Summary
Мы демонстрируем контролируемых преобразований структуры отек труб гель упругой нестабильности. Простая проекция микро стерео-литографии установки построена с использованием вне-полки цифровых данных проектор для изготовления трехмерных полимерных структур в слой за слоем моды. Набухание гидрогеля трубы при механическом ограничении отображать различные окружные формы потери устойчивости в зависимости от размера.
Abstract
Устойчивость является классической темы в механике. В то время как потери устойчивости уже давно изучается как один из основных структурных видов отказов 1, то в последнее время обращается внимание, как новая уникальная модель механизма преобразования. Природа полна таких примеров, когда богатство экзотических моделей формируются за счет механического 2-5 нестабильности. Вдохновленный этим элегантным механизмом, многие исследования показали, создание и преобразование моделей с использованием мягких материалов, таких как эластомеры и гидрогелей 6-11. Отек гели представляют особый интерес, поскольку они могут вызвать спонтанно механической нестабильности для создания различных форм без необходимости внешней силой 6-10. Недавно мы сообщали демонстрация полного контроля над выпучивания картина микро-масштабных трубчатых гели с помощью проекции микро-стереолитографии (PμSL), трехмерные (3D) технологии производства, способных быстро преобразования компьютерной 3D-модели яNto физических объектов с высоким разрешением 12,13. Здесь мы приведем простой метод для создания упрощенных PμSL системы с помощью коммерчески доступных цифровых данных проектор для изучения отеки вызванные продольная неустойчивость для контролируемого преобразования шаблона.
Простой рабочий стол 3D-принтер построен с использованием вне-полки цифровых данных проектор и простые оптические компоненты, такие как выпуклая линза и зеркало 14. Изображения поперечного сечения извлечь из 3D модели твердого проецируется на светочувствительной поверхности смолы в последовательности, полимеризации жидкой смолы в нужное 3D твердые структуры в слой за слоем моды. Даже с этой простой конфигурации и легкий процесс, произвольное 3D-объекты могут быть легко изготовлены с суб-100 мкм резолюции.
Этот настольный 3D-принтер имеет потенциал в изучении механики мягких материалов, предлагая большие возможности для изучения различных 3D-геометрии. Мы используем эту систему для FabricaТе трубчатая структура в форме гидрогеля с различными размерами. Исправлена на дне на подложку, трубчатые гель развивается неоднородной стресс во время отек, что приводит к продольная неустойчивость. Различные волнистые узоры появляются вдоль окружности трубы, когда гель структур подвергаются деформации. Опыт показывает, что окружные выпучивания нужный режим может быть создан в управляемом режиме. План преобразования трехмерную структуру трубчатых гели имеет значительные последствия не только в области механики и материаловедения, но и во многих других развивающихся областях, таких как перестраиваемый matamaterials.
Protocol
1. Подготовка форполимера решение
- Mix поли (этиленгликоль) диакрилат (PEG-DA) (средняя молекулярная масса ~ 575, Sigma-Aldrich) и поли (этиленгликоль) (ПЭГ) (средняя молекулярная масса ~ 200, Sigma-Aldrich) в весовом соотношении 1:02.
- Добавить 0,67% мас. фото-инициатора (Phenylbis (2,4,6-триметилбензоил) фосфин оксид, Sigma-Aldrich). Решение должно храниться в темноте с этого момента.
- Добавить 0,05% мас. Фото-поглотитель (Судан I, Sigma-Aldrich).
- Смешайте раствор в течение 24 часов при комнатной температуре с помощью магнитной мешалки.
2. Настройка Desktop 3D принтера с помощью цифровых данных проекторов
- Поместите цифровых данных проектор на ровной и устойчивой позиции, и подключить его к компьютеру с Microsoft PowerPoint установлен.
- Поместите выпуклая линза в правой передней части объектива пучка выход цифрового проектора. Выберите выпуклой линзы, чтобы сделать фокальной плоскости около 10 см от профипроектора. (Оптическое разрешение становится меньше для объективов с более коротким фокусным расстоянием, но нужно, чтобы зарезервировать место для оптических компонентов).
