Wzorowanie i szczepienie światłem dla śliskich powierzchni na podstawie nanoporowatych struktur powlekanych silanem
14 listopada 2025
Protokół ten przedstawia metodę indukowaną światłem do wytwarzania śliskich, trójwymiarowych struktur poprzez sekwencyjne cyfrowe wzorowanie i szczepienie na nanoporowatych powierzchniach pokrytych silanem. To podejście umożliwia kontrolowane przestrzennie tworzenie śliskich obszarów, umożliwiając wzorzystą odstraszaczność cieczy oraz ilościową analizę śliskości między warstwami, z zastosowaniami w manipulacji płynami i inżynierii powierzchni.
Nasze badania wprowadzają technikę opartą na DLP do tworzenia przestrzennych wzorców SLIPS, rozwiązując ograniczenia w osiąganiu selektywnej kontroli dostępności. Kluczowe wyzwania eksperymentalne obejmują wytwarzanie tulejów na złożonych geometriach, istniejące metody są czasochłonne, wieloetapowe i pozbawione wysokiej rozdzielczości lub selektywnej zmienności. Na początek wymieszaj fotoutwardzalną żywicę poliuretanową akrylianową z PEG 200 w stosunku wagowym 50%. Za pomocą mieszadła magnetycznego mieszaj mieszankę z prędkością 500 obrotów na minutę przez pięć minut.
Roztwór mieszany należy wysypać jako osiadłe krople na folię z tereftalianu polietylenu. Okryj kropelki fluorowaną folią etylenpropylenową. I wywierać równomierny nacisk za pomocą systemu rolka do płyty, aby zapewnić równomierne rozprowadzenie.
Naświetl poliuretanową żywicę akrylową na światło ultrafioletowe w odległości 365 nanometrów, używając diodowego systemu utwardzania ultrafioletem. Po polimeryzacji usuń z powierzchni fluorowane warstwy etylenpropylenu. Następnie zanurz utwardzony preparat w wodzie dejonizowanej na godzinę, aby wydobyć niereaktywny PEG 200.
Susz próbkę w piecu w 70 stopniach Celsjusza przez godzinę, aby usunąć resztki wody i ukończyć produkcję nanoporowatej powierzchni. Wykonaj obróbkę ozonem ultrafioletowym na 185 i 254 nanometrach, aby wprowadzić grupy hydroksylowe jako wstępną obróbkę do samoorganizującego się tworzenia monowarstw. Następnie umieść płytę grzewczą w schowku wypełnionym azotem.
Ustaw czystą zlewkę na płytce grzewczo i wydaj jeden mililitr roztworu OTS jako osiadłą kroplę na dnie. Przymocuj preparaty filmu PET na szklanych preparatach. Umieść zamki zakryte twarzą do dołu nad zlewką, aby rozpocząć osadzanie OTS w fazie parowej.
Podgrzej urządzenie do 120 stopni Celsjusza przez 40 minut. Teraz wyjmij okazy z schowka. Czyść zlewkę chusteczką bez kłaczków, aby wyeliminować wszelkie pozostałości OTS.
W przypadku szczepienia indukowanego światłem wykonaj zabieg ozonem ultrafioletowym na powierzchni pokrytej OTS na głębokości 185 i 254 nanometrów. Następnie nałóż 20 mikrolitrów na centymetr silikonowy oleju 10 centistoke na powierzchnię poprzez osadzanie kropelki osiadłych. Napromieniuj okaz przez 15 minut lampą ultrafioletową o wysokiej intensywności, umieszczoną 15 centymetrów nad powierzchnią.
Następnie przechyl próbkę pod kątem 30 stopni i utrzymuj ją przez pięć minut, aby nadmiar oleju silikonowego spłynął z powierzchni. Aby wykonać strukturę śliską wzoru, najpierw zaprojektuj pożądane kształty za pomocą oprogramowania CAD i wyeksportuj je jako pliki litograficzne stereo. Załaduj pliki do oprogramowania do cięcia i generuj dwuwymiarowe obrazy projekcyjne do cyfrowego przetwarzania światła.
Przenieś pliki na drukarkę trójwymiarową. Umieść folię powlekaną polimerem na oknie drukarki cyfrowej do przetwarzania światła. Naświetl film na światło ultrafioletowe o średnicy 365 nanometrów o częstotliwości 180 milidżuli na centymetr kwadratowy z cyfrowym wzorem projekcyjnym, aby selektywnie utwardzić żywicę.
Zanurz odsłoniętą próbkę w wodzie dejonizowanej na godzinę, aby wydobyć PEG 200. Następnie susz próbkę w temperaturze 70 stopni Celsjusza przez godzinę, aby usunąć resztki wody i ukończyć nanoporowatą strukturę. Przeprowadz zabieg OTS oraz szczepienie światłem, aby zakończyć wytwarzanie śliskich powierzchni wzoru.
Nano porowate powierzchnie powstałe w wyniku polimeryzacyjnego oddzielania fazowego wykazywały dominujący rozkład wielkości porów od 60 do 100 nanometrów. Statyczny kąt styku wody zmierzony na porowatej powierzchni wynosił 84,4 stopnia. Po silanizacji powierzchnia stała się hydrofobowa, ale drugie zabiegi ultrafioletowym ozonem tymczasowo zmniejszyły kąt kontaktu.
Redukcja ta została odwrócona przez tworzenie warstw pędzli PDMS, co przywróciło hydrofobiczność. Śliskie zachowanie czterech reprezentatywnych cieczy: wody dejonizowanej, oktanowej, miodu i sztucznej ludzkiej śliny zostało potwierdzone pomiarami kąta kontaktu, kąta ślizgu, prędkości ślizgu oraz kąta styku histerezy. Pomiary szerokości linii drukowanej z żywicy PEG, PUA wykazały wysoką wierność przy minimalnym rozmiarze obiektu wynoszącym 50 mikrometrów, z rosnącymi odchyleniami przy większych szerokościach.
Wzorzyste nanoporowate powierzchnie były wytwarzane z grafiką i literami przy użyciu cyfrowego przetwarzania światła, w tym labiryntu, sprzętu i logotypów JoVE. Po wszystkich zabiegach powierzchniowych i infuzji oleju silikonowego wzory stały się optycznie przezroczyste dzięki zmniejszonemu współczynnikowi załamania. Pomiary przepuszczalności wykazały, że impregnowane powierzchnie porowate osiągały ponad 90% przezroczystości.
Po nakładaniu tuszu zawierającego wodę krople selektywnie migrowały do nieobrobionych obszarów hydrofilowych, unikając śliskich domen i tworząc wyraźne kształty cieczy. Zauważyliśmy, że gdy tworzymy nanoporowate powierzchnie za pomocą szczepienia UVU, stają się one bardzo śliskie. Histereza kąta styku jest naprawdę mała, więc możemy tworzyć selektywne wzory kropel na powierzchni.
Nasza metoda wykorzystuje druk 3D DLP, dzięki czemu możemy wzorować powierzchnię w jednym, szybszym kroku i wysokiej rozdzielczości. Działa też na elastycznym podłożu. W porównaniu do typowego procesu wieloetapowego, jest on bardzo prosty i szybki.
Ponieważ możemy kontrolować, gdzie powierzchnia jest wilgotna lub śliska, możemy kierować tym, jak krople się poruszają i pozostają na powierzchni. Może to pomóc w przyszłych pracach takich jak kierunkowy transport kropel, urządzenia mikrofluidyczne, powłoki samoczyszczące, a nawet powierzchnie do zbierania wody.
Przegląd
Ten protokół przedstawia technikę opartą na DLP do produkcji śliskich trójwymiarowych struktur poprzez wiązanie indukcyjne światłem na powierzchniach nanoporowatych pokrytych silaanem. Metoda ta pozwala na kontrolowane przestrzennie odpychanie płynów oraz ilościową analizę śliskości na granicy faz, z zastosowaniami w manipulacji płynami i inżynierii powierzchni.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria powierzchni
- Manipulacja płynami
- Nanotechnologia
Tło
- Istniejące metody tworzenia śliskich powierzchni są często czasochłonne i nie mają wysokiej rozdzielczości.
- Wyzwania obejmują osiągnięcie selektywnej zmienności na złożonych geometriach.
- Istnieje potrzeba efektywnych technik kontroli zwilżalności na powierzchniach.
- To badanie radzi sobie z tymi ograniczeniami za pomocą przetwarzania światłem cyfrowym (DLP).
Cel badania
- Rozwój szybszej metody o wysokiej rozdzielczości do produkcji śliskich powierzchni.
- Możliwość selektywnej kontroli nad odpychaniem płynów na wzorcowanych powierzchniach.
- Walidacja śliskiego zachowania różnych płynów na produkowanych powierzchniach.
Stosowane metody
- Mieszanie fotoutwardzalnej żywicy akrylanowej poliuretanowej z PEG 200.
- Wykorzystanie drukarki DLP do stworzenia wzorców przestrzennych na żywicy.
- Zastosowanie światła ultrafioletowego do procesów utwardzania i wiązania.
- Przeprowadzanie obróbki powierzchni w celu zwiększenia hydrofobowości i śliskości.
Główne wyniki
- Produkowane powierzchnie wykazywały dominującą dystrybucję wielkości porów w zakresie 60 do 100 nanometrów.
- Statyczny kąt zwilżania wody wynosił 84,4 stopnia, co wskazuje na hydrofobowość.
- Wzorce stały się optycznie przezroczyste z ponad 90% przepuszczalnością po obróbce.
- Wykazano selektywny ruch kropli na powierzchniach, ułatwiając kontrolowane kształty płynów.
Wnioski
- Metoda oparta na DLP zapewnia prosty i efektywny sposób tworzenia wzorcowanych śliskich powierzchni.
- Kontrola nad zwilżalnością może prowadzić do postępu w mikrofluidycznych urządzeniach i samoczyszczących powłokach.
- Ta technika może znacznie poprawić zastosowania w zarządzaniu płynami i inżynierii powierzchni.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
High-resolution, light-induced patterning of slippery, silane-coated nanoporous surfaces enables precise spatial control of wettability for advanced fluid handling in biopharma R&D. This capability supports the development of microfluidic devices and droplet-based assays where selective liquid guidance and minimal sample loss are critical. The method's scalability and compatibility with flexible substrates position it as a reusable platform for next-generation biomedical device prototyping and translational research.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables fabrication of spatially defined microenvironments for controlled droplet manipulation in assay development.
- Supports mechanistic de-risking by allowing selective liquid patterning for functional screening.
- Facilitates predictive confidence in surface-driven biological assays through quantitative wettability control.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible surfaces for high-throughput droplet transport and microfluidic workflows.
- Delivers quantitative outputs via contact angle and hysteresis measurements for assay validation.
- Enables rapid prototyping and scalability for screening platforms requiring precise liquid handling.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant system development by supporting biomimetic fluid interfaces in device models.
- Maintains translational continuity from discovery to preclinical device validation through robust surface engineering.
- Reduces risk in advancing microfluidic and biomedical device concepts by ensuring reproducible liquid guidance.
Pipeline & Workflow Integration
This light-induced patterning method integrates from early discovery through assay development to translational device prototyping, supporting iterative design and validation cycles in biopharma R&D.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing of fluidic behaviors and surface interactions in controlled microenvironments.
- Screening: Provides assay-ready, reproducible surfaces for quantitative droplet manipulation and transport studies.
- Analytics: Supports measurement of contact angle, sliding angle, and hysteresis for comparative analysis of surface performance.
- Translational Research: Facilitates preclinical device prototyping with scalable, flexible, and optically transparent surfaces.
- Enterprise Reuse: Offers a platform technology adaptable across multiple device and assay formats.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in fluidic assay development.
- Operational Value: Delivers rapid, standardized, and scalable surface fabrication for R&D teams.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions for device and assay concepts by enabling robust, quantitative surface performance data.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of microfluidic and biomedical device projects.
Implementation Considerations
- Requires expertise in digital light processing, surface chemistry, and quantitative wettability analysis.
- Needs access to DLP projection systems, UV curing equipment, and analytical tools for contact angle measurement.
- Demands cross-team standardization of pattern design and surface treatment protocols.
- Adaptable to various flexible and rigid substrates, but pattern fidelity may vary with feature size.
- Practical limitations include minimum feature size constraints and the need for precise control of surface treatments.
