Summary
هنا، نقدم بروتوكول لافتعال علقت بحرية، ميكرون / ميكرون الفرعي ألياف البوليمر على نطاق والهياكل "شبكة الإنترنت مثل" ولدت عبر الآلية الإجراء الكتابة مباشرة عن طريق نظام الاستغناء عن 3 محاور.
Introduction
على مدى العقود القليلة الماضية، ومجموعة متنوعة من تقنيات التصنيع، مثل الغزل الرطب، الغزل الجاف وelectrospinning، وقد استخدمت لإنشاء هياكل الألياف البوليمر الرواية مع خصائص متنوعة وقوية البيولوجية والكيميائية والكهربائية والميكانيكية 12/01. على الرغم من أن هذه التقنيات الغزل قادرة على توليد علقت الألياف ثلاثية الأبعاد، فهي محدودة في قدرتها على التحكم بدقة اتجاه الألياف في ثلاثة أبعاد منذ ترسب ألياف عبر هذه العمليات بشكل عشوائي في الطبيعة. بالإضافة إلى ذلك، يتم تقييد هذه التقنيات في نطاق الأبعاد من أجل الألياف تلفيق. على وجه التحديد، والألياف المنتجة عن طريق الغزل الرطب والجاف تختلف في القطر من عشرات إلى مئات من ميكرون، في حين electrospinning عوائد الألياف بأقطار تتراوح من عشرات نانومتر إلى 13 ميكرون واحد.
لتوفير مزيد من التحكم الدقيق في اتجاه الألياف في الفضاء 3-D، وضعت مجموعتنا النفس-assemble أو "الكتابة المباشر" عملية تصنيع الألياف التي يقذف مباشرة المواد البوليمرية من الشعرية جوفاء ثم توجه خيوط الفردية التي رقيقة ويصلب في أقطار الألياف يمكن التنبؤ بها من خلال استغلال سطح يحركها التوتر ميكانيكا الموائع 14. نظامنا المباشر والكتابة الأولي لزيادة مستوى السيطرة على الموقف الألياف وقطر يتألف من ربيع تحميل نظام حقنة الاستغناء العرف ملفقة تعلق على الرأس من العرف الترا عالية الدقة Micromilling آلة (الشكل 1). كان UHPMM مرحلة مع قرار الموضعية 1.25 نانومتر في X و Y الاتجاهات و20 نانومتر في الاتجاه Z التي كانت تسيطر برمجيا لإنشاء ميكرون وميكرون الفرعي الأسلاك والهياكل الحجم. كان واحد الحد من هذا النظام الكتابة المباشرة خاص عدم وجود التحكم في التدفق من الحل البوليمر من خلال طرف الإبرة. على الرغم من أن الربيع تحميل نظام صرف لدت بنجاح فلو المستمرث من خلال معلومات سرية، تم إنشاء حبة كروية تتوسع بشكل مستمر من حل البوليمر عند مخرج طرف الحقنة، والتي تختلف في الحجم وحجم اعتمادا على الظروف البيئية.
الشكل 1. صورة من الترا آلة عالية الدقة Micromilling: أول نظام الكتابة المباشرة المستخدمة في تصنيع الهياكل على نطاق ميكرون / ميكرون الفرعي الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
التناقض في هذه حبة المصدر أثر على قدرة النظام على افتعال مرارا الأسلاك قطر المقررة. وإن كان ذلك، تم إنشاء هياكل بنجاح باستخدام هذه العملية الكتابة المباشرة، فإن تعزيز عملية عن طريق زيادة السيطرة على تدفق حل البوليمر تسمح لمزيد من PRECIحد ذاتها، المنصوص عليها أقطار الألياف من خلال تنظيم حجم حبة في طرف الحقنة. وهكذا، يصف هذا العمل تنفيذ 3 محاور نظام صرف الآلي مع دفعتها بالهواء المضغوط صمام موزع على التحكم بدقة في حل البوليمر معدل التدفق وطرف حبة حجم لخلق المقررة، ميكرون / شبه ميكرون الهياكل مع وقف التنفيذ.
