Summary
La vaporización de un proceso de componentes de sacrificio (VASc) se utiliza para fabricar estructuras microvasculares. Este procedimiento utiliza fibras de ácido poli (láctico sacrificio) para formar micro-canales huecos con la posición geométrica en 3D precisa proporcionada por láser de placas de guía micromecanizadas.
Abstract
Estructuras vasculares en los sistemas naturales son capaces de proporcionar transporte de alta masa a través de las zonas elevadas de la superficie y la estructura optimizada. Pocas técnicas de fabricación de materiales sintéticos son capaces de imitar la complejidad de estas estructuras, mientras que el mantenimiento de escalabilidad. La vaporización de un proceso de componentes de sacrificio (VASc) es capaz de hacerlo. Este proceso utiliza fibras de sacrificio como una plantilla para formar micro-canales cilíndricos huecos, incrustados dentro de una matriz. Estaño (II) oxalato (snox) está incrustado dentro de poli (láctico) fibras de ácido (PLA) que facilita el uso de este proceso. El snox cataliza la despolimerización de las fibras de PLA a temperaturas más bajas. Los monómeros de ácido láctico son gaseosos a estas temperaturas y se pueden eliminar de la matriz incrustada a temperaturas que no dañen la matriz. Aquí se muestra un método para alinear estas fibras utilizando placas micromecanizadas y un dispositivo tensor para crear patrones complejos de tres dimensiones microcanales dispuestos.El proceso permite la exploración de virtualmente cualquier disposición de fibra de topologías y estructuras.
Introduction
Los sistemas naturales utilizan redes vasculares extensas para facilitar muchas funciones biológicas. Transporte masivo se puede lograr de manera eficiente en estos sistemas debido a elevada área superficial de relaciones de volumen y estructuras de embalaje optimizado. Mientras que muchas técnicas de fabricación sintéticos pueden producir estructuras microvasculares, ninguno puede producir microvasculatura a gran escala manteniendo al mismo tiempo la complejidad y la compatibilidad con los métodos de fabricación existentes 1-5. Estructuras como los pulmones de las aves constituyen una fuente de inspiración. ¿Cómo elaborar estructuras de esta complejidad para mejorar el transporte de masas?
La vaporización de un componente de sacrificio (VASc) puede producir estructuras microvasculares a gran escala, complejos 6-7. Este método utiliza la despolimerización térmica y la eliminación por evaporación de poli (láctico) fibras de ácido para formar canales huecos que son la inversa de la plantilla de la fibra. Esta es una técnica de sacrificio compatibles con la fabricación existentemétodos. Metro de largo patrones de microcanales, cilíndricos se pueden formar usando este proceso de fabricación. Esto puede ser usado para crear dispositivos vascularizados tales como polímeros de autocuración y unidades de captura de carbono microvasculares 3D 7-10.
Las unidades de captura de carbono se inspiraron en el pulmón de las aves que proporciona una relación gas-cambio peso-eficiente debido a su uso durante el vuelo. El parabronchus se compone de microcanales hexagonal estampados, que proporciona tipos de cambio más elevados de la gasolina y las unidades de intercambio gaseoso estructuralmente estables. Con el fin de crear unidades de intercambio con características microescala alineados en tres dimensiones, se desarrolló un método de tensado de forma independiente utilizando un tablero de fibras de tensión de diseño personalizado con sintonizadores de la guitarra y las placas por láser micromecanizadas. Cada fibra se mantiene en su lugar por la tensión externa y el patrón está establecido por la colocación de los agujeros en la placa a través del cual las fibras se ejecutan.
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Protocol
1. Catalizar Fibras de sacrificio
- Envolver la cantidad deseada de fibras de ácido poli (láctico) alrededor de la parte inferior de ¾ de husillo personalizado. Reducir la superposición de fibra para proporcionar la máxima área de superficie de exposición.
- Mezclar H2O desionizada con 40 ml de Disperbyk 130 en una botella cerrada y agitar hasta que se obtiene una solución homogénea. A continuación, coloque un vaso de precipitados de 1000 ml en un baño de agua a 37 ° C y se vierte en el vaso de precipitados de trifluoroetanol. La cantidad de H 2 O y TFE utilizar depende del diámetro de las fibras PLA utilizado.
Diámetro de fibra Cantidad de H 2 O (ml) Cantidad de TFE (ml) 200 400 400 300 360 440 500 320 480 - Añadir2 O / H 187 Disperbyk solución al vaso de precipitados y mezclar hasta que sea uniforme.
- Añadir 1 g de verde de malaquita a la mezcla y revuelva hasta que se disuelva.
- Coloque el eje de encargo con fibras en el vaso de precipitados de ½ pulgadas desde la parte inferior y adjuntar el husillo a un mezclador digital. A continuación, iniciar el mezclador digital a 400 rpm.
- Lentamente añadir 1,3 g de estaño (II) de oxalato de catalizador (snox) a la mezcla. La adición de snox debe ser gradual con el fin de evitar que las grandes aglomeraciones de material de estrellarse fuera de la solución.
