Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

ייצור מיקרופלואידי של סיבים פולימריים וביוהיברידים עם גודל וצורה מעוצבים מראש

Published: January 8, 2014 doi: 10.3791/50958
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2
1Center for Bio/Molecular Science & Engineering, US Naval Research Laboratory, 2Joint Department of Biomedical Engineering, North Carolina State University and University of North Carolina at Chapel Hill

Summary

שני נוזלים סמוכים העוברים דרך ערוץ מיקרופלואידי מחורץ יכולים להיות מכוונים ליצירת נדן סביב ליבת רב-אופן; ובכך לקבוע הן צורה והן חתך רוחב. פולמור Photoinitiated, כגון כימיה לחץ תיול, מתאים היטב לחיזוק במהירות את נוזל הליבה לתוך מיקרופייבר עם גודל וצורה קבועים מראש.

Abstract

נוזל "נדן" העובר דרך ערוץ מיקרופלואידי במספר ריינולדס נמוך יכול להיות מופנה סביב זרם "ליבה" אחר ומשמש להכתיב את הצורה, כמו גם את הקוטר של זרם הליבה. חריצים בחלק העליון והתחתון של ערוץ מיקרופלואידי תוכננו לכוון את נוזל הנדן ולעצב את נוזל הליבה. על ידי התאמת הצמיגות וההידרופיליות של הנדן ונוזלי הליבה, ההשפעות הבין-גזעיות ממוזערות וניתן להיווצר צורות נוזל מורכבות. שליטה בקצבי הזרימה היחסיים של הנדן ונוזלי הליבה קובעת את האזור החתך של נוזל הליבה. סיבים יוצרו בגדלים הנעים בין 300 ננומטר ל - ~ 1 מ"מ, וחתכים סיבים יכולים להיות עגולים, שטוחים, מרובעים או מורכבים כמו במקרה של סיבי עוגן כפולים. פילינג של נוזל הליבה במורד הזרם מאזור העיצוב מחזק את הסיבים. כימאים קליק Photoinitiated מתאימים היטב עבור פולמור מהיר של נוזל הליבה על ידי הקרנה עם אור אולטרה סגול. סיבים עם מגוון רחב של צורות הופקו מרשימה של פולימרים כולל גבישים נוזליים, פולי (מתילמתאקרילאט), תיול-ene ותיול-יין שרפים, פוליאתילן גליקול ונגזרות הידרוג'ל. גזירה מינימלית במהלך תהליך העיצוב ותנאי פולמור מתון גם עושה את תהליך הייצור מתאים היטב אנקפסולציה של תאים ורכיבים ביולוגיים אחרים.

Introduction

פיגומיםרקמה 1, חומרים מרוכבים2, תקשורת אופטית3, וחומרים היברידיים מוליך4 הם תחומי מחקר ניצול סיבי פולימר מיוחדים. שיטות קונבנציונליות לייצור סיבים כוללות הבלטה נמסה, ספינינג, ציור, יציקה ואלקטרוספינינג. רוב סיבי הפולימר המיוצרים בשיטות אלה מציגים חתכים עגולים שנוצרו על ידי מתח פנים בין הפולימר לאוויר במהלך הייצור. עם זאת, סיבים עם חתכים nonround עשוי לשפר את המאפיינים המכאניים של חומרים מרוכבים5,6, להגדיל את יחסי שטח הפנים לנפח, הרטבת בקרה או פתיל7, ולהיות מנוצל כמו waveguides8 או קיטובים9.

ייצור סיבי פולימר מיוחדים על ידי מערכות מיקרופלואידיות המשתמשות בזרם אחד (זרימת נדן) כדי להקיף ולעצב זרם אחר (זרימת ליבה) מושכים בגלל התנאים המתונים והיכולת לייצור מתמשך של סיבים הניתנים לשחזור. ניסויים ראשוניים ייצרו סיבים עגולים בגדלים התלויים בקצבי הזרימה היחסיים של נוזלי הקדם-דם והמעטפת10-12. הגילוי כי חריצים בחלק העליון והתחתון של הערוץ microfluidic יכול להסיט את הנדן כדי לייצר צורה קבועה מראש עבור זרם הליבה13,14 הוביל טכנולוגיה ליצירת צורות סיבים מורכבים יותר10-12,15-17.

חוקרי NRL הדגימו את התכונות הטכניות הקריטיות הבאות13-21:

  1. ניתן להשתמש במגוון תכונות עיצוב כדי לכוון את נוזל הנדן לעיצוב זרם הליבה: חריצים או רכסים ניתנים להגדרה ופסים, סוגריים זוויתיים או עצמות הרינג.
  2. ניתן למפות ארגז כלים של תכונות אלה לתוצאת הזרימה הרצויה.
  3. ניתן ליצור מיקרו-ערוצים באמצעות טכניקות ליתוגרפיה, דפוס, כרסום או הדפסה. אסור לחומרי המצע להתמוסס או לשחוק בפתרונות prepolymer או נדן, ועבור פולמריזציות פוטו-סיניות, השכבות החיצוניות חייבות להיות שקופות לאור אולטרה סגול.
  4. ניתן לשנות את הצורה שנוצרה על-ידי ערכה אחת של תכונות עיצוב על-ידי שינוי קצבי הזרימה דרך הערוץ. סימולציות COMSOL Multiphysics של זרימת נוזלים במיקרו-ערוצים מסוגלות לחזות את צורות הנוזלים והסיבים הנובעות מכך.
  5. התאמת הצמיגות והשלב (הידרופיליות) של הנדן ונוזלי הליבה היא קריטית כדי למנוע חוסר יציבות סוג קריסה, הנובע וריאציה בזן גזירה על פני ממשק הנוזל. אם יש צמיגות גדולה או אי התאמה שלב קריסה צמיג יכול להתרחש, אולי מעוות את צורת הסיבים הסופית או אפילו סתימת microchannel.
  6. סיבים יכולים להיווצר על ידי יציקה או פולמור, אבל פולמור מספק שליטה רבה יותר על הצורה.
  7. פילינג (התגבשות נוזל הליבה) חייב להתרחש לפני היציאה מהמיקרו-שנל. עם זאת, פולמור איטי יותר בתוך הערוץ עלול לגרום לעלייה בצמיגות, להשפיע על צורת הסיבים או אפילו סתימת הערוץ. יש לשלוט בקפידה בזמן ובמיקום של אירועי פולמור.
  8. בשל קינטיקה התגובה המהירה שלהם, פולמריזציות רדיקלים חופשיים הנגרמת על ידי צילום, במיוחד כימאים קליקים מבוססי תיול, מתאימים במיוחד לייצור סיבים.
  9. ניתן לשנות את קצבי הזרימה היחסיים במהלך הייצור כדי ליצור קטרים סיבים שאינם אחידים.
  10. ניתן לשלב קבוצות מרובות של תכונות עיצוב בערוץ יחיד מהסיבות הבאות:
    1. כדי להפריד בין פונקציות העיצוב והגודל
    2. כדי ליצור סיבים רב שכבתיים או חלולים
    3. כדי לייצר סיבים מרובים מערוץ מיקרופלואידי יחיד
  11. מזוזות גביש נוזלי המשולבות בפולימר בריכוזים נמוכים מאוד מפגינות בירפרינגנס תחת אור מקוטב, דבר המצביע על כך שניתן ליישר מולקולות פולימר לאורך ציר הסיבים.
  12. תאים יכולים להיות משולבים prepolymers הידרוג'ל תאימות ביולוגית ולשרוד את תהליך הייצור עם כדאיות גבוהה22.

בעת ייצור סיבי פולימר באמצעות התמקדות הידרודינמית על ידי זרם נדן לעצב זרם prepolymer, מבחר של חומרים פולימריים הוא צעד ראשון מעשי. יש לזהות את הפולימרים המתאימים, כימאים יוזמים מתאימים ונוזלי נדן במסגרת ההנחיות הבאות:

  1. נוזלי פולימר ומעטפת הם מוטעים והם בעלי צמיגות דומה. לדוגמה, פתרון מונומר מימי יכול לנצל מים כמו נוזל נדן קיימא, אבל לא יכול להעסיק הקסאן כמו נוזל נדן.
  2. מנגנון הפולמליזציה חייב להיות מהיר מספיק קינטיקה קצב כדי לחזק את נוזל הליבה לאחר עיצוב ומיד לפני הסיבים יוצא הערוץ.

לאחר בחירת החומרים, יש לעצב מיקרו-שנל ליצירת צורת הסיבים והגודל הרצויים. כדי לקבוע את תכונות העיצוב הנדרשות (פסים, עצמות הרינג, סוגריים זוויתיים), ניתן להשתמש בתוכנת דינמיקת נוזלים חישובית כדי לחזות את דפוסי זרימת הנוזלים. תכונות העיצוב מעבירות את נוזל הנדן סביב נוזל הליבה. באופן כללי, פסים מזיזים את נוזל הנדן לרוחב החלק העליון והתחתון של הערוץ מצד לצד, ואילו עצמות הרינג ושברונים מזיזים את הנוזל מהצדדים לכיוון החלק העליון ו/או התחתון של הערוץ ואז חוזרים לכיוון מרכז הערוץ ישירות מתחת לנקודת המבנה. מספר החריצים החוזרים על עצמו בחלק העליון והתחתון של הערוץ משפיע על המידה שבה נוזל הנדן מופנה. היחס בין קצבי הזרימה של הליבה ונוזל הנדן גם לתווך את האפקט. סימולציות באמצעות תוכנת COMSOL Multiphysics הוכיחו אמינות בהערכת האינטראקציות של תכונות העיצוב ויחסי קצב הזרימה כדי לחזות את הצורה החתך. סימולציות אלה מספקות גם תובנה שימושית על דיפוזיה של מסיסות בין הליבה למעטפת עם גודל הערוץ, צמיגות וקצבי זרימה המוצעים.

אם רצויה צורה מורכבת, כגון "העוגן הכפול" המתואר ב- Boyd et al. 23, כדאי להפריד את הפונקציות של עיצוב וגודל. צורה מורכבת יכולה להיווצר עם קבוצה אחת של תכונות ולאחר מכן מבנה בעל חריץ יחיד הממוקם אסטרטגית בכניסה לזרם נדן שני יכול לשמש להקטנת האזור החתך של הזרם הניתן לפולימריז מבלי לשנות באופן משמעותי את צורתו.

דוגמה נוספת לתכנון מיקרו-ערוצי מורכב יכולה ליצור סיבים רב שכבתיים. בעיצוב זה, ערכות רציפות של תכונות עיצוב ונוזלי חיפוי נוספים מוצגים. זרימות קונצנטריות אלה יכולות להתגבש לסיבים מוצקים לחיפוי ליבה או לצינורות חלולים. דוגמה של התקן זה תוצג להלן.

לאחר העיצוב של המכשיר microfluidic נבחר, תהליך ייצור microchannel יכול להתחיל. כלי הייצור שניתן להשתמש בהם כוללים ליתוגרפיה רכה, כרסום CNC, הבלטה חמה והדפסה בתלת-ממד. ללא קשר לכלים המשמשים, חשוב להבין כי תכונות שהוכנסו בטעות לתוך הקיר של הערוץ microfluidic גם לכוון את זרימת הנדן ועלול לגרום סטיות לשחזור מאוד בצורה חתך של כל הסיבים שנעשו באמצעות מכשיר זה. חומרים מצע Microchannel צריך גם להיבחר בקפידה להיות חזק פיזית, אינרטי מבחינה כימית, ועמיד בפני נזק UV. לדוגמה, polydimethylsiloxane (PDMS) ניתן ללהק בקלות, מספק אטמים דמויי אטם, והוא UV שקוף; PDMS שימושי לחלק העליון השקוף של הערוץ, אך לא לצדדים ולתחתית הערוץ, הזקוקים לנוקשות רבה יותר.

בסופו של דבר, על ידי החדרת נוזלי הליבה והמעטפת שנבחרו כראוי בקצבי הזרימה החזויים על ידי סימולציות דינמיקת הנוזלים, תכונות העיצוב ייצרו את פרופיל הנוזל המתאים ומנורת הריפוי UV במורד הזרם תחזק את סיבי הפולימר המעוצבים. שחול מתמשך של סיבים פולימריים מהערוץ יכול לספק סיבים לשחזור באורכים מוגבלים רק על ידי נפח מאגרי הנוזלים.

Protocol

פרוטוקול זה מתאר את הייצור של סיב חלול באמצעות כימיה תיול-yne פוטוניזציה קליק. המיקרוצ'נל כולל חריצי שברון או "פסים" כתכונות עיצוב בחלק התחתון והחלק העליון של הערוץ (איור 1). שלושה נוזלים מוצגים ומכוונים בנחלים קונצנטריים; מזרמי הנוזלים הפנימיים והחוציים, אלה מכונים ליבה, חיפוי ונוזל נדן. רק זרימת החיפוי הוא פולימר כדי ליצור את הסיבים החלולים. החומרים שנבחרו הם כדלקמן:

  1. נוזל ליבה: PEG (M.W. = 400), ~ 100 mPa. שניה (20ºC)
  2. נוזל חיפוי: תיול-יין פולימר (PETMP + ODY), יוזם (DMPA)
  3. נוזל נדן: PEG (M.W. = 400), ~ 100 mPa. שניה (20ºC)

המכשיר המיקרו-ערוצי הורכב מחלקי אלומיניום ופלסטיק שהומצאו על ידי כרסום CNC ויציקת PDMS. זרימה דרך המיקרו-שנל נשלטה על ידי שלוש משאבות מזרק.

1. תכנון וסימולציה של מיקרוצ'נל

בעת חישוב מהירות נוזלים והן הסעה /דיפוזיה בתוך המיקרו-ערוצי, חיוני להקצות את הצמיגות המתאימה לכל נוזל נכנס.

  1. צור מודל ממוחשב של המיקרו-שנל הרצוי לייבוא לתוכנת דינמיקת הנוזלים החישובית (COMSOL). הדוגמה באיור 1 נוצרה באמצעות תוכנת Autodesk Inventor CAD. השלבים הבאים מתייחסים לשימוש במולטי-פיזיקה של COMSOL לחישוב זרימת נוזלים בתוך מיקרו-שנל.
  2. לאחר ייבוא המיקרו-שנל המתוכנן לתוך COMSOL, ניתן להכניס את קצבי זרימת הנוזלים האיטרטיביים לפותר Navier-Stokes.
    1. אתחל את הגדרת התוכנית ובחר באפשרות 'זרימה למינארית תלת-ממדית'+משוואות הסעה/דיפוזיה. המספרים הנמוכים של ריינולדס שנוצרו במיקרו-ערוצים מאפשרים זרימה למינארית מלאה בתוך המכשיר.
    2. עצב רשת שינוי של רכיב סופי שעליה יש לבצע את החישובים המספריים. רשת השינוי צריכה להיות מעודנת יותר (יש חלוקות קטנות) באזורים שבהם המאפיינים משתנים במהירות. מומלץ לחדד את רשת שינוי הן את תכונת העיצוב והן את היציאה <1 מיקרומטר בצד אורך. זה מספק הדמיה "חדה" של ממשק נוזל הליבה-נדן.
    3. תכונות חומר קלט עבור זרימת נוזלים, כלומר צמיגות, קבוע דיפוזיה, וריכוז. בשלב זה, גם להגדיר את תנאי הגבול עבור זרימת היציאה. אנו מציעים אפס מתח צמיג כדי לדמות שקע פתוח.
    4. חשב מחקרי מהירות זרימת נוזלים על-ידי רכיבה איטרטיבית על סדרה של קצבי זרימת קלט. לדוגמה, נוזל ליבה = 7.5 μl / min, נוזל נדן = 30 μl / min.
    5. יבא את פתרונות שדה המהירות כערכים ההתחלתיים לפתרון מאפייני הסעה/דיפוזיה של זרימת המיקרו-ערוצים. הפתרון לבעיות הסעה/דיפוזיה ימחיש את ממשק נוזלי הליבה-נדן ויסייע בחיזוי צורת זרימת הנוזלים הסופית והסיבים המיוצרים.

מהתוצאות החישוביות, ניתן לחזות את המספר והסוג הנדרשים של תכונות עיצוב כדי להשיג את צורת הסיבים הרצויה. תשומות קצב זרימת הנוזלים יתואמו גם לקצבי הזרימה הנדרשים ליצירת הסיבים. עם תחזיות אלה, מכשיר microchannel יכול להיות מפוברק עבור שחול של סיבי פולימר.

2. ייצור רכיבי מנגנון זרימה נדן

שילוב של מיקרומילינג ישיר, הבלטה חמה ו/או יציקת פולימרים יכול לשמש ליצירת הרכיבים של התקן זרימת הנדן. בהתאם למשאבים, בחר את האסטרטגיה בהתאם. הדוגמה המוצגת היא תהליך כרסום ישיר המשתמש בקוד מספרי של מחשב (CNC). ישנן חמש שכבות שניתן ליצור (מלמעלה למטה), המתוארות באיור 2: 1. צ'אק מפרצון (אלומיניום), 2. צלחת הידוק (אלומיניום), 3. שכבה עליונה מיקרו-ערוצית (קופולימר אולפין מחזורי, COC או PDMS), 4. שכבה תחתונה מיקרו-ערוצית (קטון אתר COC או פוליאטר, PEEK), 5. צלחת הידוק (אלומיניום). (קבצים לדוגמה עבור כרסום ישיר זמינים בתבנית *.stl במידע התומך)

  1. באמצעות תכנון התואם להדמיות COMSOL, פתח מודל תלת-ממדי של המערכת באמצעות שרטוט בעזרת מחשב (CAD). צור קובץ CAD נפרד עבור כל שכבה של ההתקן.
  2. כאשר שכבה היא להיות מפוברק באמצעות micromilling ישיר, לייבא את דגמי CAD לתוך מחשב עזר יישום עיבוד שבבי כדי ליצור קוד מספרי (NC) כי יתפרשו על ידי מחשב מבוקר מספרית (CNC) טחנה כדי לייצר את המכשיר.
  3. לרכוש 5 גיליונות של 30.5 ס"מ × 30.5 ס"מ חומרי שכבה הקרבה כי הם מינימום של 3.2 מ"מ עובי.
  4. לרכוש גיליון אחד של COC, PEEK, אלומיניום, ופולי (מתילמטהקרילט) כי הם 30.5 ס"מ × 30.5 ס"מ ו 3.2 מ"מ עובי.
  5. לרכוש 1 גיליון של אלומיניום כי הוא 30.5 ס"מ × 30.5 ס"מ ו 9.5 מ"מ עובי.
  6. הדבק כל אחד מהסדינים בשלבים 2.4-2.5 לגליון של מלאי הקרבה משלב 2.3 עם דבק דו-צדדי. ודא שקיימת לכל היותר גבול חיצוני לא מודבק של 2.5 ס"מ. הקלטת משמשת להחזיק את חומר העבודה במקום תוך כדי טחון ולהגן עליו ברגע שהחלק הטחון נחתך מחומר המלאי בסוף מחזור הטחנה.
  7. הדק את מלאי ההקרבה של COC + לטבלה של CNC Mill, טען את הכלים המצוטטים בקוד המספרי (NC) וכייל את הכלים והמלאי (עבודה) בחומרים ב- x, y ו- z.
  8. טען את קוד ה- NC וטחן את שכבת ה- COC.
  9. הסר את גליון החומר מהטחנה והסר בזהירות את החלק במכונה מהמצע. במהלך תהליך זה, קירור טחנה יהיה להרוות את החלק ואת המניה. יש לשטוף היטב לפני מסירים בעדינות את החלק. לשטוף עם חומר ניקוי קל, ואחריו כביסה עם 70% אלכוהול איזופרופיל. חומר הניקוי המתון יסיר שאריות שמנוניות, והאלכוהול יסיר שאריות דבק. אם burrs לכודים במיקרוארכיטקטורים, sonication עשוי להיות נחוץ כדי לעקור אותם.
  10. חזור על שלבים 2.7 ו- 2.9 עבור כל אחת מהשכבות האחרות שישמשו ליצירת התקן זרימת המעטפת.
  11. למעט שכבת PMMA, כל אחת מהשכבות שהוכנו עד לנקודה זו תשמש ישירות בהתקן. PMMA ישמש להכנת שכבת PDMS על ידי שילוב של 10 חלקים בסיס Sylgard 184 עם סוכן ריפוי 1 חלק ערבוב ביסודיות על ידי ערבוב. מידע זה מסופק במקרה אחד מעדיף להחליף את אחת משכבות COC עם חומר PDMS דמוי אטם.
  12. יוצקים את Sylgard 184 לתוך חלל עובש PMMA שהוכן קודם לכן, להבטיח כי בועות אוויר בוטלו. במידת הצורך, בועות ניתן להסיר בוואקום. PDMS ניתן לרפא בטמפרטורת החדר במשך 48 שעות, 45 דקות ב 100 מעלות צלזיוס, 20 דקות ב 125 מעלות צלזיוס, או 10 דקות ב 150 מעלות צלזיוס.

3. הרכבת מנגנון זרימה נדן

  1. הרכב את התקן זרימת המעטפת מלמטה למעלה על-ידי הנחת לוח הידוק אחד בתחתית, לאחר מכן את שכבת ה- COC ואחריה את שכבת ה- COC השנייה ואת לוח ההידוק הנותר (איור 2). ודאו שהחריצים המעצבים מתיישרים זה עם זה לאורך קצות הערוץ ושהגאומטריות בעיצוב הנוזלים בשכבות ה-COC חופפות באופן מושלם. מיקרוסקופ ניתוק יכול לשמש כדי לסייע ביישור.
  2. הכנס ברגים למרכז ההתקן, והדק את האגוזים והברגים כדי להדק את ההתקן יחד.
  3. לסירוגין משמאל לימין מרכז, חזור על שלב 3.2 מהמרכז החוצה כדי לנעול את היישור ולמנוע דליפות. מוסיפים את צ'אק המפרצון כשמגיעים לחורי ההרכבה שלו וממשיכים להרכיב את הברגים בצורה לסירוגין.
  4. השתמש באביזרי HPLC סטנדרטיים כדי לממשק את התקן זרימת הנדן לצינורות ומזרקים המכילים נוזל נדן ותמיסת prepolymer. הידוק ידיים מספיק לכל החיבורים.
  5. התקן את ההתקן אנכית באמצעות מעמד טבעת ומהדק. ודא שההתקן אנכי באמצעות רמה בחלק העליון. אם התקן זרימת הנדן אינו אנכי, הסיבים עלולים לגעת בקיר המיקרו-ערוצי ולגרום ל סתימה.
  6. מקם את מקור UV בניצב ~ 1 ס"מ מפני COC של התקן זרימת נדן כך האחרון 3-5 ס"מ של microchannel מוקרן. מקור UV צריך להיות מכויל כדי לספק ~ 200 mW / cm2.

4. הכנת פתרון

כפי שצוין קודם לכן, חומרים רבים יכולים לשמש ליצירת מיקרופייברים באמצעות פרוטוקולים מקבילים ומערכות זרימת נדן, אבל כימיה thiol-yne משמש כאן. הכן את הפתרון prepolymer מיד לפני תחילת תהליך שחול סיבים, כדי למנוע את הגידול צמיגות שעלולה להתרחש לאורך זמן באחסון.

  1. הכן aliquot של פוליאתילן גליקול 400 (PEG 400) לשמש נוזל נדן.
  2. ממלאים מזרק 1 מ"ל מצופה לואר עם PEG 400 כדי לשמש נוזל ליבה שאינו ניתן למימוש, וממלאים מזרק 30 מ"ל מצופה לואר עם PEG 400 לשמש נוזל נדן.
  3. הכן פתרון prepolymer המכיל 0.01 מול pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate (PETMP) ו 0.01 מול 1,7-octadiyne (ODY). ודא כי שני המרכיבים מעורבבים היטב לאורך כל הניסוי, למזער את החשיפה של כל ריאגנטים prepolymer למקורות של אור UV, כולל אור הסביבה(למשל לעטוף מזרקים עם רדיד אלומיניום).
  4. להשלים את הפתרון PETMP / ODY עם 4 x10 -4 מול 2,2-דימטוקסי-2-פנילקטופנון (DMPA) פוטוניטיטור. המשך להבטיח כי הפתרונות מעורבבים היטב, וכי הם אינם חשופים לאור UV על ידי כיסוי המכולות עם רדיד אלומיניום.
  5. טען מזרק אלומיניום 5 מ"ל עטוף בנייר אלומיניום עם תמיסת prepolymer.

5. הפקת מיקרופייבר (מוקד וידאו)

  1. ודאו שהשקע של הערוץ המיקרופלואידי נמצא במגע עם פתרון באמבטיית האיסוף(איור 3). עבור מבנים מורכבים, הפתרון באמבט האיסוף צריך להיות צמיגות תואמת לליבה ונוזלים נדן, אבל עבור סיבים חלולים פשוטים, מים מספיקים.
  2. הגדר את הליבה, חיפוי, ומשאבות מזרק נוזל נדן להחדיר ב 1, 30, ו 120 μl / min, בהתאמה. ודא כי קטרים מזרק בהתאמה הוזנו כראוי לתוך משאבות מזרק.
  3. הר את המזרקים לתוך משאבות המזרק המקביל שלהם ולחבר אותם למכשיר זרימת נדן עם צינורות טייגון מגן UV.
  4. הפעל את נוזל הנדן כדי להניע את התקן זרימת הנדן ולחסל את האוויר מהמערכת. בדוק ויזואלית את המיקרו-שנל, כדי להבטיח שלא יישארו בועות אוויר במיקרו-שנל לפני שימשיך לשלב הבא. שים לב במיוחד לפסים. מיקרוסקופ ניתוח עשוי לשמש כדי לסייע בבדיקה מיקרו-ערוצית. אם בועות אוויר קיימות, הסעיר את ההתקן על-ידי סיבוב ו/או הקשה בעדינות בזמן הזרימה כדי לשטוף בועות אוויר מהמכשיר.
  5. התחל את נוזל החיפוי, גם מאפשר את הזרימה להתייצב. ודא כי אין בועות אוויר להישאר microchannel לפני הולך לשלב הבא. שימו לב במיוחד לחריצים המעצבים. אם בועות אוויר קיימות, להתסיס את המכשיר בזמן תחת זרימה כדי לשטוף את בועות האוויר מתוך המכשיר.
  6. לבסוף, להתחיל את נוזל הליבה; שוב, ודא כי בועות אינן קיימות במערכת.
  7. הפעל את מקור ה- UV והתבונן באמבט האיסוף לייצור רציף של המיקרופייבר החלול(איור 4A)כשהוא נפלט עם נוזל הנדן. אחזרו את הסיבים מאמבטיית הקולקציה באמצעות מרית שונה או לולאת חיסון, ואפשרו לאסוף את הסיבים הרציפים על סליל ממונע(איור 3).

Representative Results

עיצוב דו-שלבי פשוט, תוך שימוש בעיצוב חריצים ושלוש כניסות לפתרון, שימש ליצירת סיבים חלולים (איור 1). סימולציות COMSOL שימשו לקביעת יחסי קצב הזרימה המתאימים כדי להשיג את הגודל החתך הרצוי (איור 1, וידאו ESI). שילוב של כרסום ויציקת ייצר את הרכיבים למכלול זרימת הנדן כדי לייצר את הסיבים (איור 2). ההרכבה המלאה כללה את התקן הזרימה נדן, לייזר UV מצמד סיבים אופטיים, שלוש משאבות מזרק, אמבט איסוף (beaker), סליל איסוף סיבים (איור 3).

פולמור של חומר החיפוי היה ביוזמת מקור אור UV, וסיבים חלולים הוצאו מהמיקרוצ'נל לאמבטיית האיסוף. הסיב נוצר ונאסף ברציפות עד שאור ה- UV כבה. ייצור הסיבים נמשך דקות ויצר סיב בודד באורך של מטר. סיבים שנעשו בתנאים אלה היו כ 200 מיקרומטר קוטר. מבנה הסיבים המחיש באמצעות מיקרוסקופ אופטי ואלקטרון. לסיבים הייתה צורה אליפטית עם ליבה חלולה. פעולה נימי שימשה להחדרת נוזלים ובועות לפנים הסיבים ואישרה כי המבנה החלול היה רציף לאורך הסיבים(איור 4A).

Figure 1
איור 1. תכנון התקן זרימה נדן ונתוני COMSOL. התקן הייצור בן שני החלקים עם חריצים ישרים נבחר לייצר סיב חלול (מסובב על ציר x 45°). סימולציות COMSOL משמאל ממחישות כיצד יחסי הליבה:חיפוי:קצב זרימה של מעטפת (מספרים מתחת לכל סימולציה) משפיעים על הגודל הסופי של הסיבים החלולים. חתך המיקרו-ערוצי הוא 1 מ"מ x 0.75 מ"מ, והפסים ברוחב 0.38 מ"מ ובעומק של 250 מיקרומטר. הפסים הם ב ∠45° יחסית לערוץ.

Figure 2
איור 2. תצוגה מופרדת של מכלול זרימת נדן. מלמעלה למטה, (A) צ'אק מפרצון, (B) צלחת הידוק, (C) כיסוי microchannel, (D) בסיס מיקרו-ערוצי, (E) צלחת הידוק. הרכיבים מיוצרים מאלומיניום, אלומיניום, COC (או PDMS), COC (או PEEK) ואלומיניום, בהתאמה. החורים במרווחים קבועים מתאימים לברגים להרכבה.

Figure 3
איור 3. תמונה של פריסה ו מבט כולל על סכמטי. ההתקנה כוללת מכלול זרימת נדן מאובטח אנכית מעל הכומתה המכילה אמבט מים, לייזר סיבים אופטיים לצילום, שלוש משאבות מזרק, ציר לאיסוף סיבי פולימר. Inset מראה הרכבה ייצור עם תאורת UV. (A) נדן ומפרצוני ליבה, (B) ערוץ מיקרופלואידי, (C) אור UV, (D) מאגר איסוף, (E) סיבים פולימריים שנאספים.

Figure 4
איור 4. תמונות מיקרוגרף אלקטרונים אופטי וסורק של סיבים שנעשו באמצעות התמקדות הידרודינמית. סיבים כבר מפוברק בצורות הבאות באמצעות התמקדות הידרודינמית: (A) צינורות חלולים, (B) סרטים מלבניים, (C) סרטים אלסטיים דקים, (D) משולשים, (E) שעועית כליות, (F) מחרוזת פנינים, (G) סיבים עגולים עם nanofiber פחמן מוטבע, ו - (H) עוגן כפול בצורת. הסיבים עשויים מחומרים שונים כולל אקרילאטים, מתאקרילאטים ותיל-enes.

וידאו ESI. חלקת פרוסה המיוצרת במולטי-פיזיקה של COMSOL המתארת מחצית אחת של מיקרו-שנל עם נוזלי ליבה, חיפוי ומעטפת הנכנסים להתקן וחוצים את חריצי הפס האלכסוניים בעלי שני השלבים. הליבה, החיפוי וקצבי הזרימה המדומים הם 1, 28 ו- 256 μl/min, בהתאמה. הסרטון מייצג ~ 6 שניות בזמן אמת, האט פי 6 למטרות המחשה.

Discussion

ייצור סיבי פולימר באמצעות גישת זרימת נדן יש יתרונות רבים בהשוואה לטכניקות ייצור סיבים אחרים. אחד היתרונות הללו הוא היכולת לפברק סיבים באמצעות שילובים ריאגנטיים שונים. למרות שילוב תיול-yne ספציפי הוצג כאן, כמה לחץ תיול אחרים (כולל תיול-ene) שילובי כימיה לעבוד באותה מידה. מגוון רחב של שילובים אחרים ניתן להעסיק כדי לייצר סיבים כל עוד פתרון נדן הוא miscible עם חומר הליבה להיות פולימריזציה. תכלילים כגון nanofibers, חלקיקים, ותאים אפשריים גם כל עוד התרומות של תוספים אלה צמיגות של הפתרון prepolymer נלקחים בחשבון.

