Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

عملية صنع المجهرية ثلاثي الأبعاد باستخدام تبخير مكون قرباني

Published: November 2, 2013 doi: 10.3791/50459
Automatic Translation
1, 2, 2
1Department of Physics, University of California, Irvine, 2Department of Chemistry, University of California, Irvine

Summary

يتم استخدام التبخير من مكون (VaSC) عملية قرباني الى افتعال الهياكل الاوعية الدموية الدقيقة. يستخدم هذا الإجراء بولي الألياف حمض الذبيحه (اللاكتيك) لتشكيل microchannels جوفاء مع تحديد المواقع 3D هندسية دقيقة المقدمة من الليزر لوحات دليل مجهريا.

Abstract

هياكل الأوعية الدموية في النظم الطبيعية قادرون على توفير وسائل النقل الجماعي عالية من خلال المساحات السطحية العالية والهيكل الأمثل. قليلة الاصطناعية تقنيات تصنيع المواد هي قادرة على تقليد تعقيد هذه الهياكل مع الحفاظ على تطويره. وتبخير مكون (VaSC) عملية قرباني قادرة على القيام بذلك. هذه العملية تستخدم ألياف الذبيحه كقالب لتشكيل أجوف، أسطواني microchannels جزءا لا يتجزأ من داخل مصفوفة. القصدير (II) أكسالات (SnOx) مضمن ضمن بولي (اللبنيك) حمض (جيش التحرير الشعبى الصينى) الألياف التي تسهل استخدام هذه العملية. وSnOx يحفز التحلل من الألياف جيش التحرير الشعبى الصينى في درجات حرارة منخفضة. لمونومرات حامض اللبنيك هي الحالة الغازية في درجات الحرارة هذه، ويمكن إزالتها من المصفوفة المضمنة في درجات الحرارة التي لا تضر المصفوفة. هنا نعرض طريقة لمواءمة هذه الألياف باستخدام لوحات مجهريا وجهاز التوتير لخلق أنماط معقدة من ثلاثة الأبعاد microchannels المحتشدة.عملية تسمح للاستكشاف تقريبا أي ترتيب من الألياف طبولوجيا والهياكل.

Introduction

النظم الطبيعية استخدام شبكات الأوعية الدموية واسعة لتسهيل العديد من الوظائف البيولوجية. ويمكن تحقيق كفاءة النقل الجماعي في مثل هذه الأنظمة نظرا لمساحة سطحها عالية لنسب حجم وهياكل التعبئة الأمثل. في حين يمكن أن العديد من تقنيات تصنيع الهياكل الاصطناعية إنتاج الاوعية الدموية الدقيقة، ويمكن أيا إنتاج الأوعية الدموية الدقيقة على نطاق واسع مع الحفاظ على التعقيد والتوافق مع طرق التصنيع القائمة 1-5. هياكل مثل الرئة الطيور توفير مصدر إلهام. كيف نبتدع هياكل هذا التعقيد لتعزيز النقل الجماعي؟

وتبخير مكون قرباني (VaSC) يمكن أن تنتج على نطاق واسع، والهياكل الاوعية الدموية الدقيقة المعقدة 6-7. يستخدم هذا الأسلوب التحلل الحراري والتبخر إزالة بولي (اللبنيك) ألياف حمض لتشكيل قنوات جوفاء التي هي معكوس من القالب الألياف. هذا هو أسلوب الذبيحه متوافقة مع التصنيع القائمةالأساليب. متر طويلة، وأنماط متناهية أسطواني يمكن تشكيلها باستخدام هذه العملية تلفيق. وهذا يمكن أن تستخدم لخلق الأجهزة أوعية دموية مثل البوليمرات الشفاء الذاتي و 3D وحدة التقاط الكربون الاوعية الدموية الدقيقة 7-10.

كانت مستوحاة الوحدات التقاط الكربون من الرئة الطيور التي توفر نسبة غاز الصرف لوزن فعالة بسبب استخدامها في الرحلة. يتكون parabronchus من microchannels منقوشة hexagonally، التي تنص على ارتفاع معدلات تبادل الغازات والوحدات تبادل الغازات مستقرة من الناحية الهيكلية. من أجل إنشاء وحدات الصرف مع ميزات الميكروسكيل الانحياز في ثلاثة أبعاد، قمنا بتطوير طريقة التوتير مستقل الألياف باستخدام العرف مجلس التوتر مصممة مع المستقبلون الغيتار ولوحات الليزر مجهريا. يقام كل الألياف في مكان بالتوتر الخارجية ويتم تعيين نمط من وضع ثقوب في لوحة من خلالها تشغيل الألياف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. تحفيز ألياف قرباني

