Summary
האידוי של רכיב תהליך של קורבן (VaSC) משמש לפברק מבני כלי הדם. הליך זה נעשה שימוש בסיבי חומצה לקטית (הקרבת פולי) כדי ליצור microchannels חלול עם מיצוב גיאומטרי 3D מדויק המסופק על ידי צלחות ספר micromachined לייזר.
Abstract
מבני כלי דם במערכות טבעיות מסוגלים לספק תחבורה המונית גבוהה דרך שטח פנים גבוה ומבנה אופטימלי. טכניקות ייצור חומר סינטטי מעטים מסוגלים לחקות את המורכבות של מבנים אלה, תוך שמירה על יכולת הרחבה. האידוי של רכיב תהליך של קורבן (VaSC) הוא מסוגל לעשות זאת. תהליך זה משתמש בסיבי ההקרבה כתבנית ליצירת microchannels חלול, גלילי מוטבעים בתוך מטריצה. טין (השני) אוקסלט (SnOx) מוטבע בתוך פולי (לקטית) חומצה (PLA) סיבים המאפשר את השימוש בתהליך זה. SnOx מזרז depolymerization של סיבי PLA בטמפרטורות נמוכות יותר. את מונומרים החומצה לקטית הם גזים בטמפרטורות אלה וניתן להסיר מהמטריצה מוטבעת בטמפרטורות שלא לפגוע במטריקס. כאן אנו מציגים שיטה ליישור סיבים אלה באמצעות צלחות micromachined ומכשיר מתיחה ליצור תבניות מורכבות של תלת ממד microchannels ערוך.התהליך מאפשר הבדיקה של כמעט כל הסדר של סיבי טופולוגיות ומבנים.
Introduction
מערכות טבעיות להשתמש ברשתות כלי דם נרחבות כדי להקל על תפקודים ביולוגיים רבים. תחבורה המונית ניתן להשיג יעילות במערכות כאלה בשל שטח פנים גבוה ליחסי נפח אריזה ומבנים אופטימליים. בעוד רבים טכניקות ייצור סינטטיים יכולות לייצר מבני כלי הדם, אף אחד יכול לייצר microvasculature בקנה מידה גדול, תוך שמירה על תאימות עם מורכבות ושיטות ייצור קיימות 1-5. מבנים כגון ריאות עופות לספק השראה. איך אפשר לפברק מבנים של מורכבות זו לשיפור תחבורה המונית?
האידוי של רכיב של קורבן (VaSC) יכול לייצר מבנים בקנה מידה גדול ומורכבים, כלי הדם 6-7. שיטה זו משתמשת depolymerization התרמית והסרת אידוי של פולי (לקטית) סיבי חומצה כדי ליצור ערוצים חלולים שההופכי של תבנית הסיבים. זוהי טכניקת ההקרבה תואמת את ייצור הקייםשיטות. יכולים להיווצר דפוסי מטר ארוכים, גליליים microchannel באמצעות תהליך ייצור זה. זה יכול לשמש כדי ליצור התקני vascularized כגון פולימרים ריפוי עצמי ויחידות לכידת פחם כלי הדם 3D 7-10.
יחידות לכידת פחמן נוצרו בהשראת ריאות עופות המספקת בשל יחס גז לבורסה למשקל יעיל לשימוש בו בטיסה. Parabronchus מורכב מmicrochannels בדוגמת משושים, המספק שערי חליפין דלק גבוהים ויחידות חילוף גזים יציבים מבחינה מבנית. על מנת ליצור יחידות מחליפות עם תכונות microscale מיושרות בשלושה ממדים, שפתחנו שיטה למתיחת סיבים באופן עצמאי באמצעות לוח מתח מעוצב אישית עם מקלטי גיטרה וצלחות לייזר micromachined. כל סיבים מתקיימים במקום על ידי מתח חיצוני ואת התבנית מוגדרת על ידי המיקום של חורים בצלחת דרכו את הסיבים לרוץ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Catalyzing סיבים של קורבן
- עטוף את הכמות הרצויה של סיבי פולי (לקטית) חומצה ברחבי נמוך ¾ מציר מותאם אישית. להפחית חפיפה סיבים כדי לספק חשיפת פני השטח המקסימלי.
- מערבבים deionized H 2 O עם 40 מ"ל של Disperbyk 130 בבקבוק סגור ולנער עד לפתרון הומוגנית מתקבל. אז במקום כוס מ"ל 1,000 באמבט מים ב 37 מעלות צלזיוס ויוצקים trifluoroethanol לתוך הכוס. הסכום של H 2 O וTFE להשתמש תלוי בקוטר סיבי PLA בשימוש.
קוטר סיב הסכום של H 2 O (מ"ל) כמות TFE (מ"ל) 200 400 400 300 360 440 500 320 480 - להוסיףפתרון H 2 O / Disperbyk 187 לכוס ומערבבים עד אחיד.
- הוסף 1 גרם של מלכיט גרין לתערובת ומערבבים עד שהיא נמסה.
- הנח את הציר המותאם אישית עם סיבים בכוס ½ סנטימטר מחלקו התחתון ולצרף את הציר למיקסר דיגיטלי. לאחר מכן הפעילו את המיקסר הדיגיטלי ב 400 סל"ד.
- לאט לאט מוסיף 1.3 גרם של פח זרז (השני) אוקסלט (SnOx) לתערובת. התוספת של SnOx חייבת להיות הדרגתית על מנת למנוע agglomerations גדול של חומר ממתרסק מהפתרון.
- התאם את ה-pH בתערובת באמצעות NaOH עד pH ~ הוא 6.8-7.2.
- הבטחת מכסה לכוס ולהגדיל את סיבוב הציר ל500 סל"ד במשך 24 שעות. אם מסכת של SnOx הוא ציין, באופן ידני לשבור אותו תוך 2 שעות הראשונה.
- הסר את הציר ויבש בתנור בחום של 35 מעלות צלזיוס למשך הלילה.
- לגולל ולהסיר זרז עודף מסיבי PLA catalyzed.
2. כלי הדם הגז exchanייצור יחידת ge
- להשיג זוג צלחות נחושת דפוסים פליז בחיתוך לייזר עם דפוס כלי הדם הרצוי ולהדביק את הצלחות על מחזיקי קליפ.
- גזור אורך 10 סנטימטר של סיבי קטליזאטור לmicrochannel ולהסיר כל זרז שנותר באמצעות צלחת עבה חתכה לקוטר הסיב (תיקו צלחת).
- פיד את הקצוות של הסיבים על ידי שימוש בקצה אקדח דבק חם ללאט extrude את הטיפים הסיבים.
- השחל את הסיבים באמצעות התאמת חורים בזוגות צלחת דפוסים פליז.
- הברג את הלוחות על גבי תיבת דפוס. ודא את הסיבים אינם מעוות כאשר מצרפים את הצלחות.
- מחרוזת את הטיפים הסיבים באמצעות כוונון יתדות של לוח tensioning המותאם אישית.
- מתח סיבי PLA עד מתוח. היזהר שלא על המתח ולהצמיד את הסיבים.
- הסר חלקיקים עודפים מדפוס הסיבים באמצעות אוויר דחוס.
- בסיס תמהיל polydimethylsiloxane (PDMS) עם סוכן ריפוי ב10:01, V: יחס v. דגה התערובת תחת ואקום בצנצנת ייבוש למשך 10 דקות.
- יוצקים את תערובת PDMS לתוך תיבת העובש. אין לשפוך ישירות על הסיבים על מנת להפחית את ההשמנה של בועות אוויר.
- באמצעות 26 G מחט, להסיר בועות בתוך תיבת דפוס או בין הסיבים.
- לרפא את תערובת PDMS על 85 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
- להתיר את הצלחות נחושת מתיבת העובש, כדי לוודא שלא לכופף את הצלחות או למשוך יותר מדי קשה. הסר את שלב 1 st נרפא מתיבת העובש.
- השחל את הסיבים באמצעות קצה כובע RTV על ידי ניקוב חורים בקצה הכובע עם מזרק. בהתאם לגודל סיבים, השתמש במד מחט שיש לו לפחות 2x הקוטר הפנימי של הקוטר החיצוני של הסיבים שלך. לשמור על דפוס דומה כמו צלחת פליז הדפוסים, אבל באופן נרחב יותר פרוש.
- הדקו את הפקקים מקצה לקצה תיבת עובש גדול ויוצקים שלב 2 nd של PDMS.
- הסר את כל בועות גז שנותרו ולרפא על 85 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
- לחתוך כל סיבים עודפים PLA מהמדגם ומכניס לתנור בואקום 210 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות, או עד שסיבי PLA פונו ברובם.
- אם לא ניתן להסיר את כל PLA, בעדינות לפזר מתוך microchannels באמצעות הזרקה של 1 מ"ל של כלורופורם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
הליך זה מספק שיטה של בודה מבני כלי הדם מוטבע בתוך שרף. מבנים אלה יכולים להתאים למגוון רחב של תבניות (איור 2). המבנה של רשת כלי הדם מוגבל רק על ידי המבנים שיכולים להיוצר עם סיבי ההקרבה.
באמצעות הסדר מקביל של ערוצי כלי הדם, הובלת גז בין זרמי נוזל הוא הקל כגזים לעבור בין ערוץ קרום חדיר. יכולים להיות מפוברקים מכשירים אלה באופן מדרגי, ללא צורך בליתוגרפיה (איור 3). את microchannels נוצר הם חלול לחלוטין ויכול להיות מופרד על ידי פחות מ -50 מיקרומטר.
זה אפשרי עבור שני דליפות ותקעים להופיע בתוך microchannels (איור 4). היווצרות של תקע תמנע כל זרימת נוזל דרך microchannel ויש להסיר באופן ידני. דליפה בין ערוצים יכולה ליצור wתרנגולת הסיבים לא מנקים ביסודיות ומתוח.
איור 1. סקירת תהליך ייצור VaSC. סיבי PLA ההקרבה היא מושחלת דרך צלחות ספר micromachined. הסיבים הם תלויים עד מתוחים כדי ליצור הסדר מקביל. את הסיבים אז הם מוטבעים בתוך מטריצה. חום ואבק משמשים לאחר מכן לdepolymerize את הסיבים למונומרים גזיים. התוצאה הסופית היא קבוצה חלולה של microchannels שבו הסיבים היו פעם.
איור 2. דפוסי דוגמה. (א) תמונת SEM של משושה דפוס o אחתf 200 מיקרומטר ו -300 ערוצי קוטר מיקרומטר. (ב) צלחת מדריך לדפוס ארז משושים של 200 מיקרומטר ו 300 מיקרומטר microchannels קוטר.
איור 3. יחידת חילוף גזי נציג. חלק מהיחידה המרכזי מכילה הסדר משושים של 200 מיקרומטר ו 300 מיקרומטר microchannels קוטר. מבנה המשני מתפשט החוצה ומאפשר גישה קלה יותר לmicrochannels. Microchannels נטענים עם צבע כחול וכתום לבהירות חזותית.
איור 4. הנציג נכשל יחידת חילוף גזים.
איור 5. מכשירים מותאמים אישית לייצור. () כישור מותאם אישית. שש מוטות תומכות מקיפות ליבה מרכזית. סיבי PLA הם עוטפים את מוטות תמיכה למקסם את המגע עם פתרון קטליטי. להב ערבוב ממוקם בחלק התחתון של הציר להציג את הזרימה כאוטית. (ב) לוח tensioning המותאם אישית. מקלטי גיטרה ממוקמים בשולי לוח אקרילי למתח את סיבי PLA. נקודות ציר ממוקמות כך that הזווית בין הסיבים וצלחות מדריך נשאר קרוב לניצב.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
כניסתה של זרז SnOx לתוך סיבי PLA מאפשרת סיבי depolymerize בטמפרטורה נמוכה יותר. זה מונע את הפירוק של שרף ההטבעה, במקרה זה PDMS. ציר מותאם אישית נדרש לערבב את פתרון הטיפול (איור 5 א) כמו שצריך. הציר מורכב משש מוטות תמיכה המקיפות ליבה מרכזית המתחברת למיקסר דיגיטלי. הסיבים הם עוטפים את מוטות התמיכה, כך ששטח הפנים של סיבי גלישה במגע עם פתרון קטליטי היה מוגדל. החלק התחתון של הציר הכיל סט של להבים להציג את הזרימה כאוטית. הזרימה כאוטית מונעת הצטברות של הזרז.
לוח tensioning מותאם אישית משמש ליצירת המערך המקביל של סיבים (איור 5). זה מורכב מלוח עם כוונון יתדות גיטרה לאורך הקצוות של הלוח. מידותיו של הלוח אינן חשובות כל עוד יתדות כוונון מספיק הן preseNT למתח את כל הסיבים המשמשים בדפוס. התוספת של נקודות פיבוט לסיבים מועילה כדי למנוע את הסיבים מהכיפוף גדול מדי של זווית בממשק שצלחת המדריך. החלק המאתגר ביותר של הליך הייצור צפוי השחלה של הסיבים לדפוסים גדולים יותר. חשוב להישאר מאורגנים כשמשחיל את הסיבים, על מנת להבטיח שיש מספיק מקום בלהשחיל הסיבים הבאים.
לדפוסים עם הפרדות microchannel תחת 50 מיקרומטר, אפשר לשבור את צלחות ספר. יש להקפיד בהסרת זרז עודף מהסיבים כעודף הוא לעתים קרובות גדול יותר בקוטר מאשר את חורי דפוס הצלחת. כאשר מוציאים את הצלחות, PDMS שדלף דרך הצלחות חייב גם להסיר כפי שהוא יכול לייצר לחץ נוסף על הצלחות כשהם יוסרו.
את צלחות הספר היו מפוברקים באמצעות micromachining לייזר. תהליך זה מייצר להתחדד קל להוLe של הצלחת, וכתוצאה מכך צד אחד שיש לו הפתח מעט גדול יותר מהשנייה. חשוב לי הפתיחה קטנה פונה לכיוון תיבת העובש. אם הקצה הקטן יותר פונה הרחק מתיבת העובש, התנגדות המוגברת במהלך תהליך ההסרה יכולה גם לשבור את הצלחת.
זה אפשרי עבור תקעים של PLA להישאר בmicrochannels לאחר תקופות ארוכות יותר של פינוי. תכוף תנור וניקוי אבק יכולים לעזור להקל על זה. ניתן להסיר תקעים שנותרו עם כלורופורם עוד התוספת היא באורך קצר. מבני כלי הדם כבר יכולים גם לעזור להפחית תצורות תקע כפי שהם מופיעים לעתים קרובות לכיוון קצות microchannel. אורך נוסף יכול לאפשר את התקע להיות מנותק מהמכשיר.
תהליך ייצור זה לא יתוגרפיות וניתן להתאים למגוון רחב של שיטות ייצור קיימות. השימוש בתבנית עולה מאפשרת יצירה של microfluidic ממדי המורכב שלושהתקנים. המיקום הקרוב של תבנית כלי הדם שימש להובלת גז בין microchannels במטריצה חדירה גז, אבל זה לא יישום פוטנציאל בלבד. עם המגע האינטימי בין microchannels, החלפת חום microfluidic בשלושה ממדים גם הופכת לנגישה בקנה מידה גדול באמצעות תהליך ייצור זה. אפשר גם להצטרף בכוונה את microchannels לגרום לתגובה כימית. תהליך ייצור זה אפשר את הקמת מערכות biomimetic ויכול לשמש לרחב כמו של מגוון רחב של יישומים, כמו אלו שבוצעו על ידי מערכות כלי הדם טבעיות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
יש לנו גישת בקשה לפטנט זמני על טכנולוגית und יישום זה בארה"ב הפטנט בארה"ב זמני סידורי מספר 61/590, 086.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי תכנית חוקר צעיר AFOSR תחת פקולטה פרס ללא מניין 3M FA9550-12-1-0352 ו. המחברים מבקשים להודות לLalisa Stutts וג'נין טום לדיון מועיל הנוגע לפרויקט זה. המחברים מודים למרכז Calit2 מיקרוסקופית ומתקן לייזר ספקטרוסקופיה באוניברסיטת קליפורניה, אירווין הלמאפשרים שימוש במתקניה. חנות מכונת UCI המדעים הפיזיקליים הודג' הרלנד, ושיוכרו עבור הייצור של כלים. פולי (לקטית) סיבי חומצה סופקו בנדיבות על ידי Monofilament Teijin.
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 | ||
References
- 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).
- 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).
- Borenstein, J. T., Weinberg, E. J., Orrick, B. K., Sundback, C., Kaazempur-Mofrad, M. R., Vacanti, J. P.
- 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).
- 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).
- 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).
- Esser-Kahn, A. P., Thakre, P. R., et al.
- White, S. R., Blaiszik, B. J., Kramer, S. L. B., Olugebefola, S. C., Moore, J. S., Sottos, N. R.
- 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).
- 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).
