Name: Prescrito 3-D Direto Escrita de Suspenso Micron / Sub-micron estruturas de fibras Escala através de um sistema distribuidor Robotic (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 36 s
Description: Aprenda a fabricar fibras poliméricas suspensas em escala micron e sub-micron usando um sistema robótico de dispensação 3D. Este método automatizado permite controle preciso do diâmetro e orientação das fibras para aplicações em biomateriais e neurociência.

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Este trabalho é apoiado pelo NSF-EPSCoR (concessão #0814194) e pelo Departamento de Bioengenharia.

<html> 1. Equipamentos Set-up <ol><li> Montagem do sistema de distribuição e ligar controlador de válvula e o corpo da seringa para a fonte pneumática, por meio de um regulador de pressão, para regular a pressão a 15 psi para distribuir a solução de polímero a partir da ponta da agulha com um caudal de 2,45 mL / min. </li><li> Inserir o robô de 3 eixos e sistema de distribuição para um cercado térmica para garantir um ambiente de trabalho estável (Figura 2). </li><li> Instale-robô Joint Pontos de Controle (JR-C) Pontos de software fornecidos pelo fabricante do sistema e conectar robô de 3 eixos para um computador via porta de comunicação serial. </li><li> Montar a válvula de distribuição de robô de 3 eixos e instalar ponta da agulha na válvula. </li><li> Nivelar a placa estágio robótico de acordo com as orientações do fabricante para garantir a planicidade com relação à altura da ponta da válvula 15. </li><li> Montar um aquecedor controlado-feedback no recinto para adicionar controle ambiental. </li></ol>conteúdo &quot;fo: manter-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> Figura 2. (A) 3-Axis dispensar robô com acessórios necessários alojados dentro de um gabinete; e, (B) imagem Ascendente próximo da válvula de distribuição com microscópio USB ligado para visualização. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 2. Materiais Experimentais e fatores controladores <ol><li> Fatores e sua combinação de controle. <ol><li> Vary taxa de alimentação de 1% da velocidade (5 mm / seg) até 100% (500 mm / seg), pelo software JR C-Pontos. Para esta aplicação, utilizar uma velocidade de 2% (10 mm / s) para fabricar o estruturas de fibras apresentado neste trabalho. </li><li> Variar concentrações da solução de polímero de viscosidade específica para atingir, a tensão superficial e parâmetros de volatilidade necessáriapara a aplicação pretendida. Para esta aplicação, utilizar um 24% de polimetilmetacrilato (PMMA) em solução de clorobenzeno para fabricar as estruturas de fibras apresentados neste trabalho. </li><li> Vary controle de tempo de distribuição válvula de 0,02 segundos para 1 segundo, a fim de ejetar soluções via pneumática. Para esta aplicação, use 0,02 seg para fabricar as estruturas de fibra apresentados neste trabalho. </li><li> Selecione um tamanho calibre de pontas de agulhas de alta precisão para dispensar soluções poliméricas. Para esta aplicação, use a 30 G (diâmetro interno (ID) = 152,4 mm) de ponta para fabricar as estruturas de fibra apresentados neste trabalho. </li><li> Definir o intervalo de temperatura de operação entre 70 ° F a 100 ° F na caixa de isolamento térmico para manter uma taxa de evaporação constante da amostra de polímero. Para esta aplicação, utilizar uma temperatura de 70 ° F para fabricar as estruturas de fibras apresentados neste trabalho. </li></ol></li><li> Preparação de soluções de polímero. <ol><li> Misturarresinas de polímeros de metacrilato de polimetilo (PMMA; 0,72 g) com o solvente clorobenzeno (2,28 g) sob uma câmara de fluxo químico. </li><li> Calcule o peso do polímero (PMMA) e do seu solvente (clorobenzeno) para alcançar a concentração desejada do polímero em solução. Para esta aplicação, utilizar um 24% de polimetilmetacrilato (PMMA) em solução de clorobenzeno para fabricar as estruturas de fibras apresentados neste trabalho. </li><li> Colocar a quantidade desejada de pó de polímero / resina para dentro do frasco de vidro. Para esta aplicação, usar 0,72 g de resina de PMMA para atingir uma concentração de 24% de PMMA. </li><li> Transferir no solvente sobre polímero dentro do frasco com uma pipeta até que o