Микрофлюидное изготовление полимерных и биогибридных волокон с заранее разработанным размером и формой

Общая цель данного эксперимента состоит в том, чтобы продемонстрировать сложное формирование жидкости, наблюдаемое при производстве микроволокон. Это достигается за счет сборки микрофлюидного канала со специальными канавками для получения полимерного реализуемого ядра с заданной формой поперечного сечения. В качестве второго шага готовится раствор предварительного полимера, которому будет придана форма и полимеризован после прохождения через канал.

Далее в нижней части канала включается ультрафиолетовый свет для того, чтобы полимеризировать полимерный материал. Эти сканирующие электронные микрофотографии показывают несколько форм микрофибр, которые были изготовлены. Аналогичным образом, преимущества этого метода по сравнению с другими существующими методами, такими как электроспиннинг и расплав, включают в себя тот факт, что этот метод может быть выполнен при комнатной температуре, и этот метод может быть использован с различными полимерными приемлемыми материалами.

Кроме того, эта методика не требует высоких напряжений. Он не требует высокой температуры с последующим быстрым охлаждением, а также не требует контроля факторов окружающей среды, таких как влажность. Визуальная демонстрация этого метода имеет решающее значение, потому что производство микрофлюидных волокон не так распространено, как некоторые другие методы, и поэтому его может быть трудно концептуализировать, не увидев его.

Визуально, однако, этот метод был использован для производства полимерных микроволокон. Те же принципы используются в нашей лаборатории для разработки других систем, таких как микрокровеносные сосуды. Эта идея возникла у нас, когда мы наблюдали за конфокальными микрочипами и системами проточной цитометрии с микрочипами.

Как мы видели, развиваются устойчивые витиеватые поперечные сечения. Мы предположили, что с помощью полимерного раствора формы могут быть зафиксированы с помощью фотополимеризации непрерывно и относительно легко. Демонстрировать процедуру будут Майкл Даниэль и Даррелл Бойд, которые являются постдоками из моей лаборатории.

Сначала соберите ранее разработанное устройство потока оболочки снизу вверх, поместив одну крепежную пластину внизу, затем слой циклического сополимера олефина COC и оставшуюся крепежную пластину. Убедитесь, что формовочные канавки выровнены друг с другом по краям канала, а геометрия жидкости для формовки в слоях COC идеально перекрывается. Вставьте болты поперек центра устройства и с помощью силовой отвертки затяните гайки и болты, чтобы зажать устройство вместе, чередуя слева направо от центра.

Повторите предыдущий шаг от центра к краям, чтобы зафиксировать выравнивание и предотвратить утечки. Установите впускной патрон, когда достигнете его монтажных отверстий, и продолжайте установку винтов поочередно. Далее подсоедините устройство подачи оболочки к тигонной трубке.

Используя стандартные фитинги для ВЭЖХ, вручную затяните все соединения, установите устройство вертикально с помощью кольцевой подставки и зажима, убедитесь в вертикальном положении устройства с помощью уровня на самой верхней части. Затем расположите источник ультрафиолетового излучения перпендикулярно примерно в одном сантиметре от поверхности COC устройства для обтекания оболочки таким образом, чтобы последние три-пять сантиметров микроканала были облучены. Наполните одномиллилитровый шприц с наконечником приманки PEG 400, который будет использоваться в качестве неполимерной жидкости, и наполните 30-миллилитровый шприц с наконечником приманки PEG 400, который будет использоваться в качестве жидкости оболочки.

Далее дополните свежеприготовленный раствор тиоловой линии четырежды по 10 до минус четвертой моли фотоинициатора ДМПА в небольшом флаконе. Примерно через две минуты помешивания загрузите пятимиллилитровый шприц с нижним наконечником, обернутый алюминиевой фольгой, предварительно полимерным раствором. Вслед за этим местом происходит выход микрофлюидного канала в сборную ванну, содержащую воду.

Установите оболочку ядра и оболочку шприцевого насоса на закачку со скоростью 30 и 120 микролитров в минуту соответственно. Затем введите соответствующие диаметры шприцев в шприцевые насосы. Затем установите шприцы в соответствующие шприцевые насосы и подключите их к устройству подачи тубуса.

С помощью защитных от ультрафиолетового излучения трубок Tigon запустите жидкость оболочки, чтобы заправить устройство потока оболочки и удалить воздух из системы. Визуально осмотрите микроканал и уделите особое внимание формирующим канавкам, чтобы убедиться, что в микроканале не осталось пузырьков воздуха, прежде чем переходить к следующему этапу. Если пузырьки воздуха присутствуют, вмешайте устройство, вращая и/или осторожно постукивая под потоком, чтобы вымыть их из устройства.

Запустите жидкость для облицовки, также позволив потоку стабилизироваться. После осмотра микроканала и выдувания пузырьков воздуха запустите основную жидкость и убедитесь, что пузырьки не присутствуют в системе таким же образом, как раньше. Наконец, включите источник ультрафиолетового излучения и наблюдайте за сборной ванной для непрерывного производства полой микрофибры по мере ее выброса вместе с жидкостью оболочки.

Извлекая волокно из сборной ванны, для создания полых волокон использовалась простая двухступенчатая конструкция с использованием формовочных канавок и трех входов раствора. Моделирование COMSOL использовалось для определения подходящих соотношений расхода для получения желаемого размера поперечного сечения. Комбинация фрезерования и формовки позволила получить компоненты для узла потока оболочки для изготовления волокон.

Полимеризация облицовочного материала инициировалась источником ультрафиолетового излучения, а полые волокна выдавливались из микроканала в сборную ванну. Производство волокон продолжалось в течение нескольких минут и привело к образованию одного волокна длиной более метра. Волокна, изготовленные в этих условиях, имели диаметр около 200 микрометров.

Структура волокон визуализировалась с помощью оптической и электронной микроскопии. Волокна имели овальную форму с полым сердечником. Капиллярное действие было использовано для введения жидкости и пузырьков внутрь волокна и подтвердило, что полая структура является непрерывной по всей длине волокна.

После освоения этот процесс может занять всего 45 минут. Это включает в себя время на настройку канала, подготовку раствора, изготовление волокна, а также сбор волокон. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее понимание того, как спроектировать и собрать микрофлюидный канал для производства полых микроволокон.

Не забывайте, что при работе с опасными химическими веществами и ультрафиолетовым излучением вы всегда должны носить средства индивидуальной защиты.