Summary
犠牲成分（VASC）工程の気化を微小構造を作製するために使用される。この手順では、レーザーマイクロマシンガイドプレートが提供する正確な3D幾何学的なポジショニングと中空マイクロチャネルを形成するために犠牲（乳酸）、ポリ乳酸繊維を使用しています。
Abstract
自然のシステムにおける血管構造は、高い表面積及び最適化構造を介して高質量輸送を提供することができる。いくつかの合成材料の製造技術は、スケーラビリティを維持しながら、これらの構造の複雑さを模倣することができる。犠牲成分（VASC）プロセスの蒸発はそうすることができます。このプロセスは、マトリックス内に埋め込まれた中空円筒状のマイクロチャネルを形成するためのテンプレートとして犠牲繊維を使用する。スズ（II）シュウ酸（SnOx）は、このプロセスの使用を容易にポリ（乳酸）乳酸（PLA）繊維の中に埋め込まれている。 SnOxは、より低い温度でのPLA繊維の解重合を触媒する。乳酸モノマーは、これらの温度で気体であり、マトリックスに損傷を与えない温度で埋め込まれたマトリックスから除去することができる。ここでは、三次元的に配列されたマイクロチャネルの複雑なパターンを作成するマイクロマシンプレートとテンション装置を使用して、これらの繊維を整列させるための方法を示す。プロセスは繊維トポロジおよび構造の事実上すべての配置の探査を可能にします。
Introduction
自然のシステムは、多くの生物学的機能を容易にするための広範な血管網を使用しています。質量輸送は体積比と最適化されたパッキング構造体に対して高い表面積に起因するこのようなシステムで効率的に達成することができる。多くの合成製造技術は、微小構造体を製造することができるが、既存の製造方法1-5と複雑さとの互換性を維持しながら、未大規模な微小血管を生成することができない。そのような鳥類の肺のような構造は、インスピレーションを提供します。どのように我々は大量輸送を向上させるためにこのような複雑の構造を作製するのですか？
犠牲成分の蒸発（VASC）は、大規模で複雑 な血管構造は6-7生成することができます。この方法は、熱解重合とポリの蒸発除去（乳酸）繊維テンプレートの逆数である中空チャネルを形成するために乳酸繊維を使用しています。これは、既存の製造と互換性犠牲テクニックです方法。メートルの長さ、円筒状のマイクロパターンがこの製造プロセスを用いて形成することができる。これは、自己修復ポリマーおよび7-10 3D微小炭素捕捉部として血管形成デバイスを作成するために使用することができる。
炭素捕捉部は、飛行中のその使用効率的なガス交換対重量比を提供する鳥類により肺に触発された。 parabronchus、高いガス交換率と構造的に安定したガス交換ユニットを提供する六角形パターン化されたマイクロチャネルから構成される。 3次元に整列機能を備えたマイクロ交換ユニットを作成するために、我々は、独立して、ギターのチューナーとレーザマイクロマシンプレートをカスタム設計された張力ボードを使用して繊維に張力をかける方法を開発した。各繊維は、繊維が実行されるプレートの穴を通って配置することによって設定された外部張力とパターンによって適所に保持される。
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Protocol
1。犠牲繊維を触媒
- 下周り（乳酸）、ポリ乳酸繊維¾カスタマイズスピンドルの所望の量をラップします。最大の表面積の露出を提供するために、繊維の重複を減らす。
- 密閉瓶ディスパー130 40mlで脱イオンH 2 Oを混合し、均質な溶液が得られるまで振とうする。次いで、37℃の水浴1,000ミリリットルのビーカーに入れ、ビーカーにトリフルオロエタノールを注ぐ。使用するためのH 2 OおよびTFEの量は、使用PLA繊維の直径に依存する。
繊維径 H 2 O（ml）の量 TFEの量（ml）を 200 400 400 300 360 440 500 320 480 - 加えるH 2 O /ディスパービック187ビーカーを解決し、均一になるまで撹拌する。
- 混合物にマラカイトグリーンの1グラムを加え、溶解するまでかき混ぜる。
- ビーカー中の繊維½下からインチでカスタムスピンドルを配置し、デジタルミキサーにスピンドルを取り付ける。その後、400rpmでデジタルミキサーを開始。
- ゆっくり混合物にスズ（II）シュウ（SnOx）触媒の1.3グラムを追加します。 SnOxの添加は、溶液からクラッシュからの材料の大きな凝集を防止するために、漸進的でなければならない。
- pHが6.8から7.2〜になるまでNaOHを用いて混合物のpHを調整します。
- ビーカーにふたを固定し、24時間500 rpmにスピンドル回転を上げる。 SnOxの凝集が観察されている場合は、手動で最初の2時間以内にそれを破る。
- 35℃で一晩オーブンでスピンドルとドライを削除します。
- 触媒PLA繊維から余分な触媒のラップを解除して削除。
2。微小血管ガスExchanGEユニット作製
- クリップホルダー上に所望の微小血管パターンと接辞プレートをレーザーカット真鍮パターニング真鍮プレートのペアを取得します。
- マイクロチャネルあたりの触媒繊維の10インチの長さをカットし、繊維径（プレートを描く）にカット厚いプレートを使用して、任意の残りの触媒を除去。
- 徐々に繊維のヒントを押し出すためにホットグルーガンの先端を使用してテーパー繊維のエッジを。
- 真鍮パターニングプレートペアで対応する穴を通して繊維を通します。
- 成形ボックスの上に板をネジ止めします。プレートを取り付ける際に繊維がねじれていないことを確認してください。
- 弦のチューニングを通して繊維のヒントは、カスタムテンションボードのペグ。
- ピンと張ったまでテンションPLA繊維を。しないオーバーテンションに注意してくださいと繊維をはめ込みます。
- 圧縮空気を用いた繊維パターンから余分な微粒子を除去。
- ミックスポリジメチルシロキサン（PDMS）午前10時01分で硬化剤とベース、V：V比。 ドガ10分間デシケーター瓶に真空下で混合。
- モールドボックスにPDMS液を注ぐ。気泡の捕捉を低減させるための繊維の上に直接かけないでください。
- 26 Gの針を用いて、成形ボックス内または繊維間の任意の気泡を除去する。
- 30分間85℃でPDMS混合物を硬化させる。
- プレートを曲げすぎたり強く引っ張らないように確認しながら、金型ボックスから真鍮プレートを外し。モールドボックスから硬化1 回目のステージを削除します。
- 皮下注射針とエンドキャップの穴を穿刺することによりRTVのエンドキャップを通して繊維を通します。ファイバのサイズに応じて、少なくともあなたファイバの外径の内径の2倍有する針ゲージを使用する。真鍮パターニングプレートと同様のパターンを維持しますが、より広く広がる。
- 大きな金型ボックスの両端にエンドキャップを固定し、PDMSの第 2 段を注ぐ。
- 残った気泡を除去し、30分間85℃で硬化する。
- PLA繊維は主に避難している24時間°Cまで、または210で真空オーブン内のサンプルと場所から余分なPLA繊維をカットします。
- 任意のPLAを除去できない場合は、緩やかにクロロホルム1mlを注入を用いてマイクロチャネルのうち溶解する。
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Representative Results
この手順は、樹脂内に埋め込まれた微小構造体の製造方法を提供する。これらの構造は、様々なパターン（ 図2）に適合することができる。微小血管ネットワークの構造は、犠牲繊維で形成することができる構造によって制限される。
ガス透過性チャネル間膜を横切るように微小流路の並列配置を用いて、流体流との間のガス輸送が容易になる。これらのデバイスは、リソグラフィ（ 図3）を必要とせずにスケーラブルな方法で製造することができる。形成されたマイクロチャネルは完全に中空であり、50μm未満によって分離することができる。
リークとプラグの両方がマイクロチャネル（ 図4）内に表示することが可能です。プラグの形成は、マイクロチャネルを介して任意の流体の流れを防ぐことができますし、手動で削除する必要があります。チャネル間の漏れは、wを形成することができるめんどり繊維は完全に洗浄し、張られていません。
図1。 VASC製造プロセスの概要。犠牲PLA繊維はマイクロマシンガイドプレートに通しています。繊維は並列配置を作成するために張りつめまで張られている。次いで繊維をマトリックス内に埋め込まれている。熱と真空はその後気体モノマーに繊維を解重合するために使用されます。最終結果は、繊維がかつての中空マイクロチャネルセットである。
図2。単一の六角形のパターンのo サンプルパターンは、（A）SEM像Fは200μmと300μmの直径チャンネル。 （B）は200μmと300μmの直径がマイクロチャネルの六角形詰めパターン用ガイドプレート。
図3。代表的なガス交換ユニット。ユニットの中央部分には200μmで300μmの直径がマイクロチャネルの六角形の配置が含まれています。二次構造が広がりとマイクロチャンネルに簡単にアクセスすることができます。マイクロチャネルは、視覚的な明瞭さのために青とオレンジ色の色素でロードされます。
図4。代表者は、ガス交換ユニットに失敗しました。
図5。製作のカスタムデバイス。（）カスタムスピンドル。シックス·支持棒は、中心コアを囲む。 PLA繊維を触媒溶液との接触を最大にするための支持棒に巻き付けている。攪拌翼は、カオス流れを導入するために、スピンドルの底部に配置されている。 （B）カスタムテンションボード。ギターのチューナーは、テンションPLA繊維にアクリル板の縁に沿って配置されている。ピボットポイントは、そのように配置されている股関節tは繊維およびガイド板との間の角度が垂直に近いままである。