peso total de 3 g é atingido. </li><li> Misturar o frasco durante 1 min usando um agitador de vórtice e processá-los por ultra-sons durante 5 horas para dissolver completamente o pó de polímero / resina. </li><li> Verifique a transparência das soluções, se houver qualquer turvação ou opacidade a amostra continuam a sonicação até estar límpida. </li></ol></li><li> Medição da viscosidade de soluções de polímero. <ol><li> Viscosidades de soluções medida através de cone-and-plate viscometer (por exemplo, VDVE-II + e RVDV-II +) 16. </li><li> Carregar 0,5 ml de amostra padrão conhecida viscosidade (uma mistura à base de glicerina e água) fornecida pelo fabricante viscosímetro para calibrar o viscosímetro, a fim de minimizar os erros nas medições de viscosidade. O fabricante fornecida uma variedade de amostras padrão para a calibração do viscosimetro. Utilizar a amostra padrão à base de glicerina com uma viscosidade de 100.000 cP. </li><li> Conectar camisa de água para manter o viscosímetro de fluido de ensaio a uma temperatura de funcionamento constante. </li><li> Inicie a medição fluido de teste movendo o interruptor On / Off para a posição On para iniciar a rotação do eixo. Uma vez que o valor do binário no painel de exibição tenha se estabilizado, gravar o torque e calcular as viscosidades finais usando a relação entre binário, constante multiplicador fuso e velocidade de fuso 16 <img alt="Equação 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> onde é a viscosidade, a RPM é a velocidade do fuso, afixada cone, TK é o binário (0,09373 para VDVE-II +, 1 para RVDV II +), SMC é a constante multiplicador eixo que depende do fuso específico a ser utilizado durante a viscosidade medição. Para este estudo, o fuso CP-52 que foi usado tem uma constante multiplicador fuso de 9,83. </li></ol></li><li> Medição da tensão superficial de soluções poliméricas. <ol><li> Método de medição refere-se à técnica de Wilhelmy 14. </li><li> Coloque 1 ml soluções de teste em um frasco de vidro em um equilíbrio de alta resolução (resolução escala = 0,001 g). Mergulhe uma haste de vidro de diâmetro conhecido em soluções de teste. </li><li> Controlar a posição da haste através de um servo ou de passo controlado atuador linear para tocar a superfície e parcialmente mergulhe em soluções de teste com contato zero. </li><li> Monitorar e registrar a mudança na medição de massa no balanço quandoa remoção da haste de solução superfície. </li><li> Calcule a tensão superficial pela mudança vigor, perímetro da haste e ângulo de contato do líquido na haste. <img alt="Equação 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> onde está o perímetro molhado da haste (L = 10,05 milímetros de diâmetro = 3,2 mm), é θ ângulo de contacto do fluido na haste, F é mudança da força devido à tensão superficial do fluido de teste na ponta da haste. </li></ol></li><li> Medição de coeficiente de transferência de massa de soluções. <ol><li> 14 Medir coeficientes de transferência de massa de soluções de polímeros por análise termogravimétrica. </li><li> Carregar 30 ul da solução de polímero de PMMA de 24% (em peso) numa placa de platina antes de tara, o equilíbrio. </li><li> Purgue a câmara, o programa do dispositivo para executar a temperatura operacional desejada (70 ° F) durante 2 horas para monitorar massa de soluções alvo. </li><li> Calcular os coeficientes de transferência de massa por mudanças na massa da solução,área de solução de interface e a densidade / ar. <img alt="Equação 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> em que m (t) é a massa de soluções de PMMA, A é ​​a área da interface solução / ar (igual a 78,5 milímetros para 2 placa padrão), mPOLYMER é a massa do polímero na solução e é a densidade da solução. </li></ol></li></ol> 3. Escreva direto Experiment Procedimento <ol><li> Dispensando protocolo de carregamento de amostra do sistema. <ol><li> Carga 3 ml de solução de polímero para dentro do tambor da seringa, colocar pistão em tambor de seringa para eliminar a distribuição de pressão pneumática inconsistente. </li><li> Torça o adaptador de linha de entrada no reservatório da seringa, conecte-o ao tubo de ar linha de origem. </li><li> Escolha o tamanho calibre desejado da ponta da agulha de precisão para realizar experimento. </li><li> No painel do controlador da dispensa, mude para purgar estado e clique em &quot;ciclo&quot; botão para preencher a válvula de distribuição com polímero, de modolução até descarregado a partir da ponta da agulha. </li><li> Wipe solução de polímero residual da ponta na preparação de um processo de escrita de fibra programado. </li></ol></li><li> Fibras de polímero diretos gravação com robô de 3 eixos e sistema de distribuição. <ol><li> Determinar o deslocamento para reposicionar a ponta da agulha de distribuição a partir da posição inicial padrão para o ponto de iniciação do micro / sub-estrutura de fibra micron prescrito fase robô para ser desenhada. Montar um microscópio USB (ampliação = 200x) para o suporte da válvula do sistema de distribuição, o que se traduz ao longo do eixo-Z. Focar manualmente a ponta do aplicador, ajustando o botão de focagem do microscópio sobre USB que ajuda a posicionar com precisão a ponta da válvula para a posição desejada, o substrato pré-fabricado ou dispositivo. </li><li> Criar / projetar o padrão de estrutura de fibra desejado (Figuras 3A, 4A, 5A e) usando um pacote de software CAD. Introduzir as coordenadas espaciais (x, y, z) na roboJR-t C 15 controlar o software para todos os pontos de iniciação e de terminação, de modo sequencial, com respeito ao padrão desejado criado dentro do programa de CAD (Figura 3B, 4B, 5B e). </li><li> Transfira o programa de design de estrutura de fibra concluído a partir do computador para o robô, clicando em &quot;Enviar C &amp; T de dados&quot; no menu do robô dentro do software JR-C 15. </li><li> Carga de 3 ml de PMMA amostra solução de concentração conhecida (24%) em tambor de seringa, válvula de purga e agulha, configurar todos os parâmetros de distribuição para o controlador de válvula e controlar robô software. </li><li> Coloque substrato pré-fabricado para a fase cilindro robô, fechar as portas do recinto térmicos para impedir o fluxo do ar ambiente, o que pode induzir instável evaporação da solução de polímero. </li><li> Comece a escrever as fibras sobre o substrato, clicando no menu robô de software JR-C e selecionando &quot;teste de corrida&quot; 15. </li><li> DC revestimento por crepitação uma camada de ouro metálico condutor durante 2 min, até que uma camada espessa de 2 nm de ouro é depositada sobre as fibras estiradas para permitir a visualização das fibras no microscópio electrónico de varrimento. </li><li> Medir o diâmetro e a estrutura de fibras por meio de microscópio electrónico de varrimento 17. Microscópio parâmetros: Nível de alta tensão: 2,00 kV; Objectivo: InLens, distância de trabalho (9,0 mm). </li></ol></li><li> Execute o procedimento de limpeza do sistema de distribuição sob uma capela de fluxo química. <ol><li> Inserir o sistema de dispensa numa câmara de fluxo químico para executar o procedimento de limpeza. </li><li> Desmontar válvula de agulha de acordo com o protocolo do fabricante. </li><li> Coloque todos os componentes para uma proveta de metal, derrame acetona na proveta até que todas as peças estão imersas. </li><li> Coloque copo num banho de ultra-sons durante 30 minutos para remover todos os restos de polímero. </li><li> Lave todas as peças em água DI fluir, em seguida, usar pistola de ar para explodi-los secos. </li></ol></<html> li&gt; </ol><img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" /> Figura 3. (A) Exemplo de projetado &quot;quad&quot; estrutura de web em um 10 milímetros x 10 mm quadro, (B) instruções seqüenciais ponto-a-ponto espaciais a serem introduzidos em software ponto JR-C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> Figura 4. (A) Exemplo de desenhado estrutura de teia &quot;simétrico&quot; em ± 10 mm x 10 mm moldura, (B), ponto-a-ponto espaciais instruções sequenciais a ser introduzida no software de ponto de JR-C.blank &quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" /> Figura 5. (A) Exemplo de projetado &quot;chevron duplo&quot; estrutura de web em um 10 milímetros x 10 mm quadro, (B) ponto-a-ponto instruções espaciais seqüenciais a ser introduzida em software ponto JR-C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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</ol>

Os autores não têm nada a divulgar.

Antes de tentar cada ensaio, é importante que a viscosidade, coeficiente de transferência de massa e a tensão superficial das soluções de teste de polímero ser medida com precisão, a fim de determinar se o robô e sistema de distribuição é capaz de processar o polímero desejado. Tal como descrito anteriormente pelo nosso grupo, as soluções de polímero deve reter adequada: 1) a tensão superficial para permitir que a formação de filamentos de líquido em estruturas / sub-micron micron; 2) viscosidade para resistir quebrar capilar-se; e, 3) taxa de evaporação para melhorar a solidificação de fibra 18. A sinergia entre estes parâmetros é a chave para produzir com sucesso fibras ao longo de um determinado intervalo de diâmetros. Ao mesmo tempo, a instabilidade em qualquer destes parâmetros previne a formação de fibras / micron escala sub-micra. Para manter a sinergia entre estes parâmetros durante o fabrico de fibras, é importante para assegurar que a agulha e válvula de agulha está completamente limpa após uma gravação directa s-ESSÃO para evitar: 1) a contaminação da solução; 2) uma redução na taxa de fluxo da solução de polímero através da agulha; e, 3) o crescimento excessivo na pérola de polímero na ponta da agulha. Além disso, o controlador de temperatura no aquecedor deve ser ajustado para a temperatura desejada para manter uma taxa constante de evaporação da solução de polímero. As fibras ramo bifurcadas foram 59%, 41% e 24% maior em diâmetro do que a das estruturas de suporte das Figuras 6-8, respectivamente, utilizando a solução de 24% de PMMA. Isto é principalmente devido à distância a que as fibras são extraídas. Especificamente, as estruturas de suporte são desenhados ao longo de toda a largura do substrato (10.0 mm de X e de Y; 14,4 milímetros diagonal). Como resultado, estas são as fibras mais longas de as estruturas suspensas global. As estruturas de ramificação bifurcadas são significativamente mais curta, que varia a partir de 7 mm de comprimento do valor máximo até 2,5 milímetros. Este menor comprimento desenho fibra não fazt induzir eficazmente a estirpe de fibra necessária durante o processo de adelgaçamento das fibras, a fim de produzir as fibras de pequeno diâmetro. Por outro lado, fios de diâmetro maior são necessárias para servir como as fibras de suporte, a fim de manter eficazmente a puxar e a deformação induzida durante o processo de estiramento ramo bifurcada. À medida que os ramos de bifurcação são desenhadas através das fibras de suporte, uma remodelação do tamanho de fibra de suporte pode ocorrer devido às forças de desenho, bem como uma dissolução localizada do polímero de PMMA na interface entre o suporte e as fibras ramificadas do solvente presente no solução de polímero. Assim, em alguns casos, as fibras de suporte pode ter de ser fabricada a partir de uma solução de polímero que consiste em uma concentração mais elevada de polímero para a produção de maior diâmetro e as fibras mais fortes mecanicamente. Existem basicamente três métodos eficazes para modificar o protocolo já existente de produção de uma gama mais ampla de apoio e fibra ramificadadiâmetros: 1) inicialmente dispensam o polímero a partir de uma ponta de agulha maior (por exemplo, 25 g; ID = 254 mm) para gerar as fibras de suporte e, em seguida, trocar por uma ponta de agulha menor (por exemplo, 32 G; ID = 101,6 mm) para fabricar as pequenas fibras ramificada; 2) como indicado acima, utilizar concentrações múltiplas de polímero; e / ou, 3) ajustar a taxa de alimentação, ou seja, a velocidade na qual a fase atravessa, onde o aumento da taxa de alimentação produz fibras de menor diâmetro e diminuindo a taxa de alimentação cria fibras de diâmetro maior. Até à data, têm sido capazes de fabricar com sucesso fibras tão pequeno como 90 nm; no entanto, o rendimento em fibra esta dimensão é baixo devido ao rompimento capilar. Uma limitação deste processo automatizado de escrita directa é que apenas uma concentração da solução de polímero pode ser distribuído de cada vez. Isto restringe o nível de complexidade das estruturas suspensas para ser desenvolvido sem ter que: 1) adicionar uma segunda válvula de distribuição para o robô;ou, 2) remover a válvula existente e executar o protocolo de limpeza (Seção 3.4) antes de dispensar a segunda solução de polímero, o que leva tempo adicional. Uma segunda limitação é a taxa de alimentação (ou velocidade de impressão), em que a taxa de alimentação máxima que o sistema é capaz de alcançar é de 500 mm / seg. No entanto, há um equilíbrio entre a taxa de alimentação e formação de fibras. Especificamente, se as forças de inércia (forças, devido à velocidade de alimentação) são maiores do que as forças de tensão da superfície e a velocidade de evaporação da solução de polímero, a formação da fibra não ocorre. Por outro lado, se a taxa de alimentação é muito baixa, as fibras irão fracturar devido à evaporação excessiva antes e durante o processo de alongamento. Em terceiro lugar, as dimensões da fibra e da estrutura estão limitadas à gama de operação do estágio do robot, ou seja, 200 mm, 200 mm e 25 mm (com uma precisão de posicionamento 10 um) nas direcções x, y e z, respectivamente. No entanto, este processo permitem a formação de elevada razão de aspecto (l fibrasength: diâmetro) fibras. Estrategicamente variando o tamanho da ponta de distribuição e a concentração da solução de polímero que permitiria uma mais ampla gama de diâmetros da fibra, criando a capacidade de gerar estruturas suspensas livremente de maior complexidade. Seguindo os protocolos de dito acima, as fibras de polímero micra e diâmetro submícron podem ser gerados com um nível elevado de controlo espacial, explorando a superfície orientada para tensão de fluido mecânica das soluções de polímero, que não podem ser controlados com quaisquer outros processos por via húmida, secos ou electrospinning . Do trabalho antes 8,19, sabemos que esta técnica pode ser utilizada para fabricar intrincado micro / submicrométricas dispositivos fluídicos 19 e andaimes bioengenharia 8. Esta técnica barato e fácil tem as suas próprias vantagens em relação aos métodos tradicionais de fabricação plaina de muitas maneiras.

Ao longo das últimas décadas, uma variedade de técnicas de fabricação, tais como fiação molhada, seca e fiação electrospinning, têm sido empregados para criar novas estruturas de fibra de polímero com diversas e robustas biológicas, químicas, elétricas e mecânicas propriedades 12/01. Embora estas técnicas de fiação são capazes de gerar suspenso fibras tridimensionais, que são limitados na sua capacidade para controlar com precisão a orientação das fibras em três dimensões vez que a deposição de fibras por meio destes processos são de natureza aleatória. Além disso, essas técnicas são limitadas na sua gama de dimensões para a fabricação de fibras; especificamente, as fibras produzidas por meio de fiação por via húmida e seca variar em diâmetro a partir de dezenas a centenas de microns, enquanto electrospinning produz fibras com diâmetros que variam de dezenas de nanómetros a uma única 13 micron. Para fornecer um controle mais preciso da orientação das fibras no espaço 3-D, o nosso grupo desenvolveu uma auto-assemble ou processo de fabricação &quot;e gravação direta&quot; fibra que ejeta diretamente um material polimérico de um capilar oca e, em seguida, chama a filamentos individuais que fino e solidificam-se em diâmetros de fibras previsíveis através da exploração de superfície orientada por tensão mecânica dos fluidos 14. Nosso sistema de gravação direta inicial para aumentar o nível de controle da posição de fibra e diâmetro consistiu de uma mola sistema de seringa de distribuição custom fabricada ligado à cabeça de uma custom made ​​Ultra-Alta Precisão microfresagem Machine (Figura 1). O UHPMM tinha uma fase com uma resolução de 1,25 nm posicional nas direcções X e Y e 20 nm na direcção Z que foi controlada por meio de programação para criar micron e fios à escala sub-micra e estruturas. Uma limitação deste sistema de gravação directa em particular foi a falta de controlo de fluxo da solução de polímero através da ponta da agulha. Embora o sistema de distribuição de mola gerada com êxito flo constanteW, através da ponta, um grânulo esférico expansão contínua de solução de polímero foi criado na saída da ponta da seringa, a qual variou em tamanho e volume, dependendo das condições ambientais. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> Figura 1. Imagem de Máquina Ultra High Precision microfresagem:. O primeiro sistema de gravação direta empregada na fabricação de estruturas em escala mícron / sub-micron <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> A inconsistência deste grânulo fonte impactado a capacidade do sistema para fabricar repetidamente os fios de um diâmetro prescrito. Embora, as estruturas foram gerados com sucesso utilizando o processo de escrita directa, a melhoria do processo, aumentando o controlo do fluxo da solução de polímero permitiria mais precise, prescrito diâmetros de fibras através da regulação do tamanho do grânulo na ponta da seringa. Assim, este trabalho descreve a implementação de um sistema de distribuição automatizada de 3 eixos com válvula distribuidora acionamento pneumático para controlar com precisão o tamanho caudal de solução de polímero e ponta talão para criar prescrito, micron / sub-micron estruturas suspensas.

<table><tbody><tr><td>ROBÔ DR2203N 3 EIXOS 200MM X 200MM</td><td>Nordson EFD</td><td>7023145</td><td>Robô de 3 eixos</td></tr><tr><td>CONTROLADOR 7100, VÁLVULA DE DISTRIBUIÇÃO</td><td>Controlador de válvula</td><td>Nordson EFD</td><td>7015340</td></tr><tr><td>VÁLVULA DE MICROPONTOS</td> Válvula de <td>micropontos</td><td>Nordson EFD</td><td>7021233</td></tr><tr><td>PLACA DE FIXAÇÃO DO ROBÔ ACC 200MM</td> Placa <td>de fixação do dispositivo</td> de <td>fixação</td><td>Nordson EFD</td> 7028276</tr><tr><td>ROBOT ACC DRN / DSRN PONTOS SOFTWAR</td><td>Nordson EFD</td><td>7023144</td><td>JR-C Software</td></tr><tr><td>ROBOT MOUNT VALVE UNIVERSAL</td><td>Nordson EFD</td><td>7028273</td><td>Microdot Valve Mount</td></tr><tr><td>15 PSI BARREL PRESS. REGULADOR</td><td>Nordson EFD</td><td>7020585</td><td>Regulador de Barril</td></tr><tr><td>KIT O BRL/PIST 5CC CL/WH 40</td><td>Nordson EFD</td><td>7012096</td><td>5CC Barris com Pistões</td></tr><tr><td>ADAPTADOR ASM O 5CC BL</td><td>Nordson EFD</td><td>7012054</td><td>Adaptador de Barril Pneumático</td></tr><tr><td>TIP 30GA .006X.25 LAVNDR 50PC</td><td>Nordson EFD</td><td>7018424</td><td>30 gauge Ponta de Agulha (0.250" comprimento)</td></tr><tr><td>Aquecedor de Baseboard Elétrico (500&nbsp; W, 30" de comprimento)</td> <td>Cadet</td><td>2F500</td><td>Controlador</td></tr> de Temperatura do Aquecedor <tr><td>com Controle</td><td>de Temporizador Empresa</td><td>130726596</td><td>Controlador de Temperatura</td></tr><tr><td>eScope Microscópio USB OiTez</td><td></td><td>DP-M02</td><td>200X Microscópio USB</td></tr><tr><td>Poli (metacrilato de metila)</td> <td>Aldrich</td><td>182265-500G</td><td>PMMA em pó</td></tr><tr><td>Clorobenzeno</td><td>Sigma Aldrich</td><td>284513</td><td>Solvente para dissolver o PMMA</td></tr></tbody></table>

prescrito 3-d direto escrita de suspenso micron / sub-micron estruturas de fibras escala através de um sistema distribuidor robotic

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

Um sistema de distribuição de 3 eixos é utilizado para controlar as posições e a trajetória da fibra de início e término por meio do software de distribuição. O comprimento e a orientação da fibra polimérica são definidos pelo posicionamento espacial dos estágios de 3 eixos do sistema de distribuição. O diâmetro da fibra é definido pelo tempo de dispensação prescrito da válvula do sistema de distribuição, a taxa de alimentação (a velocidade na qual o estágio atravessa de uma posição inicial para uma posição de terminação), o diâmetro manométrico da ponta de distribuição, a viscosidade e tensão superficial da solução de polímero e o comprimento de desenho programado. A taxa de alimentação do estágio afeta a taxa de evaporação da solução polimérica e a quebra capilar dos filamentos. O sistema de distribuição consiste em um controlador de válvula pneumática, uma válvula de distribuição de gotículas e uma ponta de distribuição. A caracterização do processo de gravação direta para determinar a combinação ideal de fatores leva à aquisição repetida da faixa desejada de diâmetros de fibra. A vantagem deste sistema de distribuição robótica é a facilidade de obter uma gama precisa de fibras de mícron/submícron em um local desejado e programado por meio do controle automatizado do processo. Aqui, as estruturas 3D em escala mícron / submícron automontadas discutidas foram empregadas para fabricar estruturas suspensas para criar dispositivos fluídicos mícron / submícron e andaimes de bioengenharia.

Imagens das estruturas reais produzidas através do robô 3-eixo e método de gravação directa para cada um dos respectivos desenhos e algoritmos JR C-ponto definido nas Figuras 3-5 e B acima estão apresentados nas Figuras 6A, 7A e 8A. Como pode ser visto nas imagens resultantes, fibras tridimensionais, livremente suspensas foram com sucesso &quot;escrita&quot; sobre os substratos através da manipulação precisamente a ponta do aplicador de localizações espaciais prescritos, incluindo a iniciação / terminação pontos, bem como pontos de intersecção. As inserções dessas figuras ampliar os pontos de intersecção de fibras em suspensão, o que demonstra a capacidade do sistema para controlar com precisão orientação das fibras (Figuras 6B, 7B e 8B) no espaço 3-D. <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> Figura 6. (A) Op<html> imagem tical de fabricado &quot;quad&quot; estrutura web suspenso com 2 fibras de apoio (diagonais) e 12 bifurcados fibras PMMA ramificados; (B) Imagem SEM de uma única fibra bifurcada (ampliação 289x (15x óptico ampliação escala bar = 1 mm),; escala bar = 100 mm). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> Figura 7. (A) de imagem óptica de estrutura fabricado web suspensa &quot;simétrico&quot; com 1 fibra de apoio (horizontal) e 11 fibras PMMA ramificada bifurcados (15X óptico ampliação; escala bar = 1 mm), (B) imagem SEM de um único bifurcada fibra (107X ampliação; barra de escala = 100 mm).&quot;Target =&quot; _ blank 52834fig7large.jpg &quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> Figura 8. (A) de imagem óptica do fabricado &quot;duplo chevron&quot; suspenso estrutura web com 1 fibra de apoio (horizontal) e 22 fibras PMMA ramificada bifurcados (15X óptico ampliação; escala bar = 1 mm), (B) imagem SEM de um único fibra bifurcada. (80X de ampliação; barra de escala = 100 mm) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> Figura 9 mostra close-up vista da ordem sequencial ponto-a-ponto de fabricação de fibra em que o robô de 3 eixos e sistema de distribuição pode gerar as estruturas web-like suspensos livremente. O p<html> pontos de contacto olymer exibidos com números correspondem ao dar início programado ou destino no software JR-C referenciado na Figura 3B acima. As setas representam robô trajectória. A Figura 10 exibe micron e submicron fibras de polímero, o que demonstra a capacidade do sistema de gravação directa para o fabrico de fios de diferentes tamanhos. <img alt="Figura 9" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> Figura 9. imagem SEM ilustrando a ordem de fabricação ponto-a-ponto sequencial para desenhar as fibras mícron e submícron de polímero (de ampliação 29X; barra de escala = 200 m). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 2834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; Figura 10. SEM imagem de micron (6,5 mm) e fibras extraídas usando uma solução de polímero PMMA concentração de 20% sub-micron (555 nm). (2,270X ampliação; barra de escala = 2 mm) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior este valor.</a> Polímero diâmetro e comprimento da fibra foram medidas utilizando a microscopia electrónica de varrimento. A Tabela 1 mostra o diâmetro médio de fio para cada estrutura única apresentada nas Figuras 6-8 acima correspondente às fibras de ramificação bifurcadas e as fibras de suporte. A Tabela 2 mostra os parâmetros de polímero que foram medidos a partir das soluções de 24% de PMMA que foram utilizados para fabricar as estruturas mencionadas acima. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> Estrutura diâmetro na Figura 6</td><td> Estrutura diâmetro na Figura 7 </td><td> Estrutura diâmetro na Figura 8 </td></tr><tr><td> Fibras de apoio </td><td> 8,65 ± 1,43 mm </td><td> 9,39 ± 1,23 ^ M </td><td> 9,31 ± 1,65 ^ M </td></tr><tr><td> Fibras filial </td><td> 20,96 ± 3,35 mm </td><td> 15,92 ± 1,44 mm </td><td> 12,24 ± 5,42 mm </td></tr></tbody></table> Tabela 1. Os diâmetros médios das fibras de suporte e suspensão ramo mostrados nas Figuras 6-8 para uma solução 24% de PMMA. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> 24% de PMMA </td></tr><tr><td> Viscosidade (Pa * s) </td><td> 35.19 </td></tr><tr><td> Tensão Superficial (mN / m) </td><td> 262,01 </td></tr><tr><td&gt; coeficiente de transferência de massa (m / seg) </td><td> 8,59 x 10 -8 </td></tr></tbody></table> Tabela 2. Os parâmetros de polímero das soluções de 24% de PMMA que foram utilizados para fabricar as estruturas de fibras apresentados neste trabalho.

Aqui, apresentamos um protocolo para fabricar livremente suspensos, fibras micron / sub-micron escala de polímeros e estruturas &quot;web-like&quot; gerados via procedimento automatizado escrita direta por meio de um sistema de distribuição de 3 eixos.

Prescrito 3-D Direto Escrita de Suspenso Micron / Sub-micron estruturas de fibras Escala através de um sistema distribuidor Robotic

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

O objetivo geral deste procedimento é fabricar fibras poliméricas suspensas livremente, com escala de mícron a submícron, e estruturas semelhantes a teias, utilizando um procedimento automatizado de escrita direta por meio de um sistema de dispensação de três eixos. Isso é realizado primeiramente configurando o equipamento automatizado com o controlador de válvula e o sistema de dispensação. Após a configuração mecânica, as fontes líquidas de polímero são sintetizadas e o controle de qualidade é avaliado mediante ensaios de parâmetros reológicos, como tensão superficial e viscosidade.Em seguida, as estruturas são projetadas utilizando um software CAD. Então, as coordenadas espaciais das estruturas projetadas são transferidas para o software do controlador robótico. Posteriormente, o robô irá mover a agulha de dispensação para as localizações predeterminadas a fim de fabricar fibras poliméricas livres de suporte em escala micrométrica e submicrométrica, bem como desenhos semelhantes a teias.A principal vantagem desta técnica em relação a outras, como as de fiação úmida, seca e eletrofiação, é que podemos controlar com precisão o diâmetro da fibra, bem como sua orientação e dimensão nas três dimensões espaciais. Geralmente, indivíduos novos nesta tecnologia enfrentarão dificuldades, pois a sinergia entre a tensão superficial, a taxa de evaporação limitada e a taxa de alimentação será crucial para o sucesso na produção de fibras em uma ampla faixa de diâmetros. Quem demonstrará o procedimento hoje será Han Yon, um estudante de pós-graduação no meu laboratório. Para montar o equipamento robótico, comece montando o sistema dispensador na bancada do laboratório.Os quatro componentes pneumáticos que devem ser conectados durante este processo são a fonte de pressão, o regulador que controla a pressão da fonte, o controlador da válvula de saída e o corpo principal da seringa. Após a montagem dos componentes pneumáticos, ajuste o regulador principal para 15 PSI. Isso permitirá que a solução polimérica seja dispensada pela ponta da agulha a uma taxa de fluxo de 2,45 microlitros por minuto.Em seguida, coloque a base robótica de três eixos em uma caixa térmica dedicada e monte todo o sistema de dispensação juntamente com o controlador de válvula na parte superior da base robótica. A caixa com clima controlado proporcionará um ambiente estável tanto para a solução polimérica quanto para a eletrônica sensível durante a próxima fase do processo de montagem robótica. Primeiro, faça uma conexão serial entre a base robótica e um computador.Em seguida, instale o software dedicado do controlador no computador e teste a comunicação entre o software e o hardware antes de prosseguir. Depois, nivele a platina da mesa robótica. De acordo com as orientações do fabricante, isso garante que a ponta de dispensação permanecerá globalmente ortogonal à mesa robótica durante as atuações laterais.Além disso, isso também garantirá um movimento preciso ao longo do eixo Z durante atuações verticais da agulha. Para preparar uma solução polimérica numa concentração específica de interesse, comece calculando a quantidade de pó polimérico e solvente necessária para satisfazer dois critérios simultâneos. A razão entre seus pesos deve ser igual à porcentagem de concentração desejada, e o peso total dos dois componentes deve somar exatamente três gramas.Por exemplo, se uma solução de 24% de acrílico for utilizada para o processamento da fibra, a mistura pode ser preparada pesando-se inicialmente 0,72 gramas de polimetil metacrilato ou PMMA e, em seguida, adicionando-se 2,28 gramas de cloreto de benzeno. Em seguida, coloque um frasco de vidro vazio na balança microanalítica. Após a compensação do peso zero, adicione o pó de PMMA ao frasco.Em seguida, utilizando uma pipeta de vidro, adicione cloro-benzeno no frasco até que o peso total dos dois produtos químicos atinja três gramas. Para facilitar, dobre a solução dos grânulos do polímero. Vortexe o frasco durante um minuto e coloque-o em banho ultrassônico por aproximadamente cinco horas.Verifique a transparência da solução resultante caso ela ainda esteja opaca. Repita a etapa de agitação ultrassônica até que a solução fique totalmente transparente. Para projetar um padrão de fibra utilizando um software CAD, é necessária uma relação entre as coordenadas posicionais físicas da origem da plataforma e a origem do desenho CAD, a fim de determinar essa relação de referência de origem.Comece fixando um microscópio USB no suporte de montagem ao lado da válvula de dispensação. Em seguida, coloque um substrato pré-fabricado na plataforma robótica e realize uma translação aproximada da plataforma, de modo que a região desejada para deposição do polímero entre no campo de visão do microscópio. Ajuste manualmente o microscópio até que a agulha do dispensador entre em foco.Usando o controle por software, aplique ajustes finos adicionais nos eixos X, Y e Z de modo que a posição física da agulha corresponda à origem estrutural correspondente no desenho CAD. Agora, registre as coordenadas atuais do estágio XY no computador usando as coordenadas do estágio como o código de origem do projeto, bem como as coordenadas de início e término de cada segmento de linha do desenho da fibra polimérica. Por fim, selecione o comando de dados de sentido c e t no menu do robô e transfira o arquivo CAD do computador para o robô.O robô agora está pronto para ser preparado para o carregamento da solução polimérica e para a escrita direta da rede de fibras. Enquanto evita a formação de bolhas, carregue cuidadosamente três mililitros da solução polimérica clarificada no corpo da seringa. Em seguida, insira o pistão no corpo da seringa.Isso eliminará a distribuição inconsistente de pressão pneumática durante as etapas subsequentes. Em seguida, gire o adaptador da linha de entrada no corpo da seringa para facilitar uma conexão direta entre o corpo e a linha de fonte de ar. Mudando a atenção para a outra extremidade do corpo da seringa.Escolha uma ponta de agulha com o diâmetro desejado e monte a agulha de precisão na válvula de dispensação. Com a agulha instalada, localize o painel do controlador de dispensação, mude o estado para purgação e clique no botão de ciclo para preencher a válvula de dispensação com a solução polimérica. Quando a solução polimérica começar a gotejar da agulha de precisão, remova qualquer excesso de polímero expelido da agulha.Por fim, carregue os parâmetros de dispensação necessários na válvula de dispensação e no controlador do robô, e inicie a rotina de escrita direta selecionando a opção de execução de teste no menu principal do robô. A microscopia óptica com luz é utilizada para visualizar qualitativamente as estruturas, e a microscopia eletrônica de varredura é usada para obter dados dimensionais quantitativos sobre as fibras e as estruturas. Essas imagens são de uma estrutura formada a partir de uma solução de PMMA a 24%.Como ilustrado, o processo de escrita direta sintetizou uma matriz de fibras tridimensional na qual o padrão de localização relativa e os diâmetros das fibras de suporte e das fibras ramificadas podem ser ajustados independentemente para tecer um padrão de malha específico. A plataforma robótica é programada para se mover em direções sequenciais enquanto o polímero líquido é simultaneamente dispensado. Ao reduzir a concentração de PMMA para 20% e alterar a taxa de alimentação, a faixa dinâmica do diâmetro da fibra polimérica pode variar na ordem de dezenas de micrômetros até níveis submicrométricos.Uma vez dominada, essa técnica conjunta pode ser realizada em 30 minutos, se executada corretamente. No entanto, com a inclusão da preparação das soluções de PMA, do planejamento da estrutura no software do carro, do carregamento do sistema de dispensação com a solução de PMA e do tempo de 30 minutos para puxar as fibras, todo o processo levará aproximadamente seis horas. Ao tentar este procedimento, é importante observar os compromissos entre a formação das fibras e a taxa de alimentação.Por exemplo, se as forças inerciais geradas pela taxa de alimentação forem maiores que a tensão superficial e a taxa de evaporação do material fluido específico com o qual estamos trabalhando, teremos ruptura capilar e os fios não se formarão. Inversamente, se a nossa taxa de alimentação for muito lenta, perderemos o controle sobre o diâmetro daquele fio específico após o seu desenvolvimento. Esta técnica permitiu a nós e a outros pesquisadores da comunidade de microfabricação e nanofabricação desenvolver novos dispositivos e plataformas microfluídicas, tanto tridimensionais quanto tradicionais, além de criar novas plataformas biológicas e estruturas de suporte no campo da bioengenharia.

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JoVE Journal

Engineering

Engenharia

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