- Поместите зеркало после выпуклой линзы на пути луча под углом 45 °, чтобы направить луч прямо вниз.
- Поместите держатель образца в фокальной плоскости проецируемого луча. Держатель образца должен быть присоединен к линейной стадии с помощью которого вертикальное положение держатель образца находится под контролем.
- Поместите ванну со смолой под держатель образца.
3. Проектирование и изготовление гель в тубах
- Определить диаметр, толщина стенки, а высота геля трубы должны быть сфабрикованы.
- Нарисуйте изображения поперечного сечения для геля трубку. Изображения должны быть в белом цвете с черным фоном. Вставьте эти изображения в Microsoft PowerPoint слайды.
- Начать слайд-шоу в Microsoft PowerPoint и проецировать любое изображение. Поместите держатель образца в фокальной плоскости путем изменения вертикальной позиции с помощью ATTболела этапе.
- Переключитесь на "пустышки" черное изображение, так что не будет никаких нежелательных полимеризации, одновременно оказывая форполимера решение.
- Залить форполимера решение смолы ванны. Наполните ванну, пока раствор слегка охватывает держатель образца. Теперь он готов к печати 3D объектов.
- Переключитесь на слайд, содержащий первый поперечного сечения образ гель трубку для полимеризации первого слоя. Держите проецирования изображения на 8 секунд и вернитесь в "Blackout" слайд.
- Поверните ручку на линейной стадии по очереди ¼ (~ 160 мкм), чтобы снизить держателя образца. Теперь свежая смола течет, чтобы покрыть полимеризованный первого слоя.
- Проект поперечного сечения изображение еще раз для полимеризации второй слой поверх разбирательства один. Повторите шаги 3.6-3.8, пока гель трубки нужной высоты изготовлен.
- После того как все слои будут готовы, снять держатель образца из форполимера решение, и получить изготовлены образцы, тщательно используя бритву мочевогое.
- Промыть образец в ацетоне в течение ~ 3 часа, а затем дайте ему высохнуть в течение ~ 1 часа.
4. Отек эксперимент при заданных структурообразования упругие неустойчивости
- Подготовка водно-масляной двойной слой жидкости в прозрачной стеклянной посуде.
- Прикрепить сухого образца на держатель образца с помощью супер клея.
- Переверните держатель образца, так что пример с ног на голову. Погрузитесь образца в водно-масляной ванне с жидкостью. Подойдите к образцом для водно-масляных интерфейс от слоя масла. Образец начинает набухать, когда образец не коснется поверхности воды в то время как базовая часть подложки, на которой гель трубы был установлен остался в верхнем слое масла. Таким образом, вода может диффундировать в стенке трубы позволяет образца набухают до сдерживающим базы расслабляется смачивания. Следить за изменением картины, как гель набухает труба с помощью цифровой камеры.
Representative Results
Простой PμSL системы с помощью вне-полки цифровых данных проектор показано на рисунке 1. Выпуклой линзы с фокусным расстоянием 75 мм концентрирует луч на небольшой площади освещенность 2 см на 2 см. В результате в плоскости оптическое разрешение составляет около 45 мкм. Разрешение по вертикали определяется уровень точности линейной стадии. Толщина слоя конструкций для данного исследования составляет 160 мкм. Каждый слой полимеризоваться в течение 8 освещением сек. Структура Представитель 3D изготовлены системы показан на рис 1D. Этот объектов состоит из 58 слоев PEGDA.
Мы подготовили фото-излечима PEGDA гидрогеля. Температура сшивания, поэтому большая опухоль, гидрогеля PEGDA было достигнуто путем добавления без сшивания PEG в форполимер решение. Длина стрелки набухания полученной гидрогель PEGDA составляет 1,5, что соответствует объемного расширения больше, чем 300%.
