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Engineering

निलंबित माइक्रोन / उप माइक्रोन पैमाने फाइबर संरचनाओं के 3-डी प्रत्यक्ष लेखन एक रोबोट वितरण प्रणाली के माध्यम से निर्धारित

Published: June 12, 2015 doi: 10.3791/52834
Automatic Translation
1, 1, 1
1Bioengineering Department, University of Louisville

Summary

यहाँ, हम एक 3 अक्ष वितरण प्रणाली के माध्यम से स्वचालित प्रत्यक्ष लेखन प्रक्रिया के माध्यम से उत्पन्न स्वतंत्र रूप से निलंबित कर दिया, माइक्रोन / उप माइक्रोन पैमाने बहुलक फाइबर और "वेब" की तरह संरचनाओं के निर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल उपस्थित थे।

Introduction

पिछले कई दशकों में, इस तरह गीला कताई, शुष्क कताई और electrospinning के रूप में निर्माण तकनीक की एक किस्म के साथ, विविध और जैविक मजबूत, रसायन, बिजली और यांत्रिक गुणों 1-12 साथ उपन्यास बहुलक फाइबर संरचना बनाने के लिए नियोजित किया गया है। इन कताई तकनीक तीन आयामी तंतुओं को निलंबित कर दिया पैदा करने में सक्षम हैं, वे इन प्रक्रियाओं के माध्यम से फाइबर बयान प्रकृति में यादृच्छिक रहे हैं के बाद से ठीक तीन आयामों में फाइबर उन्मुखीकरण को नियंत्रित करने की क्षमता में सीमित कर रहे हैं। इसके अलावा, इन तकनीकों फाइबर निर्माण के लिए उनके आयामी रेंज में प्रतिबंधित कर रहे हैं; नैनोमीटर के दसियों से एक भी माइक्रोन 13 से लेकर व्यास के साथ पैदावार तंतुओं electrospinning जबकि विशेष रूप से, गीले और सूखे कताई के माध्यम से उत्पादित फाइबर, दसियों से माइक्रोन की सैकड़ों करने के लिए व्यास में भिन्नता है।

3-डी अंतरिक्ष में फाइबर उन्मुखीकरण के और अधिक सटीक नियंत्रण प्रदान करने के लिए, हमारे समूह एक स्वयं विकसित-assemble या सीधे तो एक खोखले केशिका के बाहर एक polymeric सामग्री ejects और कहा कि "प्रत्यक्ष लिखने" फाइबर निर्माण की प्रक्रिया सतह तनाव संचालित द्रव यांत्रिकी 14 शोषण से उम्मीद के मुताबिक फाइबर व्यास में जमना पतली है और जो व्यक्ति के filaments खींचता है। फाइबर की स्थिति और व्यास के नियंत्रण के स्तर को बढ़ाने के लिए हमारी प्रारंभिक प्रत्यक्ष लिखने प्रणाली अल्ट्रा उच्च परिशुद्धता Micromilling मशीन (चित्रा 1) एक कस्टम मेड के सिर से जुड़ी एक कस्टम गढ़े वसंत भरी हुई सिरिंज वितरण प्रणाली शामिल थे। UHPMM एक्स और वाई दिशाओं में 1.25 एनएम और प्रोग्राम माइक्रोन और उप माइक्रोन पैमाने तारों और संरचना बनाने के लिए नियंत्रित किया गया था कि Z दिशा में 20 एनएम के एक स्थितीय संकल्प के साथ एक मंच था। यह विशेष रूप से प्रत्यक्ष लिखने प्रणाली की एक सीमा सुई की नोक के माध्यम से बहुलक समाधान के प्रवाह को नियंत्रित का अभाव था। वसंत लोड वितरण प्रणाली को सफलतापूर्वक लगातार फ़्लो उत्पन्न यद्यपिटिप के माध्यम से, w बहुलक समाधान के लगातार विस्तार गोलाकार मनका पर्यावरण की स्थिति पर निर्भर करता है आकार और मात्रा में विविध जो सिरिंज टिप के आउटलेट पर बनाया गया था।

चित्र 1
चित्रा अल्ट्रा उच्च परिशुद्धता Micromilling मशीन 1. छवि:। माइक्रोन / उप माइक्रोन पैमाने पर संरचनाओं fabricating में कार्यरत पहला प्रत्यक्ष लिखने प्रणाली इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

इस स्रोत मनका की विसंगति को बार-बार एक निर्धारित व्यास के तारों के निर्माण की प्रणाली की क्षमता पर असर पड़ा। संरचनाओं को सफलतापूर्वक इस प्रत्यक्ष लिखने की प्रक्रिया का उपयोग कर उत्पन्न हुए थे, देरी, बहुलक समाधान के प्रवाह पर नियंत्रण बढ़ाने के द्वारा प्रक्रिया की वृद्धि अधिक preci के लिए अनुमति होगीएसई, सिरिंज नोक पर मनका आकार के विनियमन के माध्यम से फाइबर व्यास निर्धारित है। इस प्रकार, इस काम ठीक निर्धारित बनाने के लिए बहुलक समाधान प्रवाह दर और टिप मनका आकार को नियंत्रित करने के लिए pneumatically actuated मशीन वाल्व, माइक्रोन / उप माइक्रोन निलंबित संरचनाओं के साथ एक 3 अक्ष स्वचालित वितरण प्रणाली के कार्यान्वयन का वर्णन है।

Protocol

1. उपकरणों का सेट-अप

  1. 2.45 μl / मिनट की एक प्रवाह की दर में सुई की नोक से बहुलक समाधान वितरित करने के लिए 15 साई पर दबाव सेट करने के लिए, एक दबाव नियामक के माध्यम से, सिस्टम वितरण इकट्ठा और साँस स्रोत के लिए वाल्व नियंत्रक और सिरिंज प्रति बैरल से कनेक्ट।
  2. एक स्थिर काम पर्यावरण (चित्रा 2) सुनिश्चित करने के लिए एक थर्मल बाड़े में 3-अक्ष रोबोट और वितरण प्रणाली डालें।
  3. सिस्टम निर्माता द्वारा प्रदान की संयुक्त रोबोट नियंत्रण अंक (जे आर-सी अंक) सॉफ्टवेयर स्थापित करें और धारावाहिक संचार पोर्ट के माध्यम से एक कंप्यूटर के लिए 3-अक्ष रोबोट कनेक्ट।
  4. 3-अक्ष रोबोट के लिए वाल्व वितरण माउंट और वाल्व पर सुई टिप स्थापित करें।
  5. वाल्व टिप 15 की ऊंचाई के संबंध में उदासी सुनिश्चित करने के लिए निर्माता के दिशा निर्देशों के अनुसार रोबोट चरण पट्ट स्तर।
  6. पर्यावरण नियंत्रण जोड़ने के लिए बाड़े में एक राय नियंत्रित हीटर इकट्ठे।
सामग्री "के लिए: रख-together.within-पेज =" हमेशा "> चित्र 2
चित्रा 2 (ए) एक बाड़े के अंदर रखे आवश्यक सामान के साथ रोबोट वितरण 3-अक्ष; और, (बी) के दृश्य के लिए संलग्न यूएसबी माइक्रोस्कोप के साथ वितरण वाल्व की छवि को बंद कर दें। इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

2. प्रयोगात्मक सामग्री और कारकों को नियंत्रित

  1. कारकों और उनके संयोजन को नियंत्रित।
    1. जे आर सी-अंक सॉफ्टवेयर के द्वारा, 100% (500 मिमी / सेकंड) तक 1% की गति (5 मिमी / सेकंड) से दर को खिलाने बदलती हैं। इस आवेदन के लिए, निर्माण करने के लिए एक 2% की गति (10 मिमी / सेकंड) का उपयोग करें फाइबर संरचनाओं इस काम में प्रस्तुत किया।
    2. आवश्यक विशिष्ट चिपचिपापन, सतह तनाव और अस्थिरता पैरामीटर प्राप्त करने के लिए बहुलक समाधान सांद्रता वैरीवांछित आवेदन के लिए। इस आवेदन के लिए, इस काम में प्रस्तुत फाइबर संरचनाओं के निर्माण की Chlorobenzene समाधान में एक 24% polymethylmethacrylate (PMMA) का उपयोग करें।
    3. साँस हवा के माध्यम से समाधान बेदखल करने के क्रम में 0.02 सेकंड सेक करने के लिए 1 से नियंत्रण वाल्व बग़ैर समय बदलती हैं। इस आवेदन के लिए, इस काम में प्रस्तुत फाइबर संरचनाओं के निर्माण के लिए 0.02 सेकंड का उपयोग करें।
    4. बहुलक समाधान वितरित करने के लिए उच्च परिशुद्धता सुई सुझावों की एक लाइन के आकार का चयन करें। इस आवेदन के लिए, इस काम में प्रस्तुत फाइबर संरचनाओं के निर्माण के लिए एक 30 जी (भीतरी व्यास (आईडी) = 152.4 माइक्रोन) टिप का उपयोग करें।
    5. बहुलक नमूना के एक निरंतर वाष्पीकरण की दर को बनाए रखने के लिए thermally अछूता बॉक्स में 100 डिग्री फेरनहाइट करने के लिए 70 डिग्री एफ के बीच तापमान परिचालन सीमा निर्धारित करें। इस आवेदन के लिए, इस काम में प्रस्तुत फाइबर संरचनाओं के निर्माण के लिए 70 डिग्री फेरनहाइट के तापमान का उपयोग करें।
  2. बहुलक समाधान की तैयारी।
    1. मिश्रणpolymethyl मेथाक्रिलेट की बहुलक रेजिन (PMMA, 0.72 छ) एक रासायनिक प्रवाह हुड के अंतर्गत विलायक Chlorobenzene (2.28 छ) के साथ।
    2. समाधान में बहुलक की यात्रा की एकाग्रता को प्राप्त करने के लिए बहुलक (PMMA) और इसकी विलायक (chlorobenzene) के वजन की गणना। इस आवेदन के लिए, इस काम में प्रस्तुत फाइबर संरचनाओं के निर्माण की Chlorobenzene समाधान में एक 24% polymethylmethacrylate (PMMA) का उपयोग करें।
    3. इस आवेदन के लिए। बहुलक पाउडर / कांच की शीशी में राल के वांछित राशि प्लेस PMMA की एक 24% एकाग्रता प्राप्त करने के लिए PMMA, राल के 0.72 छ उपयोग करें।
    4. 3 जी के कुल वजन तक पहुँच जाता है पिपेट द्वारा शीशी के भीतर बहुलक पर विलायक स्थानांतरण।
    5. एक भंवर प्रकार के बरतन का उपयोग कर 1 मिनट के लिए शीशी मिक्स और ultrasonically पूरी तरह से बहुलक पाउडर / राल भंग करने के लिए 5 घंटे के लिए उन्हें प्रक्रिया।
    6. स्पष्ट जब तक sonicate जारी रखने के लिए नमूना करने के लिए किसी भी बादल छाए हुए हैं या धुँधलापन अगर वहाँ है, समाधान की पारदर्शिता की जाँच करें।
  3. बहुलक समाधान का चिपचिपापन माप।
    1. कोन व थाली viscometer के माध्यम से उपाय समाधान viscosities (जैसे, LVDV-द्वितीय + और ​​RVDV-द्वितीय +) 16।
    2. लोड चिपचिपापन माप में त्रुटियों को कम करने के क्रम में viscometer जांच करने के लिए viscometer निर्माता द्वारा उपलब्ध कराई जाना जाता चिपचिपापन मानक नमूना (एक ग्लिसरीन आधारित और पानी के मिश्रण) के 0.5 मिलीलीटर। निर्माता viscometer औजार के लिए मानक नमूनों की एक किस्म प्रदान की है। 100,000 सी.पी. के चिपचिपापन साथ ग्लिसरीन आधारित मानक नमूना का प्रयोग करें।
    3. एक निरंतर संचालन के तापमान पर परीक्षण तरल पदार्थ बनाए रखने के लिए viscometer करने के लिए पानी जैकेट कनेक्ट करें।
    4. धुरी के रोटेशन को आरंभ करने पर स्थिति के लिए पर / स्विच बंद को ले जाकर परीक्षण तरल पदार्थ माप प्रारंभ करें। डिस्प्ले पैनल पर टोक़ के मूल्य स्थिर हो गया है एक बार, टोक़ रिकॉर्ड और धुरी 1 की टोक़, धुरी गुणक निरंतर और गति के बीच संबंध का उपयोग कर अंतिम viscosities की गणना6
      1 समीकरण
      चिपचिपापन है जहां, आरपीएम कोन से चिपका धुरी की गति, टी (LVDV-द्वितीय +, RVDV-द्वितीय के लिए + 1 के लिए 0.09373) टोक़ है, एसएमसी चिपचिपाहट के दौरान इस्तेमाल किया जा रहा विशिष्ट धुरी पर निर्भर करता है कि धुरी गुणक स्थिर है माप। इस अध्ययन के लिए, सी.पी.-52 धुरी 9.83 की एक धुरी गुणक स्थिर है, जो इस्तेमाल किया गया था।
  4. बहुलक समाधान की सतह तनाव माप।
    1. माप पद्धति Wilhelmy तकनीक को दर्शाता है। 14
    2. एक उच्च संकल्प संतुलन (पैमाने संकल्प = 0.001 ग्राम) पर एक कांच की शीशी में 1 मिलीलीटर परीक्षण समाधान रखें। परीक्षण समाधान में जाना जाता व्यास का एक गिलास छड़ी डुबकी।
    3. सतह को छूने और आंशिक रूप से शून्य संपर्क के साथ परीक्