Protocol
1. معدات مجموعة المتابعة
- تجميع نظام توزيع وتوصيل جهاز تحكم صمام والمحاقن برميل إلى مصدر هوائي، عن طريق منظم الضغط، لضبط الضغط في 15 رطل إلى الاستغناء عن حل البوليمر من طرف الإبرة بمعدل تدفق 2.45 ميكرولتر / دقيقة.
- أدخل الروبوت 3 محاور ونظام صرف في الضميمة الحرارية لضمان بيئة عمل مستقرة (الشكل 2).
- تثبيت نقاط روبوت المشترك التحكم (نقاط JR-C) البرامج المقدمة من قبل الشركة المصنعة للنظام وربط 3-محور الروبوت بجهاز الكمبيوتر عبر منفذ تسلسلي الاتصالات.
- جبل الاستغناء عن صمام ل3 محاور الروبوت وتثبيت طرف الإبرة على صمام.
- مستوى المرحلة الصوانى الروبوتية وفقا للمبادئ التوجيهية للالمصنعة لضمان التسطيح فيما يتعلق ارتفاع من طرف صمام 15.
- تجميع سخان التي تسيطر عليها ردود الفعل في العلبة لإضافة المراقبة البيئية.
الشكل 2. (A) 3-محور الاستغناء عن الروبوت مع الملحقات المطلوبة يضم داخل العلبة. و، (B) عن قرب صورة صمام صرف المرفقة مع المجهر USB التصور. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
2. المواد التجريبية والعوامل المتحكمة
- السيطرة على العوامل والجمع بينهما.
- تختلف نسبة إطعام من 1٪ السرعة (5 ملم / ثانية) ما يصل إلى 100٪ (500 ملم / ثانية)، من قبل JR C-نقاط البرمجيات. لهذا التطبيق، استخدام سرعة 2٪ (10 ملم / ثانية) لافتعال هياكل الألياف قدمت في هذا العمل.
- تختلف تركيزات حل البوليمر لتحقيق اللزوجة محددة، التوتر السطحي والمعلمات تقلب المطلوبةلالتطبيق المطلوب. لهذا التطبيق، استخدام البولى 24٪ (PMMA) في محلول كلور لصنع هياكل الألياف التي قدمت في هذا العمل.
- تختلف السيطرة على الوقت صمام الاستغناء عن 0.02 ثانية إلى 1 ثانية من أجل إخراج الحلول عن طريق الجو هوائي. لهذا التطبيق، استخدم 0.02 ثانية لصنع هياكل الألياف التي قدمت في هذا العمل.
- اختيار القياس قياس من النصائح إبرة عالية الدقة للاستغناء حلول البوليمر. لهذا التطبيق، استخدام 30 G (القطر الداخلي (ID) = 152.4 ميكرون) تلميح إلى افتعال الهياكل الألياف التي قدمت في هذا العمل.
- ضبط نطاق درجة حرارة التشغيل بين 70 درجة فهرنهايت إلى 100 درجة فهرنهايت في مربع معزول حراريا للحفاظ على معدل التبخر المستمر للعينة البوليمر. لهذا الطلب، واستخدام درجة حرارة 70 ° F لافتعال هياكل الألياف التي قدمت في هذا العمل.
- تحضير محاليل البوليمر.
- مزيجراتنجات البوليمر من ميتاكريلات (PMMA، 0.72 غرام) مع كلور المذيبات (2.28 ز) تحت غطاء تدفق الكيميائية.
- حساب الوزن من البوليمر (PMMA) ولها المذيبات (الكلوروبنزن) لتحقيق التركيز المطلوب من البوليمر في الحل. لهذا التطبيق، استخدام البولى 24٪ (PMMA) في محلول كلور لصنع هياكل الألياف التي قدمت في هذا العمل.
- وضع المبلغ المطلوب من مسحوق البوليمر / الراتنج في قنينة زجاجية. لهذا التطبيق، استخدم 0.72 غرام من الراتنج PMMA للوصول الى تركيز 24٪ من PMMA.
- نقل المذيب على البوليمر داخل قارورة بواسطة ماصة حتى يتم الوصول إلى الوزن الكلي لل3 غرام.
- مزيج القارورة لمدة 1 دقيقة باستخدام شاكر دوامة ومعالجتها بالموجات فوق الصوتية لمدة 5 ساعة بحل تماما مسحوق البوليمر / الراتنج.
- تحقق الشفافية من الحلول، إذا كان هناك أي تعكر أو غموض لعينة مواصلة يصوتن حتى واضح.
- قياس اللزوجة حلول البوليمر.
- اللزوجة حل التدبير عبر مخروطية وجهاز قياس اللزوجة لوحة (على سبيل المثال، LVDV-II + وRVDV-II +) 16.
- تحميل 0.5 مل من اللزوجة المعروف عينة القياسية (خليط القائم على الجلسرين والماء) المقدمة من قبل الشركة المصنعة جهاز قياس اللزوجة لمعايرة جهاز قياس اللزوجة من أجل تقليل الأخطاء في قياسات اللزوجة. تقدم الشركة المصنعة مجموعة متنوعة من العينات القياسية لمعايرة جهاز قياس اللزوجة. استخدام نموذج قائم على الجلسرين القياسية مع اللزوجة من 100000 القطري.
- ربط سترة المياه لمقياس اللزوجة للحفاظ على السائل الاختبار في درجة حرارة التشغيل المستمر.
- بدء اختبار قياس السوائل عن طريق تحريك مفتاح تشغيل / إيقاف لموقف دخولك لبدء دوران المغزل. مرة واحدة وقد استقرت قيمة عزم الدوران على لوحة العرض، تسجيل عزم الدوران وحساب اللزوجة النهائية باستخدام العلاقة بين عزم الدوران، المغزل مضاعف ثابت وسرعة المغزل 16
أين هي اللزوجة، RPM هي سرعة المغزل الملصقة على مخروط، TK هو عزم الدوران (0.09373 للLVDV-II +، 1 لRVDV-II +)، SMC هو ثابت المغزل المضاعف الذي يعتمد على المغزل المحدد الجاري استخدامه خلال اللزوجة القياس. لهذه الدراسة، تم استخدام المغزل CP-52 التي لديها ثابت المغزل مضاعف من 9.83.
- سطح قياس التوتر حلول البوليمر.
- يشير طريقة القياس لتقنية Wilhelmy 14
- وضع 1 مل حلول اختبار في قارورة زجاجية على توازن عالية الدقة (القرار على نطاق و= 0.001 ز). تراجع قضيب كوب من القطر المعروف إلى حلول الاختبار.
- السيطرة على الموقف من قضيب عن طريق مضاعفات أو السائر تسيطر خطي المحرك للمس السطح وتزج جزئيا إلى حلول اختبار مع صفر للإتصال به.
- رصد وتسجيل التغيير في القياس الشامل على التوازن عندماإزالة قضيب من سطح الحل.
- حساب التوتر السطحي من خلال تغيير قوة، محيط قضيب والاتصال زاوية من السوائل على قضيب.
حيث يتم محيط المبللة من قضيب (ل = 10.05 مم بقطر = 3.2 ملم)، θ هو زاوية الاتصال من السوائل على قضيب، F هو تغيير القوة المقرر أن التوتر السطحي للسوائل اختبار على طرف قضيب.
- الشامل قياس معامل انتقال من الحلول.
- قياس معاملات نقل الجماعي للحلول البوليمر عن طريق التحليل الحراري الوزني (14).
- تحميل 30 ميكرولتر من 24٪ (من حيث الوزن) حل PMMA البوليمر على طبق من ذهب البلاتين قبل taring التوازن.
- تنفيس الغرفة، برنامج الجهاز ليعمل في درجة حرارة التشغيل المطلوب (70 ° F) لمدة 2 ساعة لمراقبة الكتلة الحلول الهدف.
- حساب معاملات نقل الجماعي بسبب التغيرات في كتلة الحل ل،مجال حل / واجهة الهواء وكثافته.
حيث m (ر) هو كتلة من حلول PMMA، A هي مساحة واجهة حل / الهواء (ما يعادل 78.5 ملم 2 لوحة القياسية)، mPOLYMER هو كتلة البوليمر في الحل وهي كثافة من الحل.
3. دايركت إجراء تجربة
- الاستغناء عينة نظام تحميل البروتوكول.
- تحميل 3 مل من محلول البوليمر في برميل حقنة، ووضع المكبس إلى حقنة برميل للقضاء على توزيع ضغط هوائي غير متناسقة.
- تحريف محول خط مدخل على برميل حقنة، لأنه ربط أنبوب الهواء خط المصدر.
- اختيار المطلوب حجم مقياس من طرف الدقة إبرة لأداء التجربة.
- على لوحة تحكم الاستغناء، والتحول إلى تطهير الدولة وانقر على زر "دورة" زر لملء صمام الاستغناء البوليمر ذلكlution حتى تفريغها من طرف الإبرة.
- مسح حل البوليمر المتبقي من طرف استعدادا لإجراء كتابة الألياف المبرمجة.
- الألياف مباشرة البوليمر الكتابة مع 3 محاور الروبوت ونظام صرف.
- تحديد المرحلة الروبوت تعويض لإعادة رأس الإبرة الاستغناء عن موقف البيت الافتراضية إلى نقطة الشروع في الدقيقة / ميكرون الفرعي بنية الألياف الموصوفة التي يمكن استخلاصها. جبل المجهر USB (التكبير = 200X) إلى نظام صرف شريحة صمام، والتي تترجم على طول المحور Z. التركيز يدويا على طرف موزع من خلال تعديل مقبض التركيز على المجهر USB التي تساعد في تحديد المواقع بدقة طرف صمام إلى الموقع المطلوب، الركيزة الجاهزة أو الجهاز.
- إنشاء / تصميم نمط بنية الألياف المطلوبة (أرقام 3A، 4A، 5A و) باستخدام حزمة برامج CAD. إدخال الإحداثيات المكانية (س، ص، ض) في روبور JR-C 15 السيطرة على البرنامج لجميع نقاط بدء وإنهاء بالترتيب فيما يتعلق النمط المطلوب إنشاؤها ضمن برنامج CAD (الشكل 3B، 4B، و5B).
- نقل برنامج الانتهاء تصميم هيكل من ألياف من الكمبيوتر إلى الروبوت بالنقر على "إرسال C & T بيانات" ضمن القائمة روبوت داخل JR-C برنامج 15.
- تحميل 3 مل من عينة PMMA حل تركيز معروف (24٪) في حقنة برميل، صمام تطهير والإبرة، وتعيين كافة المعلمات الاستغناء عن وحدة تحكم صمام والروبوت التحكم في البرمجيات.
- وضع الركيزة الجاهزة على الروبوت مرحلة الصوانى، أغلق الأبواب الضميمة الحرارية لمنع تدفق الهواء المحيط، والتي يمكن أن تحدث التبخر غير مستقر من الحل البوليمر.
- البدء في كتابة الألياف على الركيزة بواسطة النقر فوق القائمة الروبوت من البرامج JR-C واختيار "اختبار تشغيل" 15.
- DC تفل معطف طبقة معدنية من الذهب موصل لمدة 2 دقيقة حتى طبقة 2 نانومتر سميكة من الذهب وتودع على الألياف الانتباه إلى سماح التصور من الألياف في المجهر الإلكتروني الماسح.
- قياس قطر وهيكل من ألياف عن طريق المسح الإلكترون المجهر 17. المعلمات المجهر: ارتفاع مستوى الجهد: 2.00 كيلو فولت. الهدف: InLens، العمل عن بعد (9.0 ملم).
- تنفيذ الإجراء تنظيف نظام صرف تحت غطاء تدفق الكيميائية.
- وضع نظام صرف في غطاء تدفق الكيميائية لتنفيذ الإجراء التنظيف.
- تفكيك صمام الإبرة وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة.
- وضع جميع الأجزاء المعدنية في كوب، صب الأسيتون في الكأس حتى يتم مغمورة جميع أجزاء.
- ضع الدورق في حمام بالموجات فوق الصوتية لمدة 30 دقيقة لإزالة كل بقايا البوليمر.
- شطف جميع أجزاء تحت الماء DI المتدفقة، ثم استخدم بندقية الهواء ضربة لهم الجافة.
الشكل 3. (أ) مثال من تصميم "رباعية" هيكل على 10 ملم × 10 ملم إطار شبكة الإنترنت، (B) من نقطة إلى نقطة تعليمات المكانية متتابعة ليتم إدخالها في برنامج نقطة JR-C. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 4. (أ) مثال من تصميم "متماثل" هيكل الويب على 10 ملم × 10 ملم الإطار، (B) من نقطة إلى نقطة تعليمات المكانية متتابعة ليتم إدخالها في برنامج نقطة JR-C.على بياض "> اضغط هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 5. (أ) مثال من تصميم "شيفرون المزدوج" هيكل الويب على 10 ملم × 10 ملم الإطار، (B) من نقطة إلى نقطة تعليمات المكانية متتابعة ليتم إدخالها في برنامج نقطة JR-C. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Representative Results
وتظهر الصور من الهياكل الفعلية المنتجة عن طريق الروبوت 3 محاور وطريقة الكتابة المباشرة لكل من التصاميم منها والخوارزميات JR C نقطة محددة في أرقام 3-5A & B أعلاه في أرقام 6A، 7A و 8A. كما يمكن أن يرى في الصور الناتجة عن ذلك، وكانت ثلاثية الأبعاد، والألياف علقت بحرية بنجاح "مكتوبة" على ركائز من خلال التلاعب على وجه التحديد طرف موزع للمواقع المكانية وصفه بما في ذلك المبادر / إنهاء نقطة فضلا عن نقاط التقاطع. والأشكال من هذه الأرقام تضخم نقاط تقاطع الألياف مع وقف التنفيذ، والتي تثبت قدرة النظام على التحكم بدقة اتجاه الألياف (أرقام 6B، 7B و8B) في الفضاء 3-D.
الرقم 6. (A) أب صورة tical من ملفقة "رباعية" بنية شبكة الإنترنت مع وقف التنفيذ وجود 2 ألياف الدعم (أقطار) و 12 انقسم الألياف PMMA تشعبت (15X بصري التكبير، على نطاق وبار = 1 مم)، (B) SEM صورة من ألياف متشعبة واحد (289X التكبير؛ نطاق بار = 100 ميكرون). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 7. (A) صورة ضوئية من ملفقة "متماثل" بنية شبكة الإنترنت مع وقف التنفيذ بعد 1 دعم الألياف (أفقي) و 11 انقسم الألياف PMMA تشعبت (15X بصري التكبير، على نطاق وبار = 1 مم)، (B) SEM صورة واحدة انقسم الألياف (107X التكبير، على نطاق وبار = 100 ميكرون).52834fig7large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> اضغط هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 8. (A) صورة ضوئية من ملفقة "المزدوج شيفرون" تعليق هيكل على شبكة الإنترنت بعد 1 دعم الألياف (أفقي) و 22 انقسم الألياف PMMA تشعبت (15X بصري التكبير، على نطاق وبار = 1 مم)، (B) SEM صورة واحدة الألياف متشعبة. (80X التكبير، على نطاق وبار = 100 ميكرون) الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 9 يعرض عن قرب نظرا لترتيب تسلسلي من نقطة إلى نقطة الألياف تلفيق التي الروبوت 3 محاور ونظام الاستغناء يمكن أن تولد الهياكل شبكة الإنترنت مثل علقت بحرية. ع نقاط الاتصال olymer عرض مع الأرقام تتوافق مع شروع المبرمج ونقاط تنتهي في البرنامج JR-C المشار إليها في الشكل 3B أعلاه. الأسهم تمثل الروبوت مسار الشكل 10 يعرض ميكرون والألياف البوليمر submicron، والذي يدل على قدرة نظام الكتابة المباشرة على فبركة أسلاك ذات أحجام مختلفة.