> Набор труб PEGDA гидрогеля были разработаны и изготовлены на основе нашей теории 12. Мы поместили образец с ног на голову и положить в ванну с водой покрыто слоем масла на вершине, как показано на рисунке 2А. В зависимости от размерных параметров, круглых труб либо оставались стабильными или превращаются в волнистые линии, как показано на рисунке 2B. Широкий спектр отек орнамент различных образцов был взят в плен цифровой камеры и представлены на рисунке 3А.
Рисунок 1. Рабочего стола проекции микро-стереолитографии системы (а) схематическое изображение (б) реальной системы (с) крупным планом компонентов (г) представитель 3D-структур. Нажмите, чтобы увеличить показатель .
Рисунок 2. (А) Экспериментальная установка для гидрогеля трубки отек (б) ограничены гидрогель трубка превращается в различные узоры. Масштаб полоса указывает на 5 мм.
Рисунок 3. (А) Шаблоны образуется припухлость в эксперименте. Вертикальная ось показывает т / ч (при этом стабильность), а горизонтальная ось показывает ч / D (при этом потери устойчивости). Масштаб полоса указывает на 5 мм. (Б) Устойчивость режима зависит только от ч / D. Экспериментальный результат хорошо согласуется с теоретическим предсказанием. Нажмите, чтобы увеличить показатель .
| Пример </ STRONG> | D (мкм) | т (мкм) | ч (мкм) | |
| Я | я | 9300 ± 420 | 760 ± 40 | 840 ± 40 |
| II | 9700 ± 420 | 1040 ± 40 | 1060 ± 40 | |
| III | 9700 ± 420 | 1210 ± 40 | 1340 ± 40 | |
| IV | 9700 ± 420 | 1660 ± 40 | 1680 ± 40 | |
| II | я | 9000 ± 420 | 480 ± 40 | 880 ± 40 |
| II | 9000 ± 420 | 1060 ± 40 | ||
| III | 9500 ± 420 | 740 ± 40 | 1350 ± 40 | |
| IV | 9200 ± 420 | 970 ± 40 | 1650 ± 40 | |
| III | я | 8900 ± 420 | 160 ± 40 | 790 ± 40 |
| II | 8900 ± 420 | 300 ± 40 | 1020 ± 40 | |
| III | 9100 ± 420 | 380 ± 40 | 1330 ± 40 | |
| IV | 9000 ± 420 | 490 ± 40 | 1630 ± 40 | |
| IV | я | 8900 ± 420 | 140 ± 40 | 780 ± 40 |
| II | 8800 ± 420 | 190 ± 40 | 1010 ± 40 | |
| III | 9300 ± 420 | 230 ± 40 | 1340 ± 40 | |
| IV | 8900 ± 420 | 290 ± 40 | 1650 ± 40 | |
Таблица 1. Размеры образца измеряется с помощью оптического микроскопа. Ошибки указывают на неопределенность измерений.
Discussion
В набухания гидрогеля трубчатых ограничена на подложке, стабильность зависит только от т / ч и устойчивость режима зависит только от ч / D 12. Четыре группы образцов (I-IV) с различными уровнями нормированной толщины т / ч были сфабрикованы, с группой я быть толще и группу IV быть более стройными. Каждая группа состоит из четырех образцов (I-IV) с различными уровнями нормированной высоты ч / D, с образцом, я короче, и образец IV быть выше. Размеры изготовленных образцов представлены в таблице 1. Группа I и II предназначены, чтобы остаться стабильным в период набухания, в то время как группа III и IV предназначены для пряжки и преобразования на опухоль. Для изгиба образцов, Bucklinг режима должна уменьшаться с высоты образца. 3А приведены экспериментальные результаты. Как и предсказывает теория, образцы в группе I и II были стабильными и остались на круговой отек, в то время как образцы в группе III и IV все прошли через упругие неустойчивости и подогнулись. Кроме того, образцы с тем же ч / D отображается аналогичный потери устойчивости режима. 3В сравнивает экспериментально наблюдаемые формы потери устойчивости образцов в группе III и IV с теоретическим предсказанием. Мы видим, что образцы с тем же ч / D представлять такую же после потери устойчивости картины независимо от толщины и экспериментальные результаты хорошо согласуются с теорией.
Мы представляем, как построить простой настольной системы 3D-печати с использованием коммерчески доступных цифровых данных проектор. Предлагаемый подход основан на фотоотверждения полимера к конПостроим 3D-структур, и, следовательно, любое фотоотверждаемых полимеры могут быть также использованы в целом, насколько фотоинициаторов имеет соответствующие поглощению в видимом диапазоне длин волн. Отметим, что многие коммерчески доступные фотоинициаторы предназначены для ультра-фиолетового (УФ) длинах волн, но фотоинициатора используется здесь имеет относительно более высокую оптическую плотность при длине волны более 400 нм. Предлагает простой и быстрый способ для изготовления 3D-объектов, этот метод найдет широкое применение в различных областях, включая мягкие механика материалов, как показано здесь.
Disclosures
Нет конфликта интересов объявлены.
Acknowledgments
Авторы хотели бы поблагодарить Иосифа Muskin и Мэтью Ragusa в Университете штата Иллинойс в Урбана-Шампейн для обеспечения изображения поперечного сечения для 3D-структур, показанных на рис 1D.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Poly(ethylene glycol) diacrylate | Sigma-Aldrich | 437441 | Mw~575 |
| Poly(ethylene glycol) | Sigma-Aldrich | P3015 | Mw~200 |
| phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide | Sigma-Aldrich | 511447 | Photo-initiator |
| Sudan I | Sigma-Aldrich | 103624 | Photo-absorber |
| Digital data projector | Viewsonic | PJD6221 | |
| Convex lens | Thorlabs | LA1145 | f = 75.0 mm |
| Mirror | 4" silicon wafer | ||
| Manual stage | Velmex | A2506DE-S2.5 |
References
- Timoshenko, S. P., Gere, J. M. Theory of Elastic Stability. , McGraw-Hill. (1961).
- Sharon, E., Marder, M., Swinney, H. L. Leaves Flowers and Garbage Bags: Making Waves. American Scientist. 92, 254-261 (2004).
- Kücken, M., Newell, A. C. Fingerprint formation. Journal of Theoretical Biology. 235, 71-83 (2005).
- Liang, H., Mahadevan, L. The shape of a long leaf. Proceedings of the National Academy of Sciences. 106, 22049-22054 (2009).
- Bayer, S. A., Altman, J. The human brain during the second trimester. , Taylor & Francis. (2005).
- Trujillo, V., Kim, J., Hayward, R. C. Creasing instability of surface-attached hydrogels. Soft Matter. 4, 564 (2008).
- Breid, D., Crosby, A. J. Effect of stress state on wrinkle morphology. Soft Matter. 7, 4490 (2011).
- Mora, T., Boudaoud, A. Buckling of swelling gels. The European Physical Journal E. 20, 119-124 (2006).
- DuPont, S. J., Cates, R. S., Stroot, P. G., Toomey, R. Swelling-induced instabilities in microscale, surface-confined poly(N-isopropylacryamide) hydrogels. Soft Matter. 6, 3876-3882 (2010).
- Dervaux, J., Couder, Y., Guedeau-Boudeville, M. -A., Ben Amar, M. Shape Transition in Artificial Tumors: From Smooth Buckles to Singular Creases. Physical Review Letters. 107, 018103 (2011).
- Jang, J. -H., Koh, C. Y., Bertoldi, K., Boyce, M. C., Thomas, E. L. Combining Pattern Instability and Shape-Memory Hysteresis for Phononic Switching. Nano Letters. 9, 2113-2119 (2009).
- Lee, H., Zhang, J., Jiang, H., Fang, N. X. Prescribed Pattern Transformation in Swelling Gel Tubes by Elastic Instability. Physical Review Letters. 108, 214304 (2012).
- Sun, C., Fang, N., Wu, D. M., Zhang, X. Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask. Sensors and Actuators A: Physical. 121, 113-120 (2005).
- Muskin, J., Ragusa, M., Gelsthorpe, T. Three-Dimensional Printing Using a Photoinitiated Polymer. Journal of Chemical Education. 87, 512-514 (2010).
