Summary
Förångningen av en Sacrificial komponent (Vasc) process används för att tillverka mikrovaskulära strukturer. Denna procedur använder uppoffrande poly (mjölksyra) sura fibrer för att bilda ihåliga mikrokanaler med exakt 3D geometriska positionering från laser mikrobearbetade styrplattor.
Abstract
Vaskulära strukturer i naturliga system kan ge hög masstransport genom höga ytor och optimerad struktur. Några syntetmaterial tillverkningsteknik kan efterlikna komplexiteten i dessa strukturer samtidigt som skalbarhet. Förångning av en Sacrificial komponent (Vasc) process är kan göra det. Denna process använder offerfibrerna som mall för att bilda ihåliga, cylindriska mikrokanaler inbäddade i en matris. Tenn (II) oxalat (SnOx) är inbäddad i poly (mjölk) syra (PLA) fibrer, som underlättar användningen av denna process. Den SnOx katalyserar depolymerisation av PLA fibrerna vid lägre temperaturer. Mjölksyran monomererna är gasformiga vid dessa temperaturer och kan avlägsnas från den inbäddade matrisen vid temperaturer som inte skadar matrisen. Här visar vi en metod för att rikta dessa fibrer med mikrobearbetade plattor och en spännanordning för att skapa komplexa mönster av tre-dimensionellt grupperade mikrokanaler.Processen möjliggör utforskandet av praktiskt taget alla arrangemang av fibrer topologier och strukturer.
Introduction
Naturliga system använder omfattande vaskulära nätverk för att underlätta många biologiska funktioner. Mass transport kan uppnås effektivt i sådana system på grund av hög ytarea till volym-förhållanden och optimerade packning strukturer. Medan många syntetiska tillverkningstekniker kan producera mikrovaskulära strukturer, kan ingen producera storskalig mikrovaskulatur bibehållen komplexitet och kompatibilitet med befintliga tillverkningsmetoder 1-5. Strukturer såsom aviär lungan ger en inspiration. Hur fabricera vi strukturer av denna komplexitet för att öka masstransport?
Förångning av en Sacrificial komponent (Vasc) kan producera storskaliga, komplexa mikrovaskulära strukturer 6-7. Denna metod använder den termiska depolymerisation och evaporativ avlägsnande av poly (mjölk) syra-fibrer för att bilda ihåliga kanaler som är det inverterade värdet av fibern mallen. Detta är en uppoffrande teknik kompatibel med befintlig tillverkningmetoder. Meter långa, cylindriska Mikrokanalplattor mönster kan formas med användning av detta tillverkningsprocessen. Detta kan användas för att skapa vaskulariserade enheter såsom självläkande polymerer och 3D mikrovaskulära kolenheter fånga 7-10.
De koldioxidavskiljning enheter inspirerades av aviär lungan som ger en effektiv gas-utbyte-till-vikt-förhållande på grund av dess användning under flygning. Den parabronchus består av hexagonalt mönstrade mikrokanaler, vilket ger höga gasutbytesteknik och strukturellt stabila gas utbytesenheter. För att skapa Värmeväxlare med mikroskala funktioner inriktade i tre dimensioner, har vi utvecklat en metod för att självständigt spänna fibrer med hjälp av en specialdesignad spänning ombord med gitarr mottagare och laser-mikrobearbetade plattor. Varje fiber hålls på plats av extern spänning och mönstret bestäms av placeringen av hål i plattan genom vilken fibrerna löper.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Ett. Katalyserande offerfibrerna
- Vira den önskade mängden av poly (mjölk) syra fibrer runt nedre ¾ av kundanpassade spindel. Minska fiber överlappning för att ge maximal exponering yta.
- Blanda avjoniserat H2O med 40 ml Disperbyk 130 i en sluten flaska och skaka tills en homogen lösning erhålles. Placera sedan en 1000 ml bägare i ett vattenbad vid 37 ° C och häll trifluoretanol i bägaren. Mängden H2O och TFE att använda beror på PLA används fiber diameter.
Fiberdiameter Mängd H2O (ml) Mängd TFE (ml) 200 400 400 300 360 440 500 320 480 - LäggH 2 O / Disperbyk 187 lösning till bägaren och rör om tills den är homogen.
- Tillsätt 1 g malakitgrönt till blandningen och rör om tills det är upplöst.
- Placera den anpassade spindel med fibrer i bägaren ½ tum från botten och fäst spindeln till en digital bländare. Därefter startar den digitala mixern vid 400 rpm.
- Tillsätt långsamt 1,3 g tenn (II) oxalat (SnOx)-katalysator till blandningen. Tillsatsen av SnOx måste ske gradvis för att förhindra att stora agglomerat av material från att krascha ut ur lösningen.
- Justera pH-värdet i blandningen med användning av NaOH tills pH är ~ 6,8 till 7,2.