כימיה ת'יול קליק היא תת קבוצה של משפחת הכימיה קליק שבו קומפלקס עם קבוצת תיול יכול להיות מחובר covalently למתחם עם או אלקין (קשר כפול) או אלקין (קשר משולש) קבוצה פונקציונלית על ידי פוטופוליזציה אור UV. תגובות המערבות אלקנס נקראות תגובות תיול-ene, ותגובות המערבות אלקינים נקראות תגובות תיול-יין. קשר פאי אחד (מאלקין או אלקין) יתחבר לקבוצת תיול אחת עם הקרנת אור UV. התהליך משתלב היטב במשפחת התגובות הקליקות ומשמש ביעילות בערוץ המיקרופלואידי שלנו לייצור סיבים בצורות שונות(למשל עגול, בצורת סרט, עוגן כפול) מרכיבי התחלה רבים של קליקים על תיול.

יתרון ספציפי לשיטה המתוארת כאן בהשוואה לרוב התהליכים הדומים האחרים הוא היכולת לשלוט הן בצורה והן בגודל הסיבים המיוצרים (איורים 4A-H). על-ידי עיצוב ערוץ בעל פסים, סוגריים זוויתיים או עצמות הרינג, לסיבים המיוצרים תהיה צורת חתך שונה. באופן כללי, הפסים שימושיים לייצור צורות עגולות או להכנסת זרמי נדן נוספים כדי לכתר לחלוטין נחלים בצורת הקודם ולהרחיק אותם מקירות התעלה לפני הפולימור. הסוגריים הזוויתיים מפחיתים את הממד האנכי במרכז הזרם המעוצב ושומרים על הסימטריה האופקית. עצמות הרינג מפחיתות את הממד האנכי של צד אחד של הזרם המעוצב, ויוצרות אסימטריה. ניתן לערבב כלי עיצוב אלה באינספור שילובים. מספר התכונות המקבילות (כלומר 7 סוגריים זוויתיים לעומת 10 סוגריים זוויתיים) יכול לשמש גם לייצור סיבים עם פרופילים חתך שונים.

בנוסף ליכולת לשלוט בצורת הסיבים, מתודולוגיית ייצור הסיבים המוצגת מאפשרת גם את היכולת לשלוט בגודל הסיבים המפוברקים, אפילו באמצעות מכלול זרם נדן יחיד (למשל איור 1). התאמת יחס קצב הזרימה של הנדן:הליבה היא אמצעי אחד לייצור סיבים עם אזורים חתוכים שונים. ניתן גם לשלוט בגודל הסיבים על ידי התאמת עיצוב הערוץ כדי לקבל שלבי נדן נוספים. בין אם העיצוב מתרחש בשלב אחד או יותר, ניתן להשתמש בשלב סופי פשוט כדי להקטין את גודל הליבה מבלי לשנות את הצורה.

הקלות שבה ניתן להשתמש במגוון שילובים ריאגנטיים כדי לייצר סיבים בצורות וגדלים שונים באמצעות עיצוב ערוץ מיקרופלואידי זה תוכיח שימושית במגוון רחב של יישומים, מהנדסת רקמות לתקשורת אופטית ועד טקסטיל חכם.

Disclosures

הפטנטים המפורטים בהתייחסויות זמינים לרישיון ממחלקת הצי(http://www.nrl.navy.mil/doing-business/tech-transfer/).

Acknowledgments

דריל בויד ומייקל א. דניאלה הם עמיתי פוסט דוקטורט במועצת המחקר הלאומית. העבודה נתמכה על ידי יחידות עבודה ONR /NRL 4286 ו- 9899. הדעות הן של המחברים ואינן מייצגות את דעתו או מדיניותו של חיל הים האמריקאי או משרד ההגנה האמריקאי.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate Sigma-Aldrich 381462 See references
1.7-Octadiyne Sigma-Aldrich 161292 See references
2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone Sigma-Aldrich 196118 See references
Polyethylene glycol 400 Sigma-Aldrich 202398 Polyethylene glycol 200 or 600, dextrose, or glycerol may be substituted
Sylgard 184  Sigma-Aldrich 761036 QSIL 216, OptiTec 7020, or GS RTV 615 may be substituted
Table of Specific Equipment
MiniMill Haas MINIMILL Any NC code interpreting 2.5 axis (or higher) mill may be substituted
Syringe pumps (3) Harvard Apparatus 702212 Syringe pumps that can be programmed to deliver the desired volume flow rates may be substituted
Tygon tubing (3 m) Fisher Scientific 14-169-13A NA
PEEK tubing Upchurch Scientific 1435 NA
HPLC fittings Upchurch Scientific 1457 NA
BlueWave 200 UV lamp with stand and light guides Dymax 38905; 38477; 39700 Any guided UV source that delivers 300-450 nm, >200 mW/cm2 may be substituted
500 ml beaker Fisher Scientific FB-100-600 Any vessel of approximately the same size and shape may be substituted
Ring stand Fisher Scientific S47807 Any ring stand capable of mounting a clamped sheath flow apparatus above the level of the syringe pumps may be substituted
Ring stand clamp holder (2) Fisher Scientific S02625 Any ring stand clamp holder capable of holding the clamps may be substituted
Ring stand clamps (2) Fisher Scientific 02-216-352 Any ring stand clamp capable of holding the clamped sheath flow apparatus and light guides may be substituted
1, 5, and 60 ml Syringes Fisher Scientific 14-823-16H; 14-823-16D; 14-820-11 Any syringe with known inner diameter and sufficient volume may be substituted
Poly(methylmethacrylate) (3.2 mm) McMaster-Carr 8560K239 Polycarbonate and cyclic olefin copolymer may be substituted
Polyether ether ketone (3.2 mm) McMaster-Carr 8504K25 Solvent resistant machinable materials may be substituted
Aluminum (3.2, 9.5 mm) McMaster-Carr 1651T41; 9246K23 Substitute other materials as needed

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Khademhosseini, A., Langer, R., Borenstein, J., Vacanti, J. P. Microscale technologies for tissue engineering and biology. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 2480-2487 (2006).
  2. Blond, D., McCarthy, D. N., Blau, W. J., Coleman, J. N. Toughening of artificial silk by incorporation of carbon nanotubes. Biomacromolecules. 8, 3973-3976 (2007).
  3. Aykut, Y., Saquing, C. D., Pourdeyhimi, B., Parsons, G. N., Khan, S. A. Templating quantum dot to phase-transformed electrospun TiO(2) nanofibers for enhanced photo-excited electron injection. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 3837-3845 (2012).
  4. Puigmarti-Luis, J., Schaffhauser, D., Burg, B. R., Dittrich, P. S. A Microfluidic Approach for the Formation of Conductive Nanowires and Hollow Hybrid Structures. Adv. Mater. 22, 2255-22 (2010).
  5. Edie, D. D., Fox, N. K., Barnett, B. C., Fain, C. C. Melt-spun noncircular carbon-fibers. Carbon. 24, 477-482 (1986).
  6. Park, S. J., Seo, M. K., Shim, H. B. Effect of fiber shapes on physical characteristics of non-circular carbon fibers-reinforced composites. Mater. Sci. Eng. A Struct. 352, 34-39 (2003).
  7. Haile, W. A., Phillips, B. M. Deep grooved polyester fiber for wet lay applications. Tappi. 78, 139-142 (1995).
  8. Yamada, J. Radiative properties of fibers with non-circular cross sectional shapes. J. Quant. Spectrosc. Ra. 73, 261-272 (2002).
  9. Kopp, V. I., et al. Chiral fiber gratings. Science. 305, 74-75 (2004).
  10. Thangawng, A. L., Howell, P. B., Richards, J. J., Erickson, J. S., Ligler, F. S. A simple sheath-flow microfluidic device for micro/nanomanufacturing: fabrication of hydrodynamically shaped polymer fibers. Lab Chip. 9, 3126-3130 (2009).
  11. Thangawng, A. L., Howell, P. B., Spillmann, C. M., Naciri, J., Ligler, F. S. UV polymerization of hydrodynamically shaped fibers. Lab Chip. 11, 1157-1160 (2011).
  12. Thangawng, A. L., et al. A hard microflow cytometer using groove-generated sheath flow for multiplexed bead and cell assays. Anal. Bioanal. Chem. 398, 1871-1881 (2010).
  13. Mott, D. R., Howell Jr,, B, P., Obenschain, K. S., Oran, E. S. The Numerical Toolbox: An approach for modeling and optimizing microfluidic components. Mech. Res. Commun. 36, 104-109 (2009).
  14. Mott, D. R., et al. Toolbox for the design of optimized microfluidic components. Lab Chip. 6, 540-549 (2006).
  15. Howell Jr,, B, P., Ligler, F. S., Shields, A. R. Sheath fow device and method. United States patent US20110193259. , (2011).
  16. Howell, P. B., Ligler, F. S., Shields, A. R. Creating sheathed flow for applications e.g. particle counting, by introducing sheath and core streams at proximal end of channel that creates multiple sheathed flows, and polymerizing multiple sheathed flows to form multiple fibers. United States patent US2011193259-A1. , (2009).
  17. Mott, D., Howell Jr,, B, P., Ligler, F. S., Fertig, S., Bobrowski, A. Sheath flow device and method. United States patent US20090208372. , (2009).
  18. Daniele, M. A., et al. Rapid and continuous hydrodynamically controlled fabrication of biohybrid microfibers. Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2012).
  19. Howell, P. B., Mott, D., Golden, J. P. Numerical toolbox for design of fluidic components and systems. United States patent US20080221844. , (2008).
  20. Shields, A. R., et al. Hydrodynamically directed multiscale assembly of shaped polymer fibers. Soft Matter. 8, 6656-6660 (2012).
  21. Boyd, D. A., Shields, A. R., Naciri, J., Ligler, F. S. Hydrodynamic shaping, polymerization, and subsequent modification of thiol click fibers. ACS Appl. Mater. Inter. 5, 114-119 (2012).
  22. Daniele, M. A., et al. Rapid and Continuous Hydrodynamically Controlled Fabrication of Biohybrid Microfibers. Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2013).
  23. Boyd, D. A., Shields, A. R., Howell, P. B., Ligler, F. S. Design and fabrication of uniquely shaped thiol-ene microfibers using a two-stage hydrodynamic focusing design. Lab Chip. 13, 3105-3110 (2013).

Tags

הנדסה ביולוגית גיליון 83 התמקדות הידרודינמית סיבי פולימר ביוהיבריד microfabrication זרימת נדן לחץ על כימיה
ייצור מיקרופלואידי של סיבים פולימריים וביוהיברידים עם גודל וצורה מעוצבים מראש
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Boyd, D. A., Adams, A. A., Daniele,… More

Boyd, D. A., Adams, A. A., Daniele, M. A., Ligler, F. S. Microfluidic Fabrication of Polymeric and Biohybrid Fibers with Predesigned Size and Shape. J. Vis. Exp. (83), e50958, doi:10.3791/50958 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter