在这里,我们提出了一个协议,以制造自由悬浮,微米/亚微米尺度的聚合物通过自动化的直接写入过程由一个3轴分配系统的装置产生的纤维和“网状”结构。
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.
在过去的几十年中,各种的制造技术,如湿纺,干纺和静电,已经被用来产生新的聚合物的纤维结构具有不同和健壮的生物,化学,电和机械性能1-12。虽然这些纺丝技术是能够产生悬浮三维纤维,他们在他们的精确控制纤维取向在三维空间中,因为通过这些过程纤维沉积是随机的能力是有限的。此外,这些技术被限制在其尺寸范围为纤维制造;具体地,通过湿纺和干纺生产的纤维变化的直径从几十到几百微米,而电纺丝收率纤维直径从数十纳米到单个微米13。
提供的纤维取向更精确地控制在3-D空间,我们小组开发出了自-assemble或“直写”光纤制造工艺直接弹出一个聚合材料出一个中空毛细管,然后绘制其薄且固化成可预测的纤维直径通过利用表面张力驱动的流体力学14根单丝。我们的用于提高光纤位置和直径的控制水平初始直接写入系统包括附连到由超高精度微细铣削机( 图1)的自定义的头部的定制制造的弹簧加载的注射器分配系统。所述UHPMM有阶段与在X和Y方向1.25纳米和在被编程控制,以创建微米和亚微米尺度线和结构在Z方向20纳米的定位分辨率。这个特定的直写系统中的一个限制是缺乏通过针尖的聚合物溶液的流控制。虽然弹簧加载分配系统成功产生恒定的FLO瓦特通过末端,聚合物溶液连续扩张的球形珠在注射器尖端,在尺寸和容积变化取决于环境条件的出口被创建。
图超高精度微细铣削机1.图像:在制作微米/亚微米尺度结构采用的首次直接写入系统 请点击此处查看该图的放大版本。
这个源珠的不一致影响了系统的重复制造一个规定直径的线的能力。虽然,用这种直接写入处理成功产生的结构,增强了过程通过增加聚合物溶液的流动的控制将允许更多PRECI本身,通过珠尺寸的调节在注射器尖端规定的纤维直径。因此,该工作描述了一个3轴自动分配系统与气动分配器阀来精确控制来创建规定的聚合物溶液流速和尖珠尺寸,微米/亚微米悬浮结构的实施。
在尝试每个试验中,该聚合物溶液的粘度,传质系数和表面张力测试准确地测量,以便确定机器人和分送系统是否能够处理所需的聚合物的这一点至关重要。正如我们小组先前所描述的,聚合物溶液必须保持足够的:1)表面张力,使液体细丝的形成为微米/亚微米结构; 2)粘度承受毛细血管分手;和,3)的蒸发速率,以提高纤维凝固18。这些参数之间的协同作用是关键成功地生产纤维超过直径的特定范围。与此同时,不稳定性,在任何这些参数可防止微米/亚微米级纤维的形成。维持期间纤维制造这些参数之间的协同作用,以保证针和针阀后一个直写S被彻底清洁是非常重要的分裂国家,以防止:1)污染溶液; 2)在通过针将聚合物溶液流率的降低;和,3)过度增长在针的尖端的聚合物珠。此外,在加热器的温度控制器必须设置为所需的温度,以保持聚合物溶液的恒定蒸发速度。
分叉支路纤维为59%,41%和24%的直径大于该支撑结构在图6-8中,分别使用了24%的PMMA溶液。这主要是由于在该纤维被拉伸的距离。具体地,支撑结构跨过衬底的整个宽度绘制(10.0毫米X和Y方向;14.4毫米对角线)。其结果是,这些是整体悬挂结构的最长纤维。分叉的分支结构显著短,从7毫米最大长度下降到2.5毫米。这种短纤维拉丝长度确实没吨有效地诱导在纤维减薄过程所需的光纤应变以产生小直径的纤维。另一方面,大直径的电线被要求作为支撑纤维,以便有效地维持在分叉支路拉拔处理引起的拖拽和变形。作为分岔分支横跨支承纤维拉伸,支撑纤维几何形状的重塑可能是由于该图的力以及聚甲基丙烯酸甲酯聚合物在所述载体之间的界面的本地化溶解和支纤维从溶剂中存在的聚合物溶液。因此,在一些情况下,载体纤维可能需要被选自聚合物的较高浓度的,以产生更大的直径和机械强纤维的聚合物溶液制成。
有主要3种有效的方法,用于修改现有的协议,以产生一个更广泛的支持和支纤维直径:1)最初分配从较大针尖的聚合物( 例如,25 G组; n = 254微米),以产生载体纤维,然后交换为一个较小的针尖( 例如,32 G组; n = 101.6微米),以制造较小的分支纤维; 2)如上所述,使用多个聚合物浓度;和/或,3)调整进给速率, 即,在该阶段遍历,其中,增加进料速率产生较小直径的纤维和降低进给速率的速度产生较大的直径的纤维。到目前为止,我们已经能够成功地制造纤维小到90纳米;然而,纤维产量在这方面是低,由于毛细血管破裂。
自动直写方法的一个限制是,只有一个浓度的聚合物溶液可以同时被分配。这个限制也可以,而不必开发悬浮结构的复杂性的级别:1)添加第二分配阀的机器人;或者,2)删除现有的阀门和分配第二聚合物溶液,这需要更多的时间之前进行清理协议(第3.4节)。第二个限制是进料速率(或打印速度),其中,最大进料速率,该系统能够实现的为500毫米/秒。然而,有进料速率和纤维形成之间的折衷。具体地说,如果惯性力(由于进料速率的力)大于表面张力和将聚合物溶液的蒸发速率,纤维形成不会发生。另一方面,如果进料速率太低,纤维将断裂,由于之前和期间的伸长过程过度蒸发。第三,纤维和结构的尺寸被限制为在x,y和z方向上的工作范围内的机器人的阶段, 即200毫米,200毫米和25毫米(用10微米的位置精度),分别。然而,这一工艺的确使高纵横比的形成(纤维升ength:直径)纤维。战略上改变分配尖端尺寸和聚合物溶液浓度将允许更广泛的纤维直径范围,创建,以产生更高的复杂性自由悬挂结构的能力。
按照上述的协议,微米和亚微米直径的聚合物纤维可以具有空间控制高水平通过利用聚合物溶液的表面张力驱动流体力学,不能与任何其他湿,干的或静电纺丝的过程控制而生成的。从以前的工作8,19,我们知道,这种技术可用于制造复杂的微/亚微米流体装置19和生物工程支架8。这种廉价和简单的技术都有自己的优势在许多方面传统的刨床加工方法。
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 |