- Ajustar el pH en la mezcla con NaOH hasta que el pH es de ~ 6.8 a 7.2.
- Asegure una tapa al vaso de precipitados y aumentar la rotación del husillo a 500 rpm durante 24 horas. Si se observa una aglomeración de snox, romper manualmente como máximo durante las primeras 2 horas.
- Retire husillo y seca en el horno a 35 ° C durante la noche.
- Separar y eliminar el exceso de catalizador de las fibras catalizadas PLA.
2. Microvascular Exchan Gasge Fabricación Unidad
- Obtener un par de corte por láser de metal planchas de bronce de modelado con el patrón microvascular deseada y fijar las placas a los titulares de clip.
- Cortar una longitud de 10 pulgadas de fibra catalizada por microcanales y eliminar cualquier catalizador restante con una placa más gruesa cortada al diámetro de la fibra (placa de tracción).
- Taper los bordes de las fibras mediante el uso de la punta de una pistola de pegamento caliente lentamente a la extrusión de las puntas de las fibras.
- Pase las fibras a través de los agujeros correspondientes en los pares de placas de modelado de bronce.
- Atornille las placas sobre una caja de moldeo. Asegúrese de que las fibras no se tuercen cuando fije las placas.
- Cuerda las puntas de las fibras a través del ajuste las clavijas de la placa de tensión personalizado.
- La tensión de las fibras de PLA hasta tensa. Tenga cuidado de no sobre-tensión y romper las fibras.
- Eliminar el exceso de partículas a partir del patrón de fibra utilizando aire comprimido.
- Mezcla base de polidimetilsiloxano (PDMS) con un agente de curado en 10:01, v: v relación. Desgasifica la mezcla en vacío en un frasco desecador durante 10 min.
- Vierta la mezcla de PDMS en la caja de molde. No vierta directamente sobre las fibras con el fin de reducir el atrapamiento de burbujas de aire.
- Usando una aguja de 26 G, eliminar las burbujas dentro de la caja de moldeo o entre las fibras.
- Curar la mezcla de PDMS a 85 ° C durante 30 min.
- Afloje las planchas de bronce de la caja del molde, teniendo cuidado de no doblar las placas o tire demasiado fuerte. Retire la 1 ª fase curado de la caja de molde.
- Pase las fibras a través de un tapón terminal RTV perforando agujeros en el tapón terminal con una aguja hipodérmica. Dependiendo del tamaño de la fibra, utilizar una aguja de calibre que tiene al menos 2 veces el diámetro interior del diámetro exterior de la fibra. Mantener un patrón similar a la placa del patrón de bronce, pero más ampliamente extendido.
- Fije las tapas finales de los extremos de una caja de molde grande y vierta una 2 ª etapa de PDMS.
- Eliminar las burbujas de gas que quedan ycurado a 85 ° C durante 30 min.
- Corte cualquier exceso de fibras PLA a partir de la muestra y colocar en un horno de vacío a 210 ° C durante 24 horas, o hasta que las fibras PLA han sido en su mayoría evacuados.
- Si cualquier PLA no se puede extraer, disolver suavemente hacia fuera de los microcanales utilizando una inyección de 1 ml de cloroformo.
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Representative Results
Este procedimiento proporciona un método de fabricación de estructuras microvasculares incrustados dentro de una resina. Estas estructuras pueden ajustarse a una variedad de patrones (Figura 2). La estructura de la red microvascular sólo está limitada por las estructuras que se pueden formar con las fibras de sacrificio.
Con una disposición paralela de canales microvasculares, el transporte de gas entre corrientes de fluido se facilita en forma de gases atraviesan una membrana inter-canal permeable. Estos dispositivos se pueden fabricar de una manera escalable sin la necesidad de la litografía (Figura 3). Los microcanales formados son completamente hueco y pueden estar separadas por menos de 50 micras.
Es posible que ambos fugas y enchufes para aparecen dentro de los microcanales (Figura 4). La formación de un tapón evitará que cualquier flujo de fluido a través del microcanal y debe ser eliminado de forma manual. Una fuga entre canales puede formar wgallina las fibras no se limpian y se tensan a fondo.
Figura 1. Descripción del proceso de fabricación VASc. Fibras PLA sacrificio se inserta a través de placas de guía micromecanizadas. Las fibras se encadenan hasta tensa para crear una disposición en paralelo. Las fibras son luego incorporados dentro de una matriz. El calor y el vacío se utilizan entonces para despolimerizar las fibras en monómeros gaseosos. El resultado final es un conjunto de microcanales hueco donde una vez fueron las fibras.
Figura 2. Los patrones de muestra. (A) Imagen de MEB de un solo patrón hexagonal of 200 micras y 300 canales de m de diámetro. (B) Placa de la guía de un patrón hexagonal compacta de 200 micras y 300 micras de diámetro microcanales.
Figura 3. Unidad de intercambio de gases Representante. La porción central de la unidad contiene una disposición hexagonal de 200 micras y 300 microcanales m de diámetro. Una estructura secundaria se extiende hacia fuera y permite un acceso más fácil a los microcanales. Microcanales se cargan con colorante azul y naranja para la claridad visual.
La Figura 4. Representante falló unidad de intercambio de gas.
Figura 5. Dispositivos de medida para la fabricación. (A) del cabezal personalizado. Seis varillas de soporte rodean un núcleo central. Fibras de PLA se envuelven alrededor de las varillas de soporte para maximizar el contacto con la solución catalítica. Una paleta de mezcla se coloca en la parte inferior del husillo para introducir el flujo caótico. (B) Placa tensora personalizada. Afinadores de guitarra están colocadas a lo largo de los bordes de un tablero de acrílico de la tensión de las fibras de PLA. Los puntos de giro están posicionados de manera that el ángulo entre las fibras y las placas de guía permanece cerca de perpendicular.
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Discussion
La introducción del catalizador en el snox fibras de PLA permite que las fibras se despolimerizan a una temperatura inferior. Esto evita la degradación de la resina de la incrustación, en este caso PDMS. Se requiere un husillo de encargo para mezclar adecuadamente la solución de tratamiento (Figura 5A). El husillo se compone de seis barras de soporte que rodean un núcleo central que se conecta a un mezclador digital. Las fibras se envuelven alrededor de las varillas de soporte de modo que el área de superficie de las fibras de envoltura en contacto con la solución catalítica se maximiza. La parte inferior del husillo contenía un conjunto de cuchillas para introducir el flujo caótico. El flujo caótico evita la aglomeración del catalizador.
Un tablero de tensado personalizada se utiliza para crear el conjunto de fibras en paralelo (Figura 5B). Este consiste en un tablero con clavijas de guitarra a lo largo de los bordes del tablero. Las dimensiones de la placa son importantes, siempre y cuando suficientes clavijas son preseNT a la tensión de todas las fibras usadas en el patrón. La adición de puntos de pivote de las fibras es útil para evitar que las fibras se doblen demasiado grande de un ángulo en la interfaz de la placa guía. La parte más difícil del proceso de fabricación es probable que la rosca de las fibras de los patrones más grandes. Es importante que se mantenga organizado para enhebrar las fibras, asegurando que hay un amplio espacio en enhebrar la próxima fibra.
Para los patrones con separaciones de microcanales de menos de 50 micras, es posible romper las placas de guía. Se debe tener cuidado en eliminar el exceso de catalizador a partir de las fibras como el exceso es a menudo más grande en diámetro que los agujeros modelo placa. Cuando la eliminación de las placas, de PDMS que se ha filtrado a través de las placas también debe ser eliminado, ya que puede producir la tensión adicional en las placas cuando se retiran.
Las placas de guía fueron fabricados utilizando micromecanizado con láser. Este proceso produce una ligera conicidad en el hole de la placa, lo que resulta en un lado que tiene una abertura ligeramente más grande que el otro. Es importante tener la abertura más pequeña que mira hacia la caja de molde. Si se enfrenta el extremo más pequeño fuera de la caja del molde, el aumento de la resistencia durante el proceso de extracción también puede romper la placa.
Es posible para los enchufes de PLA a permanecer en los microcanales después de períodos más largos de evacuación. Horno frecuente y aspirador pueden ayudar a aliviar esto. Tapones restantes pueden ser eliminados con cloroformo, siempre y cuando el tapón es de una longitud corta. Estructuras microvasculares más largo también pueden ayudar a reducir formaciones de enchufe ya que a menudo aparecen hacia los extremos de un microcanal. La longitud extra se puede permitir que el enchufe sea cortada desde el dispositivo.
Este proceso de fabricación no es litográfica y se puede adaptar a una variedad de métodos de fabricación existentes. El uso de una plantilla de sacrificio permite la creación de complejo de tres dimensiones de microfluidosdispositivos. El posicionamiento cercano del patrón microvascular se utilizó para el transporte de gas entre microcanales en una matriz permeable a los gases, pero no es la única aplicación potencial. Con el contacto íntimo entre los microcanales, de intercambio de calor de microfluidos en tres dimensiones también se hace accesible a gran escala el uso de este proceso de fabricación. También es posible unirse a propósito los microcanales para inducir la reactividad química. Este proceso de fabricación permite la creación de sistemas biomiméticos y se puede utilizar para tan amplia de una variedad de aplicaciones como las realizadas por los sistemas microvasculares naturales.
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Disclosures
Hemos solicitado una patente provisional en esta und EE.UU. La solicitud de patente provisional de EE.UU. la tecnología de serie N º 61/590, 086.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por el Programa de Jóvenes Investigadores AFOSR bajo FA9550-12-1 hasta 0352 y un Premio Facultad no permanentes 3M. Los autores desean agradecer a Lalisa Stutts y Janine Tom útil para el debate en relación con este proyecto. Los autores agradecen al Centro de Microscopía Calit2 y el Fondo Espectroscopía Láser de la Universidad de California, Irvine para permitir el uso de sus instalaciones. Hodge Harland y la UCI Física Ciencias de máquinas son reconocidos para la fabricación de herramientas. Poli (ácido láctico) fibras de ácido fueron generosamente proporcionadas por 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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