- Fäst ett lock till bägaren och öka spindelns rotation till 500 rpm under 24 timmar. Om en agglomeration av SnOx observeras manuellt bryta upp inom de första 2 tim.
- Avlägsna spindeln och torka i ugn vid 35 ° C över natten.
- Packa upp och avlägsna överskott av katalysator från de katalyserade PLA fibrerna.
2. Microvascular Gas valutakursGE Unit Fabrication
- Skaffa ett par laserskurna Mässing Mässing mönstring plattor med den önskade mikrovaskulära mönster och fästa plattorna på clip innehavare.
- Skär en 10 tums längd katalyserad fiber per microchannel och ta bort eventuella kvarvarande katalysator med en tjockare plåt skärs till fiberdiametern (dragplattan).
- Taper kanterna på fibrerna med hjälp av spetsen av en limpistol att långsamt strängspruta fiberspetsarna.
- Trä fibrerna genom matchning hål i plattan mässing mönstring par.
- Skruva plattorna mot ett gjutbox. Se till att fibrerna inte vrids när du fäster plattorna.
- String fiberspetsarna genom tuning pinnar av den anpassade spänning ombord.
- Spänn PLA fibrer tills spänd. Var noga med att inte över-spänningar och knäpp fibrerna.
- Ta bort en del partiklar från fibermönstret med tryckluft.
- Mix polydimetylsiloxan (PDMS) bas med härdare i en 10:01, volym: volym-förhållandet. Degas blandningen under vakuum i en exsickator burk i 10 min.
- Häll PDMS blandningen i formen rutan. Häll inte direkt över fibrerna för att minska fångst av luftbubblor.
- Med hjälp av en 26 G nål, avlägsna eventuella bubblor inom gjutboxen eller mellan fibrerna.
- Cure PDMS blandningen vid 85 ° C under 30 min.
- Lossa mässingsplåtarna från formen rutan, se till att inte böja plattorna eller dra för hårt. Ta det härdade 1: a steget från formen rutan.
- Trä fibrerna genom en RTV-ändtätning genom att punktera hål i ändhuven med injektionsnål. Beroende på fiberstorlek, använder en nål gauge som har minst 2 gånger den inre diametern hos den yttre diametern hos din fiber. Upprätthålla ett liknande mönster som mässing mönstring plattan, men mer allmänt spridda.
- Fäst ändstycken till ändarna på en större mögel box och häll en 2: a etappen av PDMS.
- Ta bort eventuella kvarvarande gasbubblor ochhärda vid 85 ° C under 30 min.
- Skär eventuellt överskott PLA fibrer från provet och i ett vakuum ugn vid 210 ° C under 24 timmar, eller tills PLA fibrer mestadels har evakuerats.
- Om någon PLA inte kan tas bort, försiktigt lösas ut av mikrokanalerna med användning av en injektion av 1 ml kloroform.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Detta förfarande tillhandahåller en metod för tillverkning mikrovaskulära strukturer inbäddade i ett harts. Dessa strukturer kan överensstämma med en mängd olika mönster (figur 2). Strukturen för den mikrovaskulära nätverket är endast begränsad av de strukturer som kan bildas med offerfibrerna.
Använda ett parallellt arrangemang av mikrovaskulära kanaler, gas transporter mellan fluidumströmmar underlättas som gaser passera en genomsläpplig inter-kanals membran. Dessa anordningar kan tillverkas på ett skalbart sätt utan behov av litografi (Figur 3). De bildade mikrokanaler är helt ihålig och kan separeras med mindre än 50 um.
Det är möjligt för både läckage och pluggar för att visas inom mikrokanalerna (Figur 4). Bildandet av en plugg kommer att förhindra fluidflöde genom mikrokanalen och måste tas bort manuellt. Ett läckage mellan kanalerna kan bilda whöna fibrerna inte rengöras noggrant och spänd.
Figur 1. Vase tillverkningsprocess översikt. Offertjänsten PLA fibrer träs genom mikrobearbetade styrplattor. Fibrerna är uppträdda tills spända att skapa ett parallellt arrangemang. Fibrerna sedan inbäddade i en matris. Värme och vakuum används sedan för att depolymerisera fibrerna till gasformiga monomerer. Slutresultatet är en ihålig uppsättning mikrokanaler där fibrerna gång var.
Figur 2. Exempel på mönster. (A) SEM-bild av en enda sexkantigt mönster of 200 nm och 300 nm kanaler diameter. (B) Styrplatta för ett hexagonalt packat mönster av 200 nm och 300 nm mikrokanaler diameter.
Figur 3. Representant gasutbyte enhet. Den centrala delen av enheten innehåller ett hexagonalt arrangemang av 200 um och 300 um mikrokanaler diameter. En sekundär struktur sprider ut och gör det enklare tillgång till mikrokanalerna. Mikrokanaler är laddade med blå och orange färg för visuell skärpa.
Figur 4. Representant misslyckades enhet gasutbyte.
Figur 5. Anpassade enheter för tillverkning. (A) Custom spindel. Sex stödtrådarna omger en central kärna. PLA fibrer lindade runt stödtrådarna att maximera kontakt med den katalytiska lösningen. Ett blandningsblad är placerad vid botten av spindeln att införa kaotiska flödet. (B) Anpassad spänning ombord. Gitarr mottagare är placerade längs kanterna av en akryl ombord för att spänna PLA fibrerna. Pivot punkter är placerade så thaT vinkeln mellan fibrerna och styrplattor fortfarande ligger nära vinkelrätt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Införandet av SnOx katalysatorn i PLA fibrerna tillåter att fibrerna depolymerisera vid en lägre temperatur. Detta förhindrar nedbrytning av inbäddning harts, i detta fall PDMS. En anpassad spindel krävs för att riktig blanda behandlingslösningen (figur 5A). Spindeln är sammansatt av sex bärstängerna omger en central kärna som fäster till en digital bländare. Fibrerna är lindade kring stödstavarna så att ytarean av lindnings fibrerna i kontakt med den katalytiska lösningen maximeras. Den nedre delen av spindeln innehöll en uppsättning av knivar för att införa kaotiska flödet. Den kaotiska flödet förhindrar agglomerering av katalysatorn.
En anpassad spännanordning ombord används för att skapa den parallella uppsättningen fibrer (figur 5B). Detta består av en styrelse med peggar gitarr tuning längs kanterna av brädet. Måtten på tavlan är oviktiga så länge tillräckligt stämskruvar är present för att spänna alla de fibrer som används i mönstret. Tillsatsen av ledpunkter för fibrerna är till hjälp för att förhindra fibrerna från böjning vid för stor för en vinkel på guiden plattan gränssnittet. Den mest utmanande delen av tillverkningen förfarandet är sannolikt den trådning av fibrerna för större mönster. Det är viktigt att vara organiserad vid gängning av fibrerna, se till att det finns gott om utrymme i trär nästa fibern.
För mönster med Mikrokanalplattor separationer under 50 um, är det möjligt att bryta ledplåtarna. Man måste vara försiktig i att ta bort överskott av katalysator från fibrerna som överskottet är ofta större i diameter än hålen plattan mönster. När du tar bort plattorna, måste PDMS som har läckt genom plattorna också tas bort, eftersom det kan ge ytterligare stress på plattorna när de tas bort.
Styrplåtarna tillverkades med laser mikrobearbetning. Denna process ger en lätt avsmalning till hole av plattan, vilket resulterar i en sida som har en något större öppning än den andra. Det är viktigt att ha den mindre öppningen vänd mot gjutlådan. Om mindre änden vänd bort från formen rutan, kan den ökade motståndet under borttagningen också bryta plattan.
Det är möjligt för pluggar av PLA stanna kvar i de mikrokanaler efter längre perioder av evakuering. Frekvent ugn och dammsugning kan lindra detta. Kvarvarande pluggar kan avlägsnas med kloroform så länge som kontakten är av en kort längd. Längre mikrovaskulära strukturer kan också bidra till att minska plug formationer som de ofta förekommer mot ändarna av en mikrokanal. Den extra längden kan tillåta proppen att bli avskurna från enheten.
Denna tillverkningsprocess är icke litografiska och kan anpassas till en rad olika befintliga tillverkningsmetoder. Användandet av ett uppoffrande mall möjliggör skapandet av komplexa tredimensionella mikrofluienheter. Den nära placeringen av mikrovaskulära mönstret användes för transport av gas mellan mikrokanaler i en gas-permeabel matris, men det är inte det enda potentiell tillämpning. Med den intima kontakten mellan mikrokanaler, blir mikroflödessystem värmeväxling i tre dimensioner även tillgänglig i stor skala med hjälp av denna tillverkningsprocessen. Det är också möjligt att avsiktligt gå med mikrokanaler för att framkalla kemisk reaktivitet. Denna tillverkningsprocessen möjliggjorde skapandet av biomimetiska system och kan användas för så många av en mängd olika applikationer som de som utförs av naturliga mikrovaskulära system.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har ansökt om en provisorisk patentansökan på denna teknik und US patent US provisoriska patentansökan nr 61/590, 086.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av AFOSR Young Investigator program inom FA9550-12-1-0352 och en 3M Icke-tenured Faculty Award. Författarna vill tacka Lalisa Stutts och Janine Tom för hjälp diskussion kring detta projekt. Författarna tackar Calit2 Mikroskopi Center och Laserspektroskopi Facility vid University of California, Irvine för att tillåta användning av sina anläggningar. Hodge Harland och UCI Physical Sciences Machine Shop är erkända för tillverkning av verktyg. Poly (mjölksyra) var sura fibrer generöst tillhandahålls 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).
