Summary
La vaporizzazione di un processo Component sacrificale (Vasc) viene utilizzato per fabbricare strutture microvascolari. Questa procedura utilizza sacrificali poli (lattico) fibre di acido per formare microcanali cave con posizionamento geometrico 3D preciso fornito da piastre di guida microlavorati laser.
Abstract
Strutture vascolari nei sistemi naturali sono in grado di fornire il trasporto ad alta massa attraverso le zone alte della superficie e della struttura ottimizzata. Poche tecniche di fabbricazione dei materiali sintetici sono in grado di imitare la complessità di queste strutture, mantenendo la scalabilità. La vaporizzazione di un processo componente sacrificale (Vasc) è in grado di farlo. Questo processo utilizza fibre sacrificali come modello per formare cavi, microcanali cilindrici incorporati all'interno di una matrice. Stagno (II) ossalato (snox) è incorporato all'interno di poli (lattico) acidi (PLA) fibre che facilita l'uso di questo processo. Il snox catalizza la depolimerizzazione delle fibre PLA a temperature inferiori. I monomeri di acido lattico sono gassosi a queste temperature e possono essere rimossi dalla matrice incorporato a temperature che non danneggiano la matrice. Qui vi mostriamo un metodo per allineare queste fibre che utilizzano piastre microlavorati e un dispositivo di tensionamento per creare modelli complessi di tridimensionalmente microcanali schierati.Il processo permette l'esplorazione di qualsiasi disposizione delle fibre di topologie e delle strutture.
Introduction
I sistemi naturali utilizzano vaste reti vascolari per facilitare molte funzioni biologiche. Trasporto di massa può essere efficacemente conseguiti in tali sistemi ad elevata area superficiale di rapporti in volume e strutture di imballaggio ottimizzati. Mentre molte tecniche di fabbricazione sintetici possono produrre strutture microvascolari, nessuno può produrre microvasculature larga scala, mantenendo la complessità e la compatibilità con i metodi di produzione esistenti 1-5. Strutture come il polmone aviario forniscono una fonte di ispirazione. Come possiamo fabbricare strutture di questa complessità per migliorare il trasporto di massa?
La vaporizzazione di un componente sacrificale (Vasc) può produrre strutture microvascolari di grandi dimensioni, complessi 6-7. Questo metodo utilizza la depolimerizzazione termica e per evaporazione rimozione di poli (lattico) fibre Acido per formare canali cave che sono l'inverso del modello fibra. Questa è una tecnica sacrificale compatibile con la produzione esistentemetodi. Metro, cilindriche modelli microcanali possono essere formate con questo processo di fabbricazione. Questo può essere usato per creare dispositivi vascolarizzati come i polimeri di auto-guarigione e di unità di cattura del carbonio microvascolari 3D 7-10.
Le unità di cattura del carbonio si sono ispirati al polmone aviario che fornisce un efficiente scambio gassoso-peso rapporto grazie al suo utilizzo in volo. Il parabronchus è composto di microcanali esagonale fantasia, che fornisce alti tassi di cambio di gas e unità di scambio di gas strutturalmente stabili. Al fine di creare le unità di scambio con caratteristiche microscala allineati in tre dimensioni, abbiamo sviluppato un metodo di tensionamento in modo indipendente fibre utilizzando una scheda di tensione progettato con sintonizzatori chitarra e piastre laser microlavorati. Ciascuna fibra è tenuto in posizione dalla tensione esterna e il pattern viene impostato dalla collocazione di fori nella piastra attraverso cui le fibre corrono.
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Protocol
1. Catalizzando Fibre sacrificali
- Avvolgere la quantità desiderata di poli (lattico) fibre di acido intorno al basso ¾ del mandrino personalizzato. Ridurre le sovrapposizioni della fibra per fornire la massima esposizione di superficie.
- Mescolare deionizzata H 2 O con 40 ml di Disperbyk 130 in una bottiglia chiusa e agitare fino ad ottenere una soluzione omogenea. Quindi inserire un becher da 1000 ml in un bagno d'acqua a 37 ° C e versare trifluoroethanol nel becher. La quantità di H 2 O e TFE per utilizzare dipende dal diametro delle fibre PLA utilizzato.
Diametro fibra Quantità di H 2 O (ml) Importo di TFE (ml) 200 400 400 300 360 440 500 320 480 - Aggiungil'H 2 O / 187 Disperbyk soluzione nel becher e mescolare fino uniforme.
- Aggiungere 1 g di verde malachite al composto e mescolare fino a scioglimento.
- Collocare il rullo personalizzato con fibre nel becher ½ pollice dal fondo e fissare il mandrino ad un mixer digitale. Quindi avviare il mixer digitale a 400 rpm.
- Aggiungere lentamente 1,3 g di stagno (II) ossalato catalizzatore (snox) alla miscela. L'aggiunta di snox deve essere graduale per evitare grandi agglomerati di materiale di schiantarsi dalla soluzione.
- Regolare il pH nella miscela utilizzando NaOH fino a pH è ~ 6.8-7.2.
- Fissare un coperchio nel becher e aumentare la rotazione del mandrino a 500 rpm per 24 hr. Se si osserva un agglomerato di snox, rompere manualmente entro le prime 2 ore.
- Rimuovere mandrino e essiccare in stufa a 35 ° C per una notte.
- Scartare e rimuovere l'eccesso di catalizzatore dai catalizzate fibre PLA.
2. Microvascolare Gas Exchange Unità Fabrication
- Ottenere una coppia di ottone lastre di ottone di patterning tagliati al laser con il modello desiderato microvascolare e apporre le targhe sui titolari di clip.
- Tagliare una lunghezza di 10 pollici di fibra catalizzata per microcanali e rimuovere qualsiasi catalizzatore rimanente utilizzando una piastra di spessore tagliato al diametro della fibra (trafila).
- Cono i bordi delle fibre usando la punta di una pistola per colla a caldo per estrudere lentamente le punte della fibra.
- Infilare le fibre attraverso i fori corrispondenti nelle coppie di piastre di patterning ottone.
- Avvitare le piastre su una staffa. Assicurarsi che le fibre non siano attorcigliati durante il fissaggio delle piastre.
- Stringa le punte fibra attraverso la messa a punto pioli del consiglio tensionamento personalizzato.
- Tensione le fibre PLA fino teso. Fare attenzione a non sovra-tensione e far scattare le fibre.
- Rimuovere particelle eccedenti dal modello in fibra con aria compressa.
- Mix polidimetilsilossano (PDMS) base con il catalizzatore in un 10:1, v: v rapporto. Degassare la miscela sotto vuoto in un barattolo essiccatore per 10 min.
- Versare il composto PDMS nella casella di stampo. Non versare direttamente sopra le fibre per ridurre l'intrappolamento di bolle d'aria.
- Utilizzando un ago G 26, rimuovere eventuali bolle all'interno della staffa o tra le fibre.
- Curare la miscela PDMS a 85 ° C per 30 min.
- Allentare le tavole di bronzo dalla casella stampo, facendo attenzione a non piegare le piastre o tirare troppo duro. Rimuovere il curato 1 ° stadio dalla casella stampo.
- Infilare le fibre attraverso un end-cap RTV perforando i fori nella testata con un ago ipodermico. Seconda della dimensione delle fibre, utilizzare un ago di calibro che ha almeno 2 volte il diametro interno del diametro esterno della fibra. Mantenere un modello simile come la piastra patterning di ottone, ma più ampiamente distribuiti.
- Fissare le testate alle estremità di una casella di stampo più grande e versare un 2 ° stadio di PDMS.
- Rimuovere eventuali bolle di gas rimanenti epolimerizzare a 85 ° C per 30 min.
- Tagliare le fibre PLA eccesso dal campione e posto in un forno sotto vuoto a 210 ° C per 24 ore, o fino a quando le fibre di PLA sono stati per lo più evacuati.
- Eventuale PLA non può essere rimosso, sciogliere delicatamente dalla microcanali utilizzando una iniezione di 1 ml di cloroformio.
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Representative Results
Questa procedura fornisce un metodo di fabbricazione di strutture microvascolari incorporati all'interno di una resina. Queste strutture possono conformarsi a una varietà di modelli (Figura 2). La struttura della rete microvascolare è limitata solo dalle strutture che si possono formare con le fibre sacrificali.
Usando una disposizione parallela dei canali microvascolari, trasporto del gas tra flussi fluidi è facilitata come i gas attraversano una membrana inter-canale permeabile. Questi dispositivi possono essere fabbricati in modo scalabile senza necessità di litografia (Figura 3). Microcanali formano sono completamente cavo e possono essere separati da meno di 50 pm.
E 'possibile per entrambe perdite e spine per avvengono entro le microcanali (Figura 4). La formazione di un tappo impedirà qualsiasi flusso di fluido attraverso il microcanale e rimosso manualmente. Una perdita tra i canali possono formare wgallina le fibre non sono accuratamente puliti e compressi.
Figura 1. Panoramica del processo di fabbricazione Vasc. Fibre PLA sacrificali sono threaded attraverso piastre di guida microlavorati. Le fibre sono infilate fino tesa a creare una disposizione parallela. Le fibre vengono poi inseriti all'interno di una matrice. Calore e vuoto sono poi utilizzati per depolimerizzano le fibre in monomeri gassosi. Il risultato finale è un insieme vuoto di microcanali dove le fibre erano una volta.
Figura 2. Modelli di esempio. (A) Immagine SEM di un unico pattern esagonale of 200 micron e 300 micron di diametro canali. (B) Piastra di guida per un motivo esagonale imballato di 200 micron e 300 micron di diametro microcanali.
Figura 3. Rappresentante unità di scambio di gas. La porzione centrale della unità contiene una disposizione esagonale di 200 micron e 300 micron di diametro microcanali. Una struttura secondaria si estende e consente una più facile accesso ai microcanali. Microcanali sono caricati con colorante blu e arancio per la chiarezza visiva.
Figura 4. Rappresentante fallito unità di scambio di gas.
Figura 5. Dispositivi personalizzati per la fabbricazione. (A) mandrino personalizzata. Sei aste di sostegno circondano un nucleo centrale. Fibre PLA sono avvolti intorno aste di sostegno per massimizzare il contatto con la soluzione catalitica. Una lama di miscelazione è posizionato nella parte inferiore del mandrino per introdurre caotico flusso. (B) personalizzata bordo tensionamento. Sintonizzatori chitarra sono posizionati lungo i bordi di un bordo acrilico di tensione delle fibre PLA. Punti di articolazione sono posizionati in modo da that l'angolo tra le fibre e le piastre di guida rimane vicino alla perpendicolare.
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Discussion
L'introduzione del catalizzatore snox nelle fibre PLA permette alle fibre di depolimerizzano a una temperatura inferiore. Questo impedisce la degradazione della resina incorporamento, in questo caso PDMS. Un mandrino personalizzato è richiesto per miscelare correttamente la soluzione di trattamento (Figura 5A). Il mandrino è composta da sei aste di sostegno che circondano un nucleo centrale che si attacca ad un mixer digitale. Le fibre sono avvolte attorno alle aste di supporto in modo che l'area superficiale delle fibre incarto a contatto con la soluzione catalitica è stata ingrandita. Il fondo del mandrino conteneva una serie di lame per introdurre caotico flusso. Caotico flusso impedisce l'agglomerazione del catalizzatore.
A bordo di tensionamento personalizzato viene utilizzato per creare la serie parallela di fibre (Figura 5B). Questo è costituito da una scheda con chitarra tuning pioli lungo i bordi della scheda. Le dimensioni della scheda sono importanti finché abbastanza piroli sono Present a tensione di tutte le fibre utilizzate nel modello. L'aggiunta di punti di rotazione per le fibre è utile per prevenire le fibre di piegarsi in corrispondenza troppo grande di un angolo all'interfaccia piastra di guida. La parte più impegnativa della procedura di fabbricazione è probabile la filettatura delle fibre per modelli più grandi. E 'importante rimanere organizzata quando si infila le fibre, assicurando che vi sia ampio spazio nel infilare la fibra successiva.
Per i modelli con separazioni microcanali sotto 50 pm, è possibile rompere le piastre di guida. Si deve prestare attenzione nella rimozione del catalizzatore eccesso dalle fibre come l'eccesso è spesso di diametro maggiore rispetto ai fori modello piastra. Quando si rimuovono le piastre, PDMS che è fuoriuscito attraverso le piastre deve essere rimosso in quanto può produrre ulteriore stress sulle piastre quando vengono rimossi.
Le piastre di guida sono stati fabbricati usando microlavorazione laser. Questo processo produce una leggera conicità per il Hole della piastra, risultante in un lato avente un'apertura leggermente più grande dell'altra. È importante avere il minore apertura rivolta verso il box stampo. Se l'estremità più piccola affaccia dalla scatola stampo, l'aumento della resistenza durante il processo di rimozione può anche rompere la lastra.
È possibile per tappi di PLA rimanere nelle microcanali dopo lunghi periodi di evacuazione. Forno frequente e pulizia con aspirapolvere possono contribuire ad alleviare questo. Spine rimanenti possono essere rimosse con cloroformio fino a quando la spina è di breve lunghezza. Strutture più microvascolari possono anche contribuire a ridurre formazioni spina come spesso appaiono verso le estremità di un microcanali. La lunghezza supplementare può consentire la spina da tagliare fuori dal dispositivo.
Questo processo di fabbricazione è non litografica e può essere adattato ad una varietà di metodi di produzione esistenti. L'uso di un modello sacrificale permette la creazione di complesso di tre microfluidica dimensionaledispositivi. La stretta posizionamento del pattern microvascolare è stato utilizzato per il trasporto di gas tra microcanali in una matrice permeabile a gas, ma non è l'unica applicazione potenziale. Con l'intimo contatto tra microcanali, scambio termico microfluidica in tre dimensioni diventa accessibile anche su larga scala utilizzando questo processo di fabbricazione. È anche possibile unire volutamente microcanali per indurre reattività chimica. Questo processo di fabbricazione ha permesso la realizzazione di sistemi biomimetici e può essere utilizzato per più ampia di una varietà di applicazioni come quelle svolte dai sistemi microvascolari naturali.
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Disclosures
Abbiamo depositato un brevetto provvisorio su questa tecnologia und US Patent Application provvisoria US Serial No. 61/590, 086.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato supportato dal AFOSR Young Investigator programma sotto FA9550-12-1-0352 e 3M non di ruolo Facoltà Award. Gli autori desiderano ringraziare Lalisa Stutts e Janine Tom utile per la discussione relativa a questo progetto. Gli autori ringraziano il Centro di Microscopia Calit2 e Laser Spectroscopy strumento presso l'Università della California, Irvine per consentire l'utilizzo delle sue strutture. Hodge Harland e l'UCI Physical Sciences Machine Shop sono riconosciuti per la fabbricazione di utensili. Poli (lattico) fibre di acido sono stati generosamente fornito da Teijin monofilamento.
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
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