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Discussion
PLA繊維にSnOx触媒の導入は、繊維が低い温度で解重合することができます。これは、この場合にはPDMS、埋め込み樹脂の劣化を防止することができる。カスタムスピンドルが正しく処理溶液を（ 図5A）混合する必要があります。スピンドルはデジタルミキサに取り付ける中心コアを取り囲む6の支持棒から構成されている。繊維は、触媒溶液と接触してラッピング繊維の表面積が最大にされたように、支持ロッドの周りに巻かれている。スピンドルの底部は、カオス流れを導入するためのブレードのセットを含んでいた。混沌とした流れは、触媒の凝集を防ぎます。
カスタムテンション基板は、繊維（ 図5B）の並列セットを作成するために使用される。これにより、ボードのエッジに沿ってギターのチューニングペグ付きボードで構成されています。十分なチューニングペグがpresaの複数形であるように、ボードの寸法は限り重要ではありませんパターンで使用される繊維の張力すべてにNT。繊維のピボットポイントの添加は、ガイドプレート境界角度が大きすぎるからで曲げ繊維を防止するために有用である。製作手順の最も困難な部分は、おそらくより大きなパターンのため、繊維のスレッドです。それは次の繊維を通すに十分なスペースがあることを確認し、繊維を通す時に編成を維持することが重要です。
50ミクロン未満の微細流路を有する分離パターンの場合は、ガイド板を破壊することができる。注意が過剰しばしばプレートパターン孔よりも直径が大きいほど繊維から過剰の触媒を除去するのに注意しなければならない。それらが削除されたときに、それがプレート上に追加のストレスを作り出すことができるようにプレートを取り外すときは、プレートを通して漏れたPDMSも削除しなければなりません。
ガイド板は、レーザーマイクロマシニングを用いて作製した。このプロセスは、ホにわずかなテーパーを生成他方よりも僅かに大きい開口部を有する一方側に生じる板ル、。モールドボックスに面する小さい開口部を有することが重要である。小さい方の端が離れて金型ボックスから直面している場合は、削除処理中に増加した抵抗もプレートを破ることができる。
PLAのプラグは避難の長い期間の後にマイクロチャネルに留まることが可能です。頻繁なオーブン、真空掃除は、これを軽減するのに役立ちます。プラグは短い長さであるように残りのプラグであれば、クロロホルムを除去することができる。長い微小血管構造はまた、彼らはしばしば、マイクロチャネルの両端に向けて表示されるプラグの形成を減らすことができます。余分な長さは、プラグがデバイスから切断することを許可することができます。
この製造プロセスは、非リソグラフィであり、既存の製造の様々な方法に適合させることができる。犠牲鋳型の使用は、複雑な三次元マイクロ流体を作成できデバイス。微小血管パターンの近い位置は、ガス透過性マトリックス内のマイクロチャンネル間のガスの輸送に使用されるが、それだけの潜在的なアプリケーションではありませんた。マイクロチャンネル間の密接な接触と、三次元でのマイクロ流体の熱交換もこの製造プロセスを用いて大規模にアクセス可能になる。これは、意図的に化学反応を誘導するためにマイクロチャンネルを結合することも可能である。この製造プロセスは、バイオミメティックシステム構築のために許可され、自然の微小血管系によって実行されるような種々の用途の広いとして使用することができる。
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Disclosures
我々はこの技術ウント米国米国特許仮出願第61/590 086で仮特許を申請しました。
Acknowledgments
この作品はFA9550-12-1から0352までおよび3M非専任教員賞下AFOSR若手研究プログラムによってサポートされていました。著者は、このプロジェクトに関連した役立つ議論のためLalisa Stuttsとジャニーントムに感謝したいと思います。著者は、その施設の使用を可能にするために、カリフォルニア大学アーバイン校Calit2顕微鏡センターとレーザー分光施設に感謝します。ホッジハーランドとUCI物理科学マシンショップ、ツールの製作のために承認されます。ポリ（乳酸）酸繊維は寛大帝人モノフィラメントによって提供された。
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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