  1. التفاف المبلغ المطلوب من بولي (اللبنيك) ألياف الحمض في جميع أنحاء الدنيا ¾ من المغزل حسب الطلب. الحد من التداخل الألياف لتوفير أقصى قدر من التعرض مساحة السطح.
  2. مزيج منزوع الأيونات H 2 O مع 40 مل من Disperbyk 130 في زجاجة مغلقة ويهز حتى يتم الحصول على حل متجانسة. ثم ضع كوب مل 1،000 في حمام الماء عند 37 درجة مئوية، وتصب trifluoroethanol في الدورق. كمية من H 2 O وTFE لاستخدام يعتمد على قطر الألياف المستخدمة جيش التحرير الشعبى الصينى.
    الألياف القطر كمية من H 2 O (ML) كمية من TFE (ML)
    200 400 400
    300 360 440
    500 320 480
  3. إضافةوH 2 O / 187 Disperbyk حل لكوب ويحرك حتى موحدة.
  4. إضافة 1 غرام من المواد المسرطنة إلى الخليط ويقلب حتى يذوب.
  5. وضع المغزل مخصصة مع الألياف في الدورق ½ بوصة من القاع ونعلق المغزل إلى خلاط الرقمية. ثم بدء خلاط الرقمية في 400 دورة في الدقيقة.
  6. إضافة ببطء 1.3 غرام من القصدير (II) أكسالات (SnOx) حافزا إلى الخليط. إضافة SnOx يجب أن تكون تدريجية من أجل منع التجمعات كبيرة من المواد من تحطمها من الحل.
  7. ضبط درجة الحموضة في الخليط باستخدام هيدروكسيد الصوديوم حتى درجة الحموضة ~ 6،8-7،2.
  8. تأمين غطاء للكوب وزيادة دوران المغزل إلى 500 دورة في الدقيقة لمدة 24 ساعة. إذا لوحظ حدوث التكتل من SnOx، وكسر بذلك يدويا حتى ضمن أول ساعة 2.
  9. إزالة عمود الدوران وجاف في الفرن على 35 درجة مئوية خلال الليل.
  10. بسط وإزالة محفز الزائدة من ألياف جيش التحرير الشعبى الصينى المحفزة.

2. الاوعية الدموية الدقيقة الغاز Exchanجنرال الكتريك وحدة التصنيع

  1. الحصول على زوج من النحاس ليزر لقطع لوحات النحاس الزخرفة مع نمط الاوعية الدموية الدقيقة المطلوبة ويضعوا لوحات على أصحاب كليب.
  2. قطع بطول 10 بوصة من الألياف المحفزة لكل متناهية وإزالة أي حافز المتبقية باستخدام لوحة سمكا قطع لقطر الألياف (رسم لوحة).
  3. تفتق حواف الألياف باستخدام غيض من مسدس الغراء الساخن لببطء بثق نصائح الألياف.
  4. الخيط الألياف من خلال مطابقة ثقوب في لوحة الزخرفة النحاس أزواج.
  5. المسمار لوحات على مربع صب. تأكد من عدم والملتوية الألياف عندما ربط لوحات.
  6. سلسلة النصائح الألياف من خلال ضبط أوتاد من المجلس التوتير العرف.
  7. التوتر الألياف جيش التحرير الشعبى الصينى حتى مشدود. يجب الحرص على عدم الإفراط في التوتر والمفاجئة الألياف.
  8. إزالة الجسيمات الزائدة من نمط الألياف باستخدام الهواء المضغوط.
  9. مزيج polydimethylsiloxane (PDMS) قاعدة مع وكيل علاج في 10:01، الخامس: نسبة الخامس. ديغا الخليط تحت فراغ في جرة المجفف لمدة 10 دقيقة.
  10. صب الخليط PDMS في قالب مربع. لا صب مباشرة عبر الألياف من أجل الحد من محاصرة من فقاعات الهواء.
  11. باستخدام إبرة G 26، وإزالة أي فقاعات داخل مربع صب أو بين الألياف.
  12. علاج الخليط PDMS في 85 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
  13. افتحي لوحات النحاس من مربع العفن، والتأكد من عدم ثني لوحات أو سحب من الصعب جدا. إزالة الشفاء 1 المرحلة القديس من قالب مربع.
  14. الخيط الألياف من خلال RTV نهاية الحد الأقصى عن طريق ثقب الثقوب في الحد الأقصى نهاية بإبرة تحت الجلد. اعتمادا على حجم الألياف، واستخدام إبرة قياس أن لديه على الأقل 2X القطر الداخلي من القطر الخارجي للألياف الخاص بك. الحفاظ على نمط مماثلة كما في لوحة الزخرفة النحاس، ولكن تنتشر على نطاق واسع خارج.
  15. ربط نهاية قبعات إلى أقاصي مربع قالب أكبر وتصب مرحلة الثانية 2 من PDMS.
  16. إزالة أي فقاعات الغاز المتبقية وعلاج في 85 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
  17. قطع أي ألياف جيش التحرير الشعبى الصينى الزائدة من العينة ومكان في الفرن فراغ في 210 درجة مئوية لمدة 24 ساعة، أو حتى تم اجلاء معظمهم من ألياف جيش التحرير الشعبى الصينى.
  18. إذا لا يمكن إزالة أي جيش التحرير الشعبى الصينى، ويحل بلطف من و microchannels باستخدام حقن 1 مل من الكلوروفورم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

يوفر هذا الإجراء وسيلة لافتعال الهياكل الاوعية الدموية الدقيقة جزءا لا يتجزأ من داخل الراتنج. ويمكن لهذه الهياكل تتوافق مع مجموعة متنوعة من الأنماط (الشكل 2). هيكل شبكة الاوعية الدموية الدقيقة محدود فقط من الهياكل التي يمكن تشكيلها مع الألياف فداء.

باستخدام ترتيب مواز من القنوات الاوعية الدموية الدقيقة، لنقل الغاز بين تيارات السوائل مما يسهل والغازات اجتياز نفاذية الغشاء بين القناة. يمكن أن تكون ملفقة هذه الأجهزة بطريقة قابلة للتطوير دون الحاجة إلى الطباعة الحجرية (الشكل 3). و microchannels شكلت هي جوفاء تماما، ويمكن أن تكون مفصولة أقل من 50 ميكرون.

فمن الممكن لكلا التسريبات والمقابس لتظهر داخل و microchannels (الشكل 4). سوف تشكيل المكونات منع أي تدفق السائل من خلال متناهية ويجب إزالة يدويا. تسرب بين القنوات يمكن أن تشكل ثلا يتم تنظيفها الدجاجة الألياف وباردة.

الشكل 1
الشكل 1. VaSC تلفيق نظرة عامة عملية. ألياف جيش التحرير الشعبى الصينى قرباني ومترابطة من خلال لوحات دليل مجهريا. وموتر الألياف حتى مشدود إلى إنشاء ترتيب مواز. ثم هي جزء لا يتجزأ من الألياف داخل مصفوفة. ثم يتم استخدام الحرارة وفراغ ليزيل البلمرة الألياف في مونومرات الغازية. والنتيجة النهائية هي مجموعة من microchannels جوفاء حيث الألياف مرة واحدة.

الشكل 2
الشكل 2. أنماط العينة. (A) SEM صورة من واحدة سداسية نمط سو 200 ميكرون و 300 ميكرون قنوات قطر. (B) لوحة دليل لنمط معبأة hexagonally من 200 ميكرون و 300 ميكرون microchannels قطر.

الشكل (3)
الشكل (3). ممثل وحدة تبادل الغازات. الجزء المركزي من وحدة يحتوي على ترتيب hexagonally من 200 ميكرون و 300 ميكرون microchannels قطر. هيكل الثانوي ينتشر خارج ويسمح لتسهيل الوصول إلى و microchannels. يتم تحميل Microchannels مع الصبغة الزرقاء والبرتقالي وضوح بصرية.

الشكل 4
الشكل 4. فشل ممثل وحدة تبادل الغازات.

الرقم 5
الشكل 5. مخصصة لتصنيع الأجهزة. (A) المغزل مخصص. ستة قضبان دعم تحيط نواة مركزية. يتم التفاف ألياف جيش التحرير الشعبى الصينى حول قضبان دعم لتعظيم الاتصال مع الحل الحفاز. يتم وضع شفرة الخلط في الجزء السفلي من المغزل لتقديم تدفق الفوضى. (B) مخصص مجلس التوتير. يتم وضع المستقبلون الغيتار على طول حواف لوحة الاكريليك لتوتر الألياف جيش التحرير الشعبى الصينى. يتم وضع النقاط المحورية حتى ثار الزاوية بين الألياف وألواح دليل يبقى قريبا إلى عمودي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

إدخال المحفز SnOx في الألياف جيش التحرير الشعبى الصينى تسمح للألياف ليزيل البلمرة في انخفاض درجة الحرارة. هذا يمنع تدهور الراتنج التضمين، في هذه الحالة PDMS. مطلوب المغزل مخصصة لخلط بشكل صحيح الحل العلاج (الشكل 5A). يتكون المغزل من ستة قضبان دعم المحيطة نواة مركزية التي تعلقها على خلاط الرقمية. يتم التفاف ألياف حول قضبان الدعم بحيث المساحة السطحية للألياف التفاف على اتصال مع الحل الحفاز كان مكبر. الجزء السفلي من المغزل يتضمن مجموعة من ريش لتقديم تدفق الفوضى. تدفق فوضوي يمنع التكتل من المحفز.

يتم استخدام لوحة التوتير مخصصة لإنشاء مجموعة موازية من الألياف (الشكل 5B). هذا يتكون من لوحة مع الغيتار أوتاد ضبط على طول حواف من المجلس. أبعاد اللوحة هي غير مهم طالما ما يكفي من ضبط أوتاد هي بريسيNT لتوتر كل من الألياف المستخدمة في هذا النمط. إضافة النقاط المحورية للألياف هو مفيد لمنع الألياف من الانحناء عند كبير جدا من زاوية في دليل لوحة واجهة. الجزء الأكثر تحديا من الإجراء تلفيق من المرجح خيوط من الألياف لأنماط أكبر. من المهم أن تبقى المنظمة عندما خيوط الألياف، وضمان أن هناك مساحة وافرة في خيوط الألياف المقبل.

لأنماط مع فصل متناهية تحت 50 ميكرون، فمن الممكن لكسر ألواح دليل. يجب توخي الحذر في إزالة محفز الزائدة من الألياف مثل الزائدة غالبا ما تكون أكبر في القطر من الثقوب نمط لوحة. عند إزالة لوحات، كما يجب إزالة PDMS التي تسربت من خلال لوحات لأنها يمكن أن تنتج ضغوطا إضافية على لوحات عندما تتم إزالتها.

ملفقة لوحات دليل استخدام الليزر متناهي الصغر. وتنتج هذه العملية تفتق طفيف إلى حوجنيه من لوحة، مما أدى في جانب واحد وجود افتتاح أكبر قليلا من الأخرى. فمن المهم أن يكون افتتاح أصغر يواجه نحو قالب مربع. إذا كان الطرف الأصغر تواجه بعيدا عن مربع العفن، ويمكن زيادة مقاومة أثناء عملية الإزالة أيضا كسر لوحة.

فمن الممكن لجيش التحرير الشعبى الصينى المقابس من البقاء في و microchannels بعد فترات أطول من الإخلاء. فرن متكررة وتنظيف فراغ يمكن أن تساعد في تخفيف هذا. يمكن إزالة المقابس المتبقية مع كلوروفورم طالما المكونات هو من فترة قصيرة. يمكن لهياكل يعد الاوعية الدموية الدقيقة يساعد ايضا في خفض تشكيلات المكونات لأنها غالبا ما تظهر نحو نهايات متناهية. طول اضافية يمكن أن تسمح المكونات ليتم اقتطاع من الجهاز.

هذه العملية تلفيق غير معدني، ويمكن أن تتكيف مع مجموعة متنوعة من أساليب التصنيع الحالية. استخدام قالب الذبيحه يسمح لإنشاء مجمع ميكروفلويديك ثلاثة الأبعادالأجهزة. تم استخدام المواقع ختام نمط الاوعية الدموية الدقيقة لنقل الغاز بين microchannels في نفاذية مصفوفة الغاز، ولكن ليس هذا هو التطبيق المحتمل فقط. مع اتصال حميم بين microchannels، وتبادل الحرارة ميكروفلويديك في ثلاثة أبعاد يصبح الوصول إليها على نطاق واسع باستخدام هذه العملية تلفيق أيضا. ومن الممكن أيضا للانضمام عمدا و microchannels للحث على التفاعل الكيميائي. سمحت هذه العملية تلفيق لإنشاء نظم بيوميمتيك، ويمكن استخدامها لواسعة اعتبارا من مجموعة متنوعة من التطبيقات مثل تلك التي تؤديها النظم الطبيعية الاوعية الدموية الدقيقة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

لقد تقدمت بطلب براءة اختراع مؤقتة بشأن هذه التكنولوجيا اوند الولايات المتحدة براءة اختراع أمريكية التطبيق المؤقت المسلسل رقم 61/590، 086.

Acknowledgments

وأيد هذا العمل من قبل AFOSR برنامج الباحث الصغير تحت FA9550-12-1-0352 وجائزة كلية غير مثبت 3M. فإن الكتاب أود أن أشكر Lalisa Stutts وجانين توم لمناقشة مفيدة تتعلق بهذا المشروع. المؤلفان بالشكر إلى مركز الميكروسكوب Calit2 ومرفق التحليل الطيفي ليزر في جامعة كاليفورنيا في ايرفين عن السماح باستخدام منشآتها. واعترف هودج هارلاند وUCI العلوم الفيزيائية ورشة ميكانيكا لصنع الأدوات. بولي (اللبنيك) ألياف حمض قدمت بسخاء من قبل تيجين حيدة.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Reagent
Tin (II) oxalate Sigma-Aldrich 402761
Disperbyk 130 BYK Additives Instruments
Trifluoroethanol Halocarbon
Malachite Green (technical grade) Sigma-Aldrich M6880
Sodium hydroxide (≥98%, pellets) Sigma-Aldrich S5881
Polydimethylsiloxane (PDMS) Dow Corning 3097358-1004 Distributed from Ellsworth Adhesives
Poly(lactic) acid fibers Teijin Monofilament
Material
RW 20 Digital Mixer IKA 3593001
Desiccator Jar Pyrex
Vacuum Oven Fisher Scientific
Third Hand Jameco Electronics 26690 Plate holder
Glue Gun Stanley GR20L
PLA Spindle Custom made
Tensioning Board Custom made

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bellan, L. M., Singh, S. P., Henderson, P. W., Porri, T. J., Craighead, H. G., Spector, J. A. Fabrication of an artificial 3-dimensional vascular network using sacrificial sugar structures. Soft Matter. 5 (7), 1354 (2009).
  2. Bellan, L. M., Strychalski, E. A., Craighead, H. G. Nano-channels fabricated in polydimethylsiloxane using sacrificial electrospun polyethylene oxide nanofibers. J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanometer Struct. Process. Meas. Phenom. 26 (5), 1728 (2008).
  3. Borenstein, J. T., Weinberg, E. J., Orrick, B. K., Sundback, C., Kaazempur-Mofrad, M. R., Vacanti, J. P. Microfabrication of three-dimensional engineered Scaffolds. Tissue Eng. 13 (8), 1837-1844 (2007).
  4. Wu, H., Odom, T. W., Chiu, D. T., Whitesides, G. M. Fabrication of complex three-dimensional microchannel systems in PDMS. J. Am. Chem. Soc. 125 (2), 554-559 (2003).
  5. Trask, R. S., Bond, I. P. Biomimetic self-healing of advanced composite structures using hollow glass fibres. Smart Mater. Struct. 15 (3), 704-710 (2006).
  6. Dong, H., Esser-Kahn, A. P., et al. Chemical treatment of poly(lactic acid) fibers to enhance the rate of thermal depolymerization. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 503-509 (2012).
  7. Esser-Kahn, A. P., Thakre, P. R., et al. Three-dimensional microvascular fiber-reinforced composites. Adv. Mater. 23 (32), 3654-3658 (2011).
  8. White, S. R., Blaiszik, B. J., Kramer, S. L. B., Olugebefola, S. C., Moore, J. S., Sottos, N. R. Self-healing polymers and composites. Am. Sci. 99 (5), 392 (2011).
  9. Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. A three-dimensional microvascular gas exchange unit for carbon dioxide capture. Lab Chip. 12 (7), 1246 (2012).
  10. Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. The effect of membrane thickness on a microvascular gas exchange unit. Adv. Funct. Mater. , (2012).

Tags

الفيزياء، العدد 81، الهندسة الطبية الحيوية، الهندسة الكيميائية، سيليكون مطاط صناعي، وأنظمة مايكرو الكهربائية والميكانيكية، مواد المحاكاة البيولوجية، المعالجة الكيميائية (عام)، والمواد (عام)، المبادلات الحرارية (التطبيقات الفضائية الجوية)، نقل الجماعي، التصنيع الدقيق واسعة النطاق، سطح عالية الهياكل منطقة، 3 الابعاد أجهزة الصرف الجزئي، بيوميميتيقا
عملية صنع المجهرية ثلاثي الأبعاد باستخدام تبخير مكون قرباني
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Nguyen, D. T., Leho, Y. T.,… More

Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. Process of Making Three-dimensional Microstructures using Vaporization of a Sacrificial Component. J. Vis. Exp. (81), e50459, doi:10.3791/50459 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter