozowania do zaworu dozującego oraz sterownika robota, a następnie uruchom procedurę bezpośredniego zapisu, wybierając opcję uruchomienia testu z głównego menu robota. Do jakościowej wizualizacji struktur wykorzystano wideo-mikroskopię świetlną, natomiast do uzyskania ilościowych danych wymiarowych włókien i struktur zastosowano skaningową mikroskopię elektronową. Przedstawione obrazy dotyczą struktury uformowanej z 24% roztworu PMMA.Jak pokazano, proces druku bezpośredniego pozwolił na syntezę trójwymiarowej matrycy włókien, w której wzór rozmieszczenia względnego oraz średnice włókien wsporczych i włókien bocznych mogą być niezależnie dostosowywane w celu uzyskania określonego wzoru sieci. Stół roboczy jest zaprogramowany do poruszania się w określonych kierunkach, podczas gdy jednocześnie dozowany jest ciekły polimer. Poprzez obniżenie stężenia PMMA do 20% oraz zmianę szybkości podawania, zakres dynamiczny średnicy włókna polimerowego może zmieniać się w przedziale od dziesiątek mikronów aż do poziomów submikronowych.Po opanowaniu tej techniki, właściwie przeprowadzony proces łączenia może zająć 30 minut. Jednakże, wliczając przygotowanie roztworów PMA, zaprojektowanie struktury w oprogramowaniu systemu dozowania z roztworem PMA oraz 30 minut wyciągania włókien, cały proces zajmie około sześciu godzin. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest zwrócenie uwagi na kompromis między formowaniem włókien a szybkością podawania.Na przykład, jeśli siły bezwładności generowane przez szybkość dozowania są wyższe niż napięcie powierzchniowe i szybkość odparowywania konkretnego materiału płynnego, z którym pracujemy, dojdzie do rozrywania kapilarnego i druty nie powstaną. I odwrotnie, jeśli szybkość dozowania będzie zbyt mała, stracimy kontrolę nad średnicą danego drutu po jego uformowaniu. Technika ta umożliwiła nam oraz innym badaczom ze środowiska mikro- i nanofabrykacji opracowanie nowych urządzeń i platform mikrofluidycznych, zarówno trójwymiarowych, jak i tradycyjnych, a także stworzenie nowych platform i rusztowań biologicznych w dziedzinie bioinżynierii.

prescribed-3-d-direct-writing-suspended-micronsub-micron-scale-fiber

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Przedstawiamy metody wytwarzania wzorowanych mikrostruktur z pionowo wyrównanych nanorurek węglowych (CNTs) oraz ich zastosowanie jako form macierzystych do produkcji polimerowych mikrostruktur z uporządkowaną nanostrukturą powierzchni. Las nanorurek CNT jest zagęszczany poprzez kondensację rozpuszczalnika na podłożu, co znacznie zwiększa ich gęstość upakowania i umożliwia samokierowane tworzenie kształtów 3D.

Wytwarzanie, zagęszczanie i odlewanie replik trójwymiarowych mikrostruktur z nanorurek węglowych

Bezpośredni zapis laserem femtosekundowym jest często wykorzystywany do tworzenia trójwymiarowych (3D) wzorów w polimerach i szkle. Jednakże formowanie metali w 3D wciąż stanowi wyzwanie. Opisujemy metodę wytwarzania nanostruktur srebrnych osadzonych w matrycy polimerowej przy użyciu lasera femtosekundowego o długości fali 800 nm.

Metoda wytwarzania rozłącznych nanostruktur srebrowych w 3D

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.

Proces wytwarzania trójwymiarowych mikrostruktur z wykorzystaniem parowania składnika protektorowego

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

Trójwymiarowe (3D) mikrostrukturalne wiązki kompozytowe są wytwarzane poprzez ukierunkowaną i zlokalizowaną infiltrację nanokompozytów do porowatych sieci mikroprzepływowych 3D. Elastyczność tej metody produkcji umożliwia wykorzystanie różnych materiałów termoutwardzalnych i nanowypełniaczy w celu uzyskania różnorodnych funkcjonalnych makroskopowych produktów nanokompozytowych wzmocnionych 3D.

Wytwarzanie trójwymiarowych mikrostrukturalnych nanokompozytów metodą infiltracji mikroprzepływowej

Demonstrujemy użycie techniki laserowego transferu do przodu (LIFT) do drukowania pasty Ag o wysokiej lepkości. Technika ta oferuje prosty, niskotemperaturowy, solidny proces do nielitograficznego drukowania struktur 2D i 3D w mikroskali.

Indukowany laserowo transfer do przodu nanopasty Ag

Ten protokół opisuje metodologię biodruku przy użyciu zautomatyzowanego zrobotyzowanego systemu deponowania, który łączy wytrawione wskazówki topograficzne z precyzyjnym osadzaniem biotuszu z hydrożelu na komórce. Wydrukowane komórki są dostarczane bezpośrednio do wytrawionych elementów i są w stanie je wyczuć i zorientować się w sytuacji.

Zautomatyzowana zrobotyzowana technika dozowania do prowadzenia powierzchni i biodruku komórek

Prezentujemy nowatorską, opartą na mikroprzepływach metodę syntezy kowalencyjnych struktur organicznych (COF). Pokazujemy, w jaki sposób to podejście można wykorzystać do produkcji ciągłych włókien COF, a także struktur 2D lub 3D COF na powierzchniach.

Synteza kowalencyjnych struktur organicznych (COF) oparta na mikroprzepływach: narzędzie do ciągłej produkcji włókien COF i bezpośredniego drukowania na powierzchni

Ten protokół służy jako kompleksowa wytyczna do wytwarzania rusztowań za pomocą elektroprzędzenia z polimerami stopionymi w trybie bezpośredniego zapisu. Systematycznie nakreślamy proces i definiujemy odpowiednie ustawienia parametrów w celu osiągnięcia docelowych architektur rusztowań.

Zapis elektroprzędzenia ze stopu trójwymiarowych rusztowań poli(ε-kaprolaktonu) z kontrolowanymi morfologiami do zastosowań w inżynierii tkankowej

Tutaj opisujemy metody mikrofabrykacji pionowo ustawionych nanowłókien węglowych (VACNF), przenoszenia VACNFów na elastyczne podłoża i stosowania VACNFów zarówno na sztywnych, jak i elastycznych podłożach do roślin w celu dostarczania biomolekuł i barwników.

Stosowanie pionowo ustawionych układów nanowłókien węglowych na sztywnych lub elastycznych podłożach do dostarczania biomolekuł i barwników do roślin

Druk 3D w skali mikrometrycznej umożliwia szybkie prototypowanie urządzeń polimerowych do hodowli komórek neuronalnych. Jako dowód słuszności zasady, połączenia strukturalne między neuronami były ograniczane przez tworzenie barier i kanałów wpływających na rozrost neurytów, podczas gdy funkcjonalne konsekwencje takiej manipulacji zaobserwowano za pomocą elektrofizjologii zewnątrzkomórkowej.

Polimeryzacja dwufotonowa: druk 3D urządzeń do hodowli komórek neuronalnych w mikroskali

Poznaj metodę bezpośredniego zapisu 3D do tworzenia zawieszonych włókien polimerowych w skali mikronowej i submikronowej za pomocą zrobotyzowanego systemu dozowania. Technika umożliwia precyzyjną kontrolę średnicy i orientacji włókien.

Zalecany bezpośredni zapis 3D zawieszonych struktur włókien w skali mikronowej/submikronowej za pomocą zrobotyzowanego systemu dozowania (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów