Summary
的汽化一个祭祀元器件（VASC）的过程中，用于制造微血管结构。此过程使用牺牲聚乳酸纤维（乳酸），形成空心微所提供的激光微加工导光板的精确的三维几何定位。
Abstract
在自然系统中的血管结构通过高比表面积和优化结构，能够提供高质量传输。几个合成材料制造技术保持可扩展性的同时，能够模拟这些结构的复杂性。汽化一个祭祀元器件（VASC）的过程是能够做到这一点。此过程中使用牺牲纤维作为模板，以形成空心的圆筒形的嵌入在一个矩阵中的微通道。锡（II），草酸（SNOX）的嵌入于聚（乳酸）乳酸（PLA）纤维，在此过程中有利于使用。的的SNOX催化解聚的聚乳酸纤维在较低温度下。乳酸的单体气体在这些温度下，可以在不损伤基体的温度从嵌入的矩阵除去。在这里，我们使用微机械板和张紧装置来创建复杂的三维排列的微通道模式使这些纤维的方法。该过程允许任意排列的纤维的探索拓扑和结构。
Introduction
自然系统使用广泛的血管网络，方便许多生物功能。大众运输可以有效地实现，在这种系统中，由于高的表面积与体积比和优化包装结构。虽然许多合成制造技术可以产生微血管结构，没有人能生产大型微血管的复杂性和兼容性，同时保持与现有的制造方法1-5。如禽流肺的结构提供了灵感。我们如何制造这种复杂的结构，提高大众交通工具吗？
汽化牺牲组件（VASC）的生产规模大，复杂的微血管结构6-7。此方法使用的热解聚和聚（乳酸）乳酸纤维，形成中空纤维模板的逆通道的蒸发除去。这是一个牺牲的技术与现有的制造的方法。米长，可以使用此制造过程中形成的圆筒状微通道型态。这可以被用来创建血管化设备，如自愈7至10的聚合物和三维微血管碳捕获单元。
碳捕获单元灵感禽流肺，提供了一个有效的气体交换 - 重量比，由于在飞行途中使用。 parabronchus组成的六边形图案的微通道，它提供了高瓦斯汇率和结构稳定的气体交换单位。为了创建交换单元微型三维对齐功能，我们开发了使用自定义吉他调谐器和激光微加工板设计张力板独立拉紧纤维的方法。每根纤维由外部的张力保持在适当位置，由放置在板中的孔，通过该纤维的运行模式被设置。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1。催化牺牲纤维
- 包装所需量的聚（乳酸）乳酸纤维围绕降低¾定制的主轴。减少纤维的重叠，以提供最大的表面积暴露。
- 剂Disperbyk 130在一个封闭的瓶用40ml去离子H 2 O混合并摇动，直到获得均匀的溶液。然后将1000毫升烧杯中，在37℃水浴中，并放入烧杯中倒入三氟。 H 2 O和TFE使用量取决于，PLA纤维直径。
光纤直径 量的H 2 O（毫升） 金额TFE（毫升） 200 400 400 300 360 440 500 320 480 - 加H 2 O / DISPERBYK 187溶液的烧杯中，并搅拌直至均匀。
- 添加1克孔雀石绿的混合物，搅拌至溶解。
- 纤维烧杯中的半英寸从底部将安装主轴和主轴连接到数字混频器。然后启动数字调音台每分钟400转。
- 向混合物中慢慢加入1.3克锡（II），草酸（SNOX）的催化剂。 SNOX除了必须循序渐进，以防止材料的大型群崩溃的解决方案。
- 在混合物中的pH调节用NaOH直至pH是6.8-7.2〜。
- 的盖固定到烧杯中，并增加了24小时，以每分钟500转的主轴旋转。观察SNOX如果结块，手动前2小时内打破它。
- 拆下主轴，并在烘箱中干燥，在35℃下保温过夜。
- 拆开并去除多余的催化剂催化聚乳酸纤维。
2。微血管燃气EXCHANGE单位制造
- 获取一个对激光切割黄铜图案铜板的剪辑持有人所需的微血管图案，并加盖板。
- 切割10英寸长的催化膳食纤维微通道，并删除任何剩余的催化剂使用较厚的板切纤维直径（平局板）。
- 锥形的边缘纤维用热胶枪的尖端慢慢挤出纤维的提示。
- 螺纹黄铜图案板对纤维通过对应的孔中。
- 用螺丝将板成型盒上。确保纤维在安装板时，没有扭曲。
- 弦乐纤维提示通过调谐钉定制张紧板。
- 直到绷紧的张力聚乳酸纤维。要小心，不要过度紧张和捕捉纤维。
- 删除多余的颗粒用压缩空气从光纤模式。
- 混合聚二甲基硅氧烷（PDMS）基与固化剂以10:1，V：V比。 混合物在真空下脱气10分钟，在干燥器中jar文件。
- 倒入的PDMS混合物送入模箱。不要直接倒在纤维，以减少气泡俘获。
- 使用26 G针，取出成型箱或纤维之间的任何气泡内。
- 固化的PDMS混合物在85℃下30分钟。
- 松开铜板模箱，确保不要弯曲板或用力太猛。从模具中取出固化第一阶段。
- 线程的纤维通过RTV端盖，在端盖用注射器穿刺孔。根据纤维的大小，使用的针测量仪，该测量仪具有至少2倍的内直径的外直径的纤维。作为黄铜图案板保持了类似的模式，但更广泛地传播出去。
- 端盖固定到一个更大的模框的两端，倒第二阶段的PDMS。
- 删除任何剩余的气泡和在85℃下固化30分钟。
- 切从样品在真空烘箱中在210℃下放置24小时，或直至该聚乳酸纤维大多已抽真空的任何多余的聚乳酸纤维。
- 不能被删除，如果没有PLA，温和地溶解出的使用注射1毫升氯仿中的微通道。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
本程序提供了嵌入树脂中的微血管结构的制造方法。这些结构可以符合各种图案（ 图2）。仅受限于微血管网络的结构，可以形成与牺牲纤维结构。
使用平行排列的微血管通道，流体流的气体之间的运输容易气体遍历信道间的可渗透膜。这些设备可以在一个可扩展的方式制造的光刻而不需要（ 图3）。所形成的微通道是完全空心的，可以相隔小于50μm。
这是可能的泄漏和插头内的微通道（ 图4）显示。形成的一个插件将防止任何微通道的流体流过，并且必须手动删除。通道之间的泄漏可形成W母鸡的纤维没有被彻底清洗和张紧。
图1。 VASC制造过程的概述。牺牲的聚乳酸纤维穿过微加工导光板。纤维被串成直到拉紧创建一个平行排列。然后将纤维嵌入在一个矩阵。加热和抽真空，然后用解聚成气态单体的纤维。最终的结果是一组中空纤维的微通道。
图2。样本图案（A）的SEM图像一个单一的六角形图案ØF 200微米，300微米直径的通道。 （B）为六边形填充的图案为200微米，300微米直径的微通道的导板。
图3。代表气体交换单元的单元的中心部分包含一个六角形为200微米，300微米直径的微通道的安排。二级结构展开，并允许更容易获得的微。微通道都装有蓝色和橙色染料的视觉清晰度。
图4。代表没有气体交换单元。
图5。自定义设备制造 （ 一 ）自定义的主轴。六支撑杆围绕一个核心。聚乳酸纤维缠支撑棒，以最大限度地提高与催化剂溶液接触。甲搅拌叶片被定位在主轴的底部引入混沌流动。 （B）自张紧板。吉他调谐器沿紧张聚乳酸纤维的压克力板的边缘。枢轴点的定位，使临屋区吨纤维和导向板之间的角度保持接近垂直。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
的SNOX催化剂的成聚乳酸纤维的引入允许在较低温度下的纤维的解聚。这可以防止嵌入树脂的降解，在这种情况下的PDMS。一个自定义的主轴需要正确地混合处理液（ 图5A）。主轴由六个支撑棒附加到数字混频器的中心纤芯周围。将纤维缠与催化剂溶液接触的包装的纤维的表面积最大化，使支承杆。包含主轴的底部一组叶片引入混沌流动。的乱流，防止附聚的催化剂。
定制张紧板是用来创建一套平行的纤维（ 图5B）。这包括一个吉他调音弦轴板与板边缘沿。电路板的尺寸是不重要的，只要足够的调音弦轴预先选择nt的模式中使用的所有的纤维张力。的枢转点在纤维的加入是有帮助的，以防止纤维从弯曲的角度过大，在导向板界面。最具挑战性的部分可能是制造过程的线程纤维较大的模式。重要的是要保持穿线纤维时，确保有充足的空间，在线程的下一个纤维组织。
对于在50微米以下的微通道分离的模式，它是未能突破导向板。必须小心，在从纤维中除去过量的催化剂常常是多余的板柄孔直径大于。当移除板，硅橡胶板通过已经泄露也必须被删除，因为它可以产生额外的压力板，当他们被删除。
激光微加工制作中，采用了导向板。此过程中产生的轻微的锥度豪文件的板材，在一侧具有一个稍大的开口部比其他。重要的是要具有较小的开口朝向模盒。如果较小的端面相差的模框中，然后，在去除过程中的阻力增加，还可以分解的板块。
这是可能的插头的PLA后，在微通道中保持较长的疏散。频繁炉和真空清洗能有助于缓解这个问题。可除去剩余的插头，用氯仿，只要插是很短的长度。更长的微血管结构也可以帮助减少插头编队，因为他们经常出现向两端微。额外的长度允许被切断设备的插头。
此制造过程中的光刻和非可适应多种现有的制造方法。运用牺牲模板可以创建复杂的三维微设备。微血管图案用于运输的气体可透过气体的基质中的微通道之间的紧密定位，但它不是唯一的潜在的应用。的微通道之间的紧密接触，在三维空间中的微流体的热交换也成为使用该制造过程中进行了大规模的访问。另外，也可以有意加入的微通道诱导化学反应性。此制造工艺允许的仿生系统的创建和可用于宽自然微血管系统所执行的各种应用程序。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
我们已经申请了临时专利这项技术和美国专利美国临时申请序列号61/590，086。
Acknowledgments
AFOSR青年研究者计划下FA9550-12-1-0352和3M非终身制教师奖，这项工作是支持。笔者想，感谢Lalisa Stutts和Janine汤姆有益的讨论，有关这个项目的。作者感谢的Calit2显微镜中心和激光光谱学设施，尔湾加州大学允许使用其设施。霍奇哈兰德与UCI物理科学车间公认的制作工具。聚（乳酸）乳酸纤维帝人单丝慷慨提供。
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).
