Her presenterer vi en protokoll for å dikte fritt-svevende, micron / sub-mikron skala polymerfibre og "web-lignende" strukturer som genereres via automatisert direkte prosedyre skriving ved hjelp av en 3-akse utleveringssystemet.
A 3-axis dispensing system is utilized to control the initiating and terminating fiber positions and trajectory via the dispensing software. The polymer fiber length and orientation is defined by the spatial positioning of the dispensing system 3-axis stages. The fiber diameter is defined by the prescribed dispense time of the dispensing system valve, the feed rate (the speed at which the stage traverses from an initiating to a terminating position), the gauge diameter of the dispensing tip, the viscosity and surface tension of the polymer solution, and the programmed drawing length. The stage feed rate affects the polymer solution’s evaporation rate and capillary breakup of the filaments. The dispensing system consists of a pneumatic valve controller, a droplet-dispensing valve and a dispensing tip. Characterization of the direct write process to determine the optimum combination of factors leads to repeatedly acquiring the desired range of fiber diameters. The advantage of this robotic dispensing system is the ease of obtaining a precise range of micron/sub-micron fibers onto a desired, programmed location via automated process control. Here, the discussed self-assembled micron/sub-micron scale 3D structures have been employed to fabricate suspended structures to create micron/sub-micron fluidic devices and bioengineered scaffolds.
I løpet av de siste tiårene, en rekke fabrikasjon teknikker, som for eksempel våt spinning, tørr spinning og electro, har blitt ansatt for å skape nye polymerfiberen med varierte og robuste biologiske, kjemiske, elektriske og mekaniske egenskaper 1-12. Selv om disse teknikkene er spinnende stand til å generere tre-dimensjonale suspenderte fibre, er de begrenset i sin evne til å nøyaktig kontrollere fiberorientering i tre dimensjoner, siden fiberavsetning via disse prosessene er tilfeldig i naturen. I tillegg er disse teknikker er begrenset i deres dimensjonsområde for fiber fabrikasjon; spesifikt, fibrer som produseres via våt og tørr spinnende varierer i diameter fra titalls til hundrevis av mikron, mens electro utbytter fibre med diametre fra titalls nanometer til en enkelt micron 13.
Å gi mer presis kontroll over fiber orientering i 3-D plass, utviklet vår gruppe en selv-assemble eller "direkte-write" fiber fabrikasjon prosessen som direkte fører ut et polymermateriale ut av en hule kapillær og deretter trekker individuelle filamenter som tynn og stivne til forutsigbare fiberdiametere ved å utnytte overflatespenningsstyrt fluidmekanikk 14. Vår første direkte-skrive-systemet for å øke nivået av kontroll av fiber posisjon og diameter besto av en tilpasset fabrikkert fjærbelastet sprøyte doseringssystemet festet til hodet av en spesiallaget Ultra-High Precision Micromilling Machine (figur 1). Den UHPMM hadde en scene med en posisjons oppløsning på 1,25 nM i X- og Y-retningene, og 20 nm i Z-retningen som ble programmatisk kontrollert for å skape mikron og submikron skala ledninger og strukturer. En begrensning av denne direkte skrivesystem var mangel på strømningskontroll av polymeroppløsningen gjennom nålespissen. Selv om fjærbelastet doseringssystemet hell generert konstant floW gjennom spissen, ble en kontinuerlig utvide sfærisk perle av polymeroppløsning laget ved utløpet av sprøytespissen, som varierte i størrelse og volum, avhengig av omgivelsene.
Figur 1. Bilde av Ultra High Precision Micromilling Machine. Den første direkte skrive system ansatt i fabrikasjon micron / sub-mikron skala strukturer Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Den inkonsistente denne kilden vulst påvirket systemets evne til gjentatte ganger å fremstille ledninger med en foreskreven diameter. Riktignok strukturer ble vellykket generert ved hjelp av denne direkte skriveprosess, vil forbedring av prosessen ved å øke styring av strømmen av polymeroppløsning tillate flere PreciSE, foreskrevet fiberdiametere gjennom regulering av perlestørrelse på sprøytespissen. Således beskriver dette arbeidet gjennomføring av en 3-akset automatisert dispenseringssystem med pneumatisk aktivert ventil dispenser til nøyaktig kontroll polymerløsningen strømningshastighet og spiss kulestørrelse for å create foreskrevet, micron / sub-mikron suspendert strukturer.
Før prøver hvert forsøk, er det viktig at viskositeten, masseoverførings-koeffisienter og overflatespenningen test av polymeroppløsninger bli nøyaktig målt for å bestemme om roboten og doseringssystemet er i stand til å behandle den ønskede polymer. Som beskrevet tidligere av vår gruppe må polymeren beholde tilstrekkelig løsninger: 1) overflatespenningen for å muliggjøre dannelsen av flytende filamenter inn i mikron / sub-mikron strukturer; 2) viskositet for å tåle kapillær bryte opp; og, 3) fordampingen forbedre fiber størkning 18. Synergien mellom disse parameterne er nøkkelen til vellykket å produsere fibre over en bestemt rekke diametere. På samme tid, ustabilitet i noen av disse parameterne hindrer dannelsen av Micron / sub-mikron skala fibre. For å opprettholde den synergien mellom disse parametre under fiberproduksjon, er det viktig å sikre at nålen og nåleventilen er grundig rengjort etter en direkte-skrive session å hindre: 1) forurensning av oppløsningen; 2) en reduksjon i polymerløsningen strømningshastigheten gjennom nålen; og 3) overdreven vekst i polymeren vulst på spissen av nålen. I tillegg må den temperatur-regulator på varmeapparatet innstilles til den ønskede temperatur for å opprettholde en konstant fordampingen av polymeroppløsningen.
De splittgrenfibrene var 59%, 41% og 24% større i diameter enn den av støttestrukturene i fig 6-8, respektivt, ved bruk av 24% PMMA-løsning. Dette skyldes først og fremst på hvilken avstand fibrene er trukket. Nærmere bestemt er støttestrukturer trukket over hele bredden av substratet (10,0 mm i X- og Y-retningene, 14,4 mm diagonalt). Som et resultat av dette er de lengste fibre av den generelle suspenderte strukturer. De splittgrenstrukturer er vesentlig kortere, som strekker seg fra 7 mm maksimal lengde ned til 2,5 mm. Denne kortere fiber tegning lengden gjør ingent effektivt indusere fiber belastningen som kreves i løpet av fiberen tynning prosessen for å produsere de små diameter fibre. På den annen side er større diameter ledninger er nødvendig for å tjene som bærefibre for effektivt å opprettholde tauing eller deformasjon induseres under gaffelformet gren trekking. Som bifurkasjon grenene er trukket over støtte fibrene, kan en ombygging av bære fiber geometri oppstår på grunn av den trekkkrefter samt en lokalisert oppløsning av PMMA polymer på grenseflaten mellom underlaget og forgrenede fibre fra oppløsningsmidlet som er tilstede i polymerløsning. Således, i noen tilfeller kan støtte fibrene må fremstilles av en polymerløsning bestående av en høyere konsentrasjon av polymer for å danne større diameter og mekanisk sterkere fiber.
Det er i hovedsak tre effektive metoder for å modifisere eksisterende protokoll for å generere et bredere spekter av støtte og forgrenede fiberdiameter: 1) opprinnelig dispensere polymeren fra en større nål spiss (f.eks 25 G; ID = 254 mikrometer) for å generere støttefibre og deretter bytte til en mindre nål spiss (f.eks 32 G; ID = 101,6 mm) for å dikte de mindre forgrenede fibrer; 2) som nevnt ovenfor, bruker flere polymerkonsentrasjoner; og / eller 3) å justere fremføringshastigheten, dvs. den hastighet med hvilken scenen passerer, hvor økning av matehastigheten på mindre diameter fibre, og å redusere matehastigheten skaper større diameter fibre. Hittil har vi vært i stand til å lykkes dikte fibrene så liten som 90 nm; Imidlertid er fiberutbyttet ved denne dimensjonen lav på grunn av kapillær bruddet.
En begrensning av den automatiserte direkte skriveprosessen, er at bare en konsentrasjon av polymeroppløsningen kan dispenseres på en gang. Dette begrenser graden av kompleksitet av de suspenderte strukturer som skal utvikles uten å: 1) legge en annen utleveringsventil til roboten;eller, 2) fjerne den eksisterende ventil og utføre rengjørings protokollen (avsnitt 3.4) før dispensering av den andre polymer-løsning, noe som tar ekstra tid. En annen begrensning er den matehastighet (eller trykkhastighet), hvor den maksimale tilførselshastighet at systemet er i stand til å oppnå er 500 mm / sek. Det er imidlertid en avveining mellom matehastighet og fiberdannelse. Nærmere bestemt, hvis treghetskrefter (krefter på grunn av tilførselshastighet) som er større enn overflatespenningskreftene og fordampingen av polymeroppløsningen, fiberdannelse forekommer ikke. På den annen side, hvis matehastigheten er for lav, vil fibrene sprekke på grunn av overdreven fordampning før og under forlengelsen prosessen. For det tredje er fiber og struktur dimensjoner begrenset til rekkevidden av scenen av roboten, dvs. 200 mm, 200 mm og 25 mm (med en 10 mikrometer posisjonsnøyaktighet) i x-, y- og z-retningene, henholdsvis. Likevel gjør denne prosessen gjør det mulig for dannelsen av høy størrelsesforhold (fiber length: diameter) fibre. Strategisk varierende dispenseringsspissen størrelse og polymerløsningskonsentrasjon ville tillate en større fiberdiameterområde, skaper muligheten til å generere frie opphengte strukturer av høyere kompleksitet.
Ved å følge de protokoller er angitt ovenfor, kan mikron og submikron diameter polymerfibre genereres med en høy grad av romlig kontroll ved å utnytte overflatespenningsstyrte fluidmekanikk av polymeren løsninger, som ikke kan kontrolleres med andre våte, tørre eller electro prosesser . Fra tidligere arbeids 8,19, vet vi at denne teknikken kan brukes til å dikte intrikate mikro / submikrone fluidic enheter 19 og bioengineered stillaser 8. Dette billig og enkel teknikk har sine egne fordeler fremfor tradisjonelle høvel fabrikasjon metoder på mange måter.
The authors have nothing to disclose.
This work is supported by the NSF-EPSCoR (grant #0814194) and the Department of Bioengineering.
ROBOT DR2203N 3 AXES 200MM X 200MM | Nordson EFD | 7023145 | 3-Axis Robot |
CONTROLLER 7100, DISPENSE VALVE | Nordson EFD | 7015340 | Valve Controller |
MICRODOT VALVE | Nordson EFD | 7021233 | Microdot Valve |
ROBOT ACC FIXTURE PLATE 200MM | Nordson EFD | 7028276 | Fixture Platen |
ROBOT ACC DRN / DSRN POINTS SOFTWAR | Nordson EFD | 7023144 | JR-C Software |
ROBOT MOUNT VALVE UNIVERSAL | Nordson EFD | 7028273 | Microdot Valve Mount |
15 PSI BARREL PRESS. REGULATOR | Nordson EFD | 7020585 | Barrel Regulator |
KIT O BRL/PIST 5CC CL/WH 40 | Nordson EFD | 7012096 | 5CC Barrels with Pistons |
ADAPTER ASM O 5CC BL | Nordson EFD | 7012054 | Pneumatic Barrel Adapter |
TIP 30GA .006X.25 LAVNDR 50PC | Nordson EFD | 7018424 | 30 GA Needle Tip (0.250" length) |
Electric Baseboard Heater (500W, 30" length) | Cadet | 2F500 | Heater |
Temperature Controller with Timer | Control Company | 130726596 | Temperature Controller |
eScope USB Microscope | OiTez | DP-M02 | 200X USB Microscope |
Poly(methyl methacrylate) | Aldrich | 182265-500G | PMMA Powder |
Chlorobenzene | Sigma Aldrich | 284513 | Solvent to dissolve PMMA |