Wieloskalowe struktury agregowane za pomocą nadrukowanych nanowłókien dla powierzchni funkcjonalnych
11 września 2018
Prezentowana jest prosta metoda wytwarzania nano-mikro wieloskalowych struktur dla funkcjonalnych powierzchni, poprzez agregację nanowłókien wytworzonych za pomocą anodowego filtra z tlenku glinu.
Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie inżynierii do powierzchni w zrozumieniu powierzchni funkcjonalnej dla morfologii rur i zwilżalności. Główną zaletą naszego podejścia jest to, że pozwala ono na szybsze wytwarzanie wieloskalowych nanomikrostruktur przy użyciu wyłącznie procesu odciskania z anodowym filtrem z tlenku glinu i samoagregacji nanowłókien. Po odciśnięciu, odtworzone wzory powierzchni początkowo wykazywały superhydrofilowość.
Możemy zmienić dostępność powierzchni nadrukowanych struktur poprzez zastosowanie obróbki UV i samodzielnej powłoki jednowarstwowej. Uzyskaj anodowy filtr z tlenku glinu lub AAO o wielkości porów 200 nanometrów, wysokości 60 mikronów i średnicy 25 mililitrów. Oczyść powierzchnię politereftalanem etylenu lub folią PET z 99,8% acetonem przez pięć minut, a następnie 99,9.
alkohol izopropylowy przez pięć minut. Całkowicie wysusz folię przez trzy minuty za pomocą pistoletu pneumatycznego. Następnie umieść folię PET na płaskiej powierzchni bez zanieczyszczeń.
Dodaj 0,1 mililitra kropli utwardzanej promieniami UV żywicy poliuretanowo-akrylowej o lepkości 257,4 CPS na powierzchnię. Umieść filtr AAO na żywicy i równomiernie dociśnij za pomocą gumowego wałka o średnicy 32 milimetrów. Rozprzestrzenianie się żywicy jest wizualnie potwierdzone.
Wałek należy powtórzyć i ostrożnie popchnąć podczas prasowania. Filtr AAO jest kruchy i może pęknąć, jeśli zostanie przyłożona nadmierna siła. Po zwinięciu wystaw próbkę wykonaną z filtrem PET i AAO na działanie światła UV o długości fali 365 nanometrów przez 30 sekund, aby utwardzić żywicę.
Następnie zanurz utwardzoną próbkę w 100 mililitrach dwumolowego roztworu wodorotlenku sodu na 10 minut, aby rozpuścić filtr. Obrazy SEM pokazują powierzchnię i przekrój konstrukcji. Oczyść próbkę wodą dejonizowaną.
Następnie całkowicie wysusz go przez trzy minuty za pomocą pistoletu pneumatycznego. Użyj analizy rentgenowskiej z dyspersją energii, aby potwierdzić, że sód i aluminium nie są wykrywane i są całkowicie wytrawione. Aby przeprowadzić obróbkę ozonem UV, najpierw oczyść próbkę za pomocą nanomikro struktur wieloskalowych za pomocą alkoholu izopropylowego przez pięć minut, a następnie wody dejonizowanej przez pięć minut.
Osuszyć umytą próbkę za pomocą pistoletu pneumatycznego przez trzy minuty. Naświetlać próbkę promieniami UV przez 60 minut przy użyciu sprzętu do ozonowania UV o intensywności 25 miliwatów na centymetr kwadratowy. W przypadku samodzielnego montażu OTS umieść gorące miejsce w komorze rękawicowej i utrzymuj środowisko azotu do procesu osadzania pary.
Na potrzeby filmowania zademonstrujemy procedurę w próbie poza schowkiem podręcznym. Umieścić zlewkę na płycie grzejnej i dodać dwa mililitry roztworu OTS do zlewki za pomocą pipety. Przykryj zlewkę szklaną lub płytkową stroną do przodu, próbką skierowaną w dół do wnętrza zlewki.
Przetwarzaj przez 60 minut w temperaturze 100 stopni Celsjusza przed wyjęciem próbki z komory rękawicowej. Aby wytworzyć powierzchnię funkcjonalną poprzez wstrzykiwanie smarów, należy nanieść około 0,2 mililitra na centymetr kwadratowy cieczy perfluorowęglowej na samozagregowany zespół nanowłókien pokryty powłoką OTS. Obserwuj proces zwilżania perfluorowęglowodoru za pomocą mikroskopu optycznego przy powiększeniu od pięciu do 20 razy.
Na koniec usuń nadmiar cieczy perfluorowęglowodorowej, umieszczając próbkę w pozycji pionowej na kilka godzin. Przedstawiono tutaj wieloskalowe struktury nanomikrohybrydowe uzyskane w procesie imprintingu i samoagregacji pochodzącej z parowania. Trudno jest zmierzyć kąt zwilżania ze względu na superhydrofilowość wytwarzanej powierzchni.
Co ciekawe, po poddaniu działaniu ozonu UV w odpowiednim czasie, morfologia powierzchni i zwilżalność powierzchni zmieniają się z superhydrofilowości na hydrofobowość, przy kącie zwilżania 126,8 stopnia. Co więcej, kąt zwilżania można zwiększyć do 133,6 stopnia poprzez dodatkową powłokę z samodzielnie montowanej monowarstwy. Po jej opracowaniu, technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się inżynierią powierzchni do badania funkcjonalności powierzchni i zmian morfologii wraz ze zjawiskiem samoorganizacji i właściwą obróbką powierzchni.
Chociaż metoda ta może dostarczyć informacji na temat modyfikacji morfologii powierzchni i zwilżalności, może być również stosowana do innych zastosowań, takich jak tkanki za pomocą skalpela, filtrów środowiskowych, zakłócaczy katalizatora lub z rozproszoną optyką, ze względu na porowate struktury na większą skalę.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia metodę wytwarzania nano-mikrostruktur wielkoskalowych, ukierunkowaną na tworzenie powierzchni funkcjonalnych. Technika ta wykorzystuje filtr z anodowego tlenku glinu do agregacji nanowłókien, co umożliwia szybszą produkcję tych struktur.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria materiałowa
- Inżynieria powierzchni
- Nanotechnologia
Wprowadzenie
- Zrozumienie powierzchni funkcjonalnych jest kluczowe w wielu zastosowaniach inżynieryjnych.
- Poprzednie metody tworzenia struktur wieloskalowych były często czasochłonne.
- Superhydrofilowość jest pożądaną właściwością wielu powierzchni funkcjonalnych.
- Samoagregacja nanowłókien może poprawić właściwości powierzchni.
Cel badania
- Opracowanie szybszej metody wytwarzania wielkoskalowych struktur nano-mikro.
- Zbadanie wpływu obróbki powierzchniowej na zwilżalność.
- Wykorzystanie filtrów z anodowego tlenku glinu do efektywnej replikacji struktur.
Zastosowane metody
- Proces imprintingu z wykorzystaniem filtra z anodowego tlenku glinu.
- Samoagregacja nanowłókien w celu formowania struktury.
- Obróbka powierzchniowa metodą UV oraz powlekanie samozgromadzoną monowarstwą.
- Czyszczenie przy użyciu politereftalanu etylenu i acetonu.
Główne wyniki
- Wytworzone powierzchnie wykazywały superhydrofilowość po tłoczeniu.
- Dostępność powierzchni można modyfikować poprzez naświetlanie promieniami UV.
- Metoda ta pozwala na szybkie wytwarzanie złożonych wzorów powierzchniowych.
- Wykorzystanie filtrów AAO o określonych wymiarach usprawnia ten proces.
Wnioski
- Ta metoda znacznie skraca czas wytwarzania powierzchni funkcjonalnych.
- Obróbki powierzchniowe mogą skutecznie zmieniać właściwości struktur.
- Opisane podejście znajduje potencjalne zastosowania w różnych dziedzinach inżynierii.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Szybka fabrykacja wielkoskalowych struktur mikro- i nanometrycznych umożliwia tworzenie funkcjonalnych powierzchni o regulowanej zwilżalności, co wspiera zaawansowane interfejsy materiałowe w badaniach i rozwoju (R&D) w sektorze biofarmaceutycznym. Podejście to usprawnia opracowywanie projektowanych powierzchni do prototypowania urządzeń, filtracji oraz zastosowań w interfejsach tkankowych. Skalowalność i adaptacyjność tej metody sprawiają, że stanowi ona powtarzalne rozwiązanie sprzyjające innowacjom w procesach odkrywczych i translacyjnych.
Strategiczne zastosowania w badaniach biopharmaceutycznych&D
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Ułatwia tworzenie powierzchni biomimetycznych do badań nad oddziaływaniami między komórkami a materiałem opartych na hipotezach.
- Umożliwia szybkie prototypowanie mikro- i nanotopografii w celu zminimalizowania ryzyka nieprzewidzianych biologicznych odpowiedzi wywołanych przez powierzchnię.
- Zwiększa pewność przewidywań przy wyborze materiałów do rozwoju urządzeń i testów analitycznych.
Przesiewanie i opracowanie testów
- Zapewnia znormalizowane, powtarzalne powierzchnie do ilościowej oceny zwilżalności i morfologii.
- Umożliwia skalowalną preparatykę funkcjonalizowanych podłoży dla platform wysokoprzepustowych badań przesiewowych.
- Wspiera rzetelną ocenę odpowiedzi związków lub komórek na zaprojektowane cechy powierzchni.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zapewnia regulowalne właściwości powierzchniowe, umożliwiające dostosowanie do modeli tkanek istotnych dla danej choroby lub systemów filtracyjnych.
- Zapewnia ciągłość procesu — od oceny materiałów na etapie odkryć po prototypowanie urządzeń przedklinicznych.
- Zmniejsza ryzyko przy wdrażaniu materiałów z inżynierią powierzchni w kierunku celów translacyjnych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół wytwarzania wpisuje się w kontinuum od etapu odkrycia do badań przedklinicznych, umożliwiając szybkie i powtarzalne generowanie funkcjonalnych powierzchni do iteracyjnego testowania i optymalizacji.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących zjawisk biologicznych sterowanych przez powierzchnię oraz minimalizację ryzyka materiałowego.
- Przesiewanie: Dostarcza podłoża gotowe do analizy z kontrolowaną zwilżalnością i morfologią, co zapewnia powtarzalne wyniki.
- Analityka: Umożliwia ilościowe odczyty kąta zwilżania i morfologii powierzchni do analiz porównawczych.
- Badania translacyjne: Dostosowuje zaprojektowane powierzchnie do wymagań modeli przedklinicznych i badań nad biomarkerami.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy skalowalną i kosztowo efektywną platformę do powtarzalnego projektowania powierzchni w ramach różnych programów.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność w oddziaływaniach między powierzchnią a materiałem.
- Wartość operacyjna: Umożliwia standaryzowany, wysokoprzepustowy proces wytwarzania z powtarzalnymi wynikami.
- Wartość strategiczna: Poprawia proces podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go) w rozwoju materiałów i urządzeń, optymalizując alokację zasobów.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację aktywów z inżynierią powierzchni w oparciu o analizę ryzyka w ramach potoków badawczo-rozwojowych (R&D).
Wskazówki dotyczące implementacji
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie inżynierii powierzchni i technik nanofabrykacji.
- Wymaga dostępu do utwardzania UV, filtrów AAO oraz aparatury analitycznej do charakteryzacji powierzchni.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej w celu zapewnienia powtarzalności i skalowalności.
- Można dostosować do różnych materiałów podłoży i systemów modelowych, zgodnie z protokołem.
- Ograniczenia obejmują pracę z kruchymi filtrami AAO oraz konieczność precyzyjnej kontroli obróbki powierzchni.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:04
Title
0:52
Fabrication of Nano-Micro Multiscale Structure Surface Using an AAO Filter
2:58
Surface Treatments and Fabrication of Functional Surface by Injecting Lubricants
4:40
Results: The Change of the Surface Wettability and Morphology by Surface Treatment
5:29
Conclusion
