Summary
Fordampningen av en Offerring Komponent (VaSC) prosessen brukes til å fabrikkere mikrovaskulære strukturer. Denne fremgangsmåten bruker offerplasser poly (melkesyre) syre fibre for å danne hule microchannels med presis 3D geometriske posisjonering levert av laser mikromaskinerte styreplatene.
Abstract
Vaskulære strukturer i naturlige systemer er i stand til å tilby høy massetransport gjennom høye flater og optimalisert struktur. Et par syntetisk materiale fabrikasjonsteknikker er i stand til å etterligne kompleksiteten av disse strukturene og samtidig opprettholde skalerbarhet. Den Fordamping av en oppofrende Component (VaSC) prosessen er i stand til å gjøre det. Denne prosessen bruker offer-fibrer som en mal for å danne hule, sylindriske mikrokanaler integrert i en matrise. Tinn (II) oksalat (SnOx) er integrert i poly (melkesyre) syre (PLA) fibre som letter bruken av denne prosess. Den SnOx katalyserer depolymerisering av PLA fibrene ved lavere temperaturer. Melkesyren monomerene er gassformige ved disse temperaturene, og kan fjernes fra den innebygde matrise ved temperaturer som ikke skader matrisen. Her viser vi en metode for å samkjøre disse fibrene ved hjelp mikromaskinerte plater og en spennanordning å lage komplekse mønstre av tre-dimensjonalt kledd microchannels.Prosessen gjør det mulig for utforskning av praktisk talt alle arrangement av fiber topologier og strukturer.
Introduction
Naturlige systemer bruker omfattende vaskulære nettverk for å legge til rette for mange biologiske funksjoner. Massetransporten kan oppnås effektivt i slike systemer på grunn av høyt overflateareal til volum-forhold og optimal pakking strukturer. Mens mange syntetiske fabrikasjon teknikker kan produsere mikrovaskulære strukturer, kan ingen produsere i stor skala microvasculature samtidig opprettholde kompleksitet og kompatibilitet med eksisterende produksjonsmetoder 1-5. Strukturer som aviær lunge gi en inspirasjon. Hvordan dikte vi strukturer av denne kompleksiteten for å øke masse transport?
Den Fordamping av en oppofrende Component (VaSC) kan produsere store, komplekse mikrovaskulære strukturer 6-7. Denne metoden bruker den termiske depolymerization og fordamping fjerning av poly (melkesyre) syre fibre for å danne hule kanaler som er den inverse av fiber mal. Dette er en oppofrende teknikk kompatibel med eksisterende produksjonmetoder. Meter lange, sylindriske microchannel mønstre kan dannes ved hjelp av denne fabrikasjon prosessen. Dette kan brukes til å lage vaskularisert enheter som selvhelbredende polymerer og 3D mikrovaskulære karbonfangst enheter 7-10.
De karbonfangst enheter ble inspirert av aviær lunge som gir en effektiv gass-exchange-til-vekt-forhold på grunn av sin bruk i fly. Den parabronchus består av hexagonally mønstrede microchannels, som gir høye gass valutakurser og strukturelt stabile gassutvekslingsoverflate enheter. For å skape byttekomponentene med mikroskala funksjoner innrettet i tre dimensjoner, har vi utviklet en metode for selvstendig stramming fibrene ved hjelp av en spesialdesignet spenning bord med gitar tunere og laser-mikromaskinerte plater. Hver fiber holdes på plass ved hjelp av ekstern spenning og mønsteret er bestemt av plasseringen av hullene i platen gjennom hvilken fibrene drives.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
En. Katalyserende Sacrificial Fibers
- Pakk den ønskede mengden av poly (melkesyre) syre fibre rundt nedre ¾ av tilpasset spindelen. Minsker fiber overlapping for å gi det maksimale overflateareal eksponering.
- Bland deionisert H2O med 40 ml Disperbyk 130 i en lukket flaske og rist til en homogen oppløsning er oppnådd. Deretter plasserer et 1000 ml begerglass i et vannbad ved 37 ° C og hell trifluoretanol i begerglasset. Mengden av H2O og TFE å benytte er avhengig av PLA fiberdiameteren benyttes.
Fiberdiameteren Mengde H 2 O (ml) Mengde TFE (ml) 200 400 400 300 360 440 500 320 480 - LeggH 2 O / Disperbyk 187 løsning på beger og rør til uniform.
- Tilsett 1 g Malakittgrønt til blandingen og omrør inntil oppløsning.
- Plasser den tilpassede spindel med fiber i begeret ½ tommers fra bunnen og fest spindel til en digital mixer. Deretter starter den digitale mikseren på 400 rpm.
- Tilsett langsomt 1,3 g tinn (II) oksalat (SnOx) katalysator til blandingen. Tilsetningen av SnOx må være gradvis for å hindre at store sammenhopninger av materiale med materiale fra bryter ut av løsningen.
- Juster pH i blandingen ved hjelp av NaOH inntil pH-verdien er 6,8-7,2 ~.
- Sikre et lokk til begerglasset og øke spindelen rotasjon til 500 rpm i 24 timer. Dersom et større byområde av SnOx er observert, manuelt bryte den opp innen de første 2 hr.
- Fjern spindel og tørr i ovn ved 35 ° C over natten.
- Pakk og fjerne overflødig katalysator fra katalysert PLA fiber.
2. Mikrovaskulær Gass Exchange Unit Fabrication
- Få et par av laser-cut messing mønster messing plater med ønsket mikrovaskulær mønster og feste platene på klippet holdere.
- Skjær en 10 tommers lengde på katalysert fiber per microchannel og fjerne eventuelle gjenværende katalysator ved hjelp av en tykkere plate kuttet til fiber diameter (uavgjort plate).
- Taper kantene av fibrene ved hjelp av tuppen på et varmt lim pistol til langsomt ekstrudere fiberendene.
- Træ fiber gjennom tilsvarende hull i messing mønster platepar.
- Skru platene mot en molding boksen. Pass på at fibrene ikke er vridd når du fester platene.
- String fiber tips gjennom tuning knagger av den egendefinerte stramming bord.
- Spenn PLA fiber til stram. Vær forsiktig så du ikke over-spenninger og knipse fibrene.
- Fjern overflødig partikler fra fiber mønster ved hjelp av trykkluft.
- Bland polydimetylsiloksan (PDMS) base med herdemiddel i et 10:01, v: v-forhold. Avgasse blandingen under vakuum i en eksikator krukke i 10 min.
- Hell PDMS blandingen inn i formen boksen. Hell ikke direkte over fibrene for å redusere fangst av luftbobler.
- Ved hjelp av en 26 G nål, fjern eventuelle bobler i støping boksen eller mellom fibrene.
- Cure PDMS-blandingen ved 85 ° C i 30 min.
- Løsne messing plater fra mold boksen, og pass på ikke å bøye platene eller dra for hardt. Fjern kurert 1 st scenen fra mold boksen.
- Tre fibrene gjennom en RTV endefestet ved punktering hull i end-cap med en kanyle. Avhengig av fiber-størrelse, å bruke en nål måler som har minst 2 ganger den indre diameter av den ytre diameter av fiberen din. Opprettholde et tilsvarende mønster som messing mønster plate, men mer vidt spredt.
- Fest end-caps til endene av et større mold boks og hell en 2. stadium av PDMS.
- Fjern eventuelle gjenværende gassbobler ogherde ved 85 ° C i 30 min.
- Skjær overflødig PLA fibre fra prøven og plasser i en vakuumovn ved 210 ° C i 24 timer, eller inntil PLA fibrene er blitt stort sett evakuert.
- Hvis noen PLA ikke kan fjernes, forsiktig oppløse ut av mikrokanaler med en injeksjon av 1 ml kloroform.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Denne fremgangsmåten tilveiebringer en fremgangsmåte for fremstilling av mikrovaskulære strukturer integrert i en harpiks. Disse strukturene kan samsvare med en rekke mønstre (figur 2). Strukturen av mikrovaskulær nettverket er kun begrenset av de strukturene som kan dannes idet offermaterialet fibre.
Ved hjelp av en parallell ordning av mikrovaskulære kanaler, gass transport mellom fluidstrømmer er tilrettelagt som gasser traversere en gjennomtrengelig inter-kanal membran. Disse enhetene kan være fabrikkert på en skalerbar måte uten behov for litografi (figur 3). De mikrokanaler dannet er fullstendig hult og kan skilles ved mindre enn 50 pm.
Det er mulig for både lekkasjer og plugger for å dukke opp i løpet av de microchannels (figur 4). Dannelsen av en plugg vil hindre enhver fluidstrømning gjennom microchannel og må fjernes manuelt. En lekkasje mellom kanaler kan danne whøne fibrene er ikke grundig rengjort og strammet.
Figur 1. VaSC fabrikasjonsprosessen oversikt. Sacrificial PLA fiber er tredd gjennom mikromaskinerte styreplatene. Fibrene er stressede inntil stram for å opprette en parallell ordning. Fibrene blir deretter innleiret i en matrise. Varme og vakuum blir deretter brukt for å depolymerize fibrene omdannes til gass monomerer. Sluttresultatet er en hul sett av mikrokanaler der fibrene en gang var.
Figur 2. Samplingsmønstre. (A) SEM-bilde av en enkelt sekskantet mønster of 200 mikrometer og 300 mikrometer diameter kanaler. (B) guide plate for en hexagonally pakket mønster av 200 mikrometer og 300 mikrometer diameter microchannels.
Figur 3. Representative gassutveksling enhet. Det sentrale parti av enheten inneholder en hexagonally arrangement av 200 mikrometer og 300 mikrometer diameter mikrokanaler. En sekundær struktur sprer seg og gir enklere tilgang til de microchannels. Microchannels er lastet med blå og oransje fargestoff for visuell klarhet.
Figur 4. Representant mislyktes gassutveksling enhet.
Figur 5. Tilpassede enheter for fabrikasjon. (A) Custom spindel. Seks Støttestengene omgir en sentral kjerne. PLA fibre er pakket rundt støttestengene for å maksimere kontakten med den katalytiske løsning. En blanding blad er plassert på bunnen av spindelen for å innføre kaotisk strømning. (B) Custom stramming bord. Gitar tunere er plassert langs kantene av en akryl bord til spenning PLA fiber. Pivot poeng er plassert slik that vinkelen mellom fibrene, og styreplatene forblir nær vinkelrett.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Innføringen av SnOx katalysator i PLA fibre gjør det mulig for fibrene å depolymerize ved en lavere temperatur. Dette hindrer degradering av det integrerende harpiks, i dette tilfelle PDMS. En tilpasset spindelen er nødvendig for å riktig blande behandlingsoppløsningen (figur 5A). Spindelen består av seks støttestenger som omgir en sentral kjerne som kan festes til en digital blander. Fibrene blir pakket rundt støttestengene, slik at overflatearealet av de innpakning fibrene i kontakt med den katalytiske løsning ble maksimert. Bunnen av spindelen inneholdt et sett av blader for å innføre kaotisk strømning. Den kaotiske forhindrer agglomerering av katalysatoren.
En tilpasset stramming platen brukes til å opprette den parallelle sett av fibere (fig. 5B). Denne består av et styre med gitar tuning knagger langs kantene av brettet. Dimensjonene av styret er uviktig så lenge nok stemmeskruene er present til spenning av alle fibrene som benyttes i mønsteret. Tilsetningen av dreiepunktene for fibrene er nyttig for å hindre fibrene fra å bøye ved for stor av en vinkel på ledeplaten grensesnittet. Den mest utfordrende del av fabrikasjonen fremgangsmåte er sannsynligvis den træingen av fibrene for større mønstre. Det er viktig å være organisert når threading fibrene, slik at det er god plass i threading neste fiber.
For mønstre med microchannel separasjoner under 50 mikrometer, er det mulig å bryte styreplatene. Hensyn må tas i å fjerne overskytende katalysator fra fibrene som det overskytende er ofte større i diameter enn de platemønster hull. Ved fjerning av platene, må PDMS som har lekket gjennom platene også fjernes, da den kan produsere ytterligere stress på platene når de er fjernet.
Styreplatene ble fabrikkert ved hjelp av laser mikromaskinering. Denne prosessen produserer en svak avskråning i forhold Hole av platen, noe som resulterer i den ene siden å ha en noe større åpning enn den andre. Det er viktig å ha den mindre åpning vendt mot mugg-boksen. Hvis den minste enden vender bort fra støpeformen boksen, kan den økte motstand under fjerningen også bryte platen.
Det er mulig for plugger av PLA å forbli i mikrokanaler etter lengre perioder med evakuering. Hyppig ovn og støvsuging kan bidra til å lindre dette. Gjenværende pluggene kan fjernes med kloroform, så lenge pluggen er av en kort lengde. Lengre mikrovaskulære strukturer kan også bidra til å redusere plug formasjoner som de dukker ofte opp mot endene av en microchannel. Den ekstra lengden kan tillate pluggen å bli avskåret fra enheten.
Denne fremstillingsprosess er ikke litografiske og kan tilpasses til en rekke eksisterende produksjonsmetoder. Bruken av en offer-mal gir mulighet for etablering av komplekse tredimensjonale mikrofluidtekniskenheter. Den nære plassering av mikrovaskulær mønster ble benyttet til transport av gass mellom mikrokanaler i et gasspermeabelt matrise, men den er ikke den eneste mulige anvendelse. Med den intime kontakt mellom mikrokanaler, blir mikrofluidteknisk varmeveksling i tre dimensjoner også tilgjengelige i stor skala ved hjelp av denne fremstillingsprosess. Det er også mulig å med vilje bli med microchannels å fremkalle kjemisk reaktivitet. Denne fremstillingsprosess er tillatt for å opprette biomimetic systemer og kan brukes så langt utenfor en rekke anvendelser som de som er utført av naturlig mikrovaskulære system.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har arkivert for en foreløpig patent på denne teknologien und US patent US Provisional patentsøknad nr. 61/590, 086.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av AFOSR Young Investigator Program under FA9550-12-1-0352 og en 3M ikke-fast stilling fakultet Award. Forfatterne ønsker å takke Lalisa Stutts og Janine Tom for nyttig diskusjon knyttet til dette prosjektet. Forfatterne takker Calit2 Mikroskopi Center og Laser spektroskopi Facility ved University of California, Irvine for å tillate bruk av sine fasiliteter. Hodge Harland og UCI Physical Sciences Machine Shop er anerkjent for fabrikasjon av verktøy. Poly (melkesyre) syre fibre ble sjenerøst gitt av Teijin Monofilament.
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).