الرقم 9. SEM صورة توضح متتابعة أجل تلفيق من نقطة إلى نقطة لجذب الألياف ميكرون وsubmicron البوليمر (29X التكبير، على نطاق وبار = 200 ميكرون). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
2834 / 52834fig10.jpg "/>
الرقم 10. SEM صورة ميكرون (6.5 ميكرون)، وشبه ميكرون (555 نانومتر) ألياف رسمها باستخدام 20٪ تركيز PMMA البوليمر الحل. (2،270X التكبير؛ مقياس شريط = 2 ميكرون) الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
تم قياس البوليمر طول الألياف وقطرها باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح. ويبين الجدول 1 متوسط قطر السلك لكل بنية فريدة من نوعها المعروضة في الأرقام 6-8 أعلاه المقابلة لفرع الألياف ذات الشعبتين والألياف الدعم. يعرض الجدول 2 المعلمات البوليمر التي تم قياسها من الحلول 24٪ PMMA التي استخدمت لصنع الهياكل المشار إليها أعلاه.
| قطر هيكل في الشكل (6) | قطر هيكل في الشكل 7 | قطر هيكل في الشكل 8 | |
| ألياف الدعم | 8.65 ± 1.43 ميكرون | 9.39 ± 1.23 ميكرون | 9.31 ± 1.65 ميكرون |
| الألياف فرع | 20.96 ± 3.35 ميكرون | 15.92 ± 1.44 ميكرون | 12.24 ± 5.42 ميكرون |
الجدول 1. متوسط أقطار الدعم وفرع الألياف علقت هو مبين في الأرقام 6-8 لإيجاد حل PMMA 24٪.
| 24٪ PMMA | |
| اللزوجة (باسكال ثانية *) | 35.19 |
| التوتر السطحي (مليون / م) | 262.01 |
| 8،59 × 10 -8 |
الجدول 2. المعلمات بوليمر الحلول 24٪ PMMA التي استخدمت لصنع هياكل الألياف التي قدمت في هذا العمل.
Discussion
قبل محاولة كل محاكمة، فمن الأهمية بمكان أن اللزوجة، معاملات نقل الجماعي والتوتر السطحي اختبار الحلول البوليمر قياسها بدقة من أجل تحديد ما إذا كان الروبوت ونظام توزيع قادر على معالجة البوليمر المطلوب. كما هو موضح سابقا من قبل مجموعة لدينا، يجب أن الحلول البوليمر تحتفظ الكافي: 1) التوتر السطحي لتمكين تشكيل خيوط السائلة في الهياكل / شبه ميكرون ميكرون. 2) اللزوجة على تحمل الشعرية تفريق. و، 3) معدل التبخر لتعزيز الألياف التصلب 18. التآزر بين هذه المعايير هو المفتاح لإنتاج الألياف مع مجموعة محددة من أقطار بنجاح. في نفس الوقت، وعدم الاستقرار في أي من هذه المعلمات يمنع تشكيل ميكرون / ميكرون الفرعي الألياف الحجم. للحفاظ على التآزر بين هذه المعايير خلال الألياف تلفيق، فمن المهم التأكد من أن الإبرة وصمام إبرة يتم تنظيفها بعد ثانية الكتابة المباشرession لمنع: 1) تلوث من الحل. 2) انخفاض في معدل تدفق حل البوليمر من خلال إبرة. و، 3) النمو المفرط في حبة البوليمر في رأس الإبرة. بالإضافة إلى ذلك، يجب تعيين للتحكم في درجة الحرارة في سخان إلى درجة الحرارة المطلوبة للحفاظ على معدل التبخر المستمر للحل البوليمر.
وكانت ألياف فرع ذات الشعبتين 59٪، 41٪ و 24٪ في قطر أكبر من ذلك من هياكل الدعم في أرقام 6-8 على التوالي، وذلك باستخدام حل PMMA 24٪. ومن المقرر أساسا إلى المسافة التي يتم رسمها الألياف هذا. على وجه التحديد، يتم رسمها هياكل الدعم عبر كامل عرض الركيزة (10.0 ملم في X و Y الاتجاهات؛ 14.4 ملم قطريا). ونتيجة لذلك، وهذه هي أطول الألياف الهياكل علقت بشكل عام. الهياكل فرع ذات الشعبتين هي أقصر بكثير، تتراوح بين 7 مم الحد الأقصى لطول وصولا الى 2.5 ملم. هذا أقصر طول الألياف الرسم لا لار لحث على نحو فعال سلالة الألياف المطلوبة أثناء عملية ترقق الألياف من أجل إنتاج ألياف صغيرة قطرها. من ناحية أخرى، يطلب من أسلاك قطرها أكبر لتكون بمثابة الألياف دعم من أجل الحفاظ على نحو فعال التجاذبات وتشوه بفعل أثناء عملية الرسم فرع ذات الشعبتين. كما يتم رسمها فروع التشعب عبر الألياف الدعم، يمكن أن يحدث إعادة عرض للهندسة الألياف بتأييد واسع بسبب قوات الرسم، فضلا عن حل المترجمة من البوليمر PMMA في واجهة بين الدعم وألياف متفرعة من الحاضر المذيبات في حل البوليمر. وهكذا، في بعض الحالات، قد يحتاج ألياف الدعم لتكون ملفقة من حل البوليمر يتكون من تركيز أعلى من مادة البوليمر لإنتاج أكبر القطر والألياف ميكانيكيا أقوى.
هناك أساسا ثلاث طرق فعالة لتعديل البروتوكول القائم لتوليد مجموعة واسعة من الدعم والألياف تشعبتقطر: 1) الاستغناء البداية البوليمر من طرف الإبرة أكبر (على سبيل المثال، 25 G؛ ID = 254 ميكرون) لتوليد ألياف الدعم وثم تبادل لمعلومات سرية أصغر إبرة (على سبيل المثال، 32 G؛ ID = 101.6 ميكرون) لتلفيق ألياف متفرعة أصغر؛ 2) كما ذكر أعلاه، استخدام تركيزات البوليمر متعددة؛ و / أو، 3) ضبط معدل التغذية، أي السرعة التي تقطع مرحلة، حيث زيادة معدل التغذية تنتج ألياف قطرها أصغر وخفض معدل التغذية يخلق الألياف قطرها أكبر. حتى الآن، كنا قادرين على افتعال بنجاح ألياف صغيرة مثل 90 نانومتر. ومع ذلك، فإن العائد الألياف في هذا البعد منخفض بسبب تفكك الشعرية.
واحد الحد من عملية الكتابة مباشرة الآلي هو أن تركيز واحد فقط من حل البوليمر يمكن الاستغناء عنها في وقت واحد. وهذا يحد من مستوى تعقيد الهياكل علقت على وضعها دون الحاجة إلى: 1) إضافة صمام الاستغناء الثاني للروبوت.أو، 2) إزالة صمام القائمة وتنفيذ البروتوكول التنظيف (القسم 3.4) قبل الاستغناء عن حل البوليمر الثاني، والتي تأخذ وقتا إضافيا. والقيد الثاني هو معدل التغذية (أو سرعة الطباعة)، حيث يبلغ معدل تغذية الأقصى أن النظام قادر على تحقيق 500 ملم / ثانية. ومع ذلك، هناك علاقة تبادلية بين معدل التغذية وتشكيل الألياف. على وجه التحديد، إن قوات بالقصور الذاتي (القوات المقرر أن معدل التغذية) هي أكبر من القوات التوتر السطحي ومعدل التبخر من الحل البوليمر، لا تحدث تشكيل الألياف. من ناحية أخرى، إذا كان معدل التغذية منخفضة جدا، وسوف ألياف كسر بسبب التبخر المفرط قبل وأثناء عملية استطالة. ثالثا، والألياف وهيكل أبعاد تقتصر على نطاق التشغيل للمرحلة الروبوت، أي 200 ملم، 200 ملم و 25 ملم (مع 10 ميكرون دقة الموضعية) في الاتجاهات X و Y و Z، على التوالي. ومع ذلك، فإن هذه العملية يفعل تمكين تشكيل الجانب نسبة عالية (الألياف لength: قطر) الألياف. استراتيجيا متفاوتة الاستغناء حجم غيض وتركيز المحلول البوليمر من شأنها أن تسمح لمجموعة قطر الألياف أوسع، وخلق القدرة على توليد هياكل علقت بحرية من أعلى التعقيد.
باتباع ذكرت البروتوكولات أعلاه، يمكن أن تتولد ميكرون وقطرها submicron ألياف البوليمر مع مستوى عال من السيطرة المكانية من خلال استغلال سطح يحركها التوتر ميكانيكا السوائل من الحلول البوليمر، والتي لا يمكن السيطرة عليها مع أي العمليات الرطبة، الجافة أو electrospinning أخرى . من العمل قبل 8،19، ونحن نعلم أن هذه التقنية يمكن استخدامها لتصنيع معقدة الدقيقة / submicron أجهزة الموائعية 19 و السقالات الهندسة البيولوجية 8. هذه التقنية سهلة ورخيصة مزاياه الخاصة على الطرق المسوي تلفيق التقليدية في نواح كثيرة.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 gauge Needle Tip (0.250" length) |
| Electric Baseboard Heater (500 W, 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 |
References
- Andrew, K. E., Glenn, D. P., Simon, M. C., Dietmar, W. H. Combining Electrospun Scaffolds with Electrosprayed Hydrogels Leads to Three-Dimensional Cellularization of Hybrid Constructs. Biomacromolecules. 9 (8), 2097-2103 (2008).
- Cho, S. M., Kim, Y. J., Kim, Y. S., Yang, Y., Ha, S. -C. The application of carbon nanotube-polymer composite as gas sensing materials. Sensors. Proc. of IEEE. 2, 701-704 (2004).
- Xu, F., Horak, P., Brambilla, G. Optical microfiber coil resonator refractometric sensor. Optics Express. 15 (12), 7888-7893 (2007).
- Dalton, P. D., Joergensen, N. T., Groll, J., Moeller, M. Patterned melt electrospun substrates for tissue engineering. Biomed. Mater. 3 (3), 034109 (2008).
- Hadjizadeh, A., Doillon, C. J., Vermette, P. Bioactive polymer fibers to direct endothelial cell growth in a three-dimensional environment. Biomacromolecules. 8 (3), 864-873 (2007).
- Xu, C. Y., Inai, R., Kotaki, M., Ramakrishna, S. Aligned biodegradable nanofibrous structure: a potential scaffold for blood vessel engineering. Biomaterials. 25 (5), 877-886 (2004).
- You, Y. M., Lee, B. L. eeS. J., Lee, T. S., Park, H. In vitro degradation behavior of electrospun polyglycolide, polylactide, and poly(lactide-co-glycolide). J. Appl. Polym. Sci. 95 (2), 193-200 (2005).
- Berry, S., et al. Endothelial cell scaffolds generated by 3D direct writing of biodegradable polymer microfibers. Biomaterials. 32 (7), 1872-1879 (2011).
- Dalton, A. B., et al. Super-tough carbon-nanotube fibres. Nature. 423, 703 (2003).
- Dalton, A. B., et al. Continuous carbon nanotube composite fibers: properties, potential applications, and problems. J. Mater. Chem. , 1-3 (2004).
- Sperling, L. H. Introduction to physical polymer science. , Wiley. 325-347 (1992).
- Harfenist, S. A., et al. Direct drawing of suspended filamentary micro- and nanostructures from liquid polymers. Nano. Lett. 4 (10), 1931-1937 (2004).
- Yang, R. R., He, J. H., Xu, L., Yu, J. Y. Bubble-electrospinning for fabricating nanofibers. Polymer. 50 (24), 5846-5850 (2009).
- Berry, S., et al. Characterization and modeling of direct-write fabrication of microscale polymer fibers. Polymer. 52 (7), 1654-1661 (2011).
- Janome Desktop Robot JR2000N Series Operation Manual. , Janome Sewing Machine Co. Tokyo, Japan. (2007).
- Brookfield DV-II+ Programmable Viscometer Operating Manual, Manual No. M/97-164-B299. , Brookfield Engineering Laboratories. Middleboro, MA. (1999).
- Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. Scanning and transmission electron microscopy : an introduction. , W.H. Freeman. (1993).
- Berry, S. M., Pabba, S., Cohn, R. W., Keynton, R. S. Direct-Write Drawing of Carbon Nanotube/Polymer Composite Microfibers. J. Nanomater. 2012, 1-8 (2012).
- Berry, S. M., Roussel, T. J., Cambron, S. D., Cohn, R. W., Keynton, R. S. Fabrication of suspended electrokinetic microchannels from directly-written sacrificial polymer fibers. Microfluid. Nanofluid. 13, 451-459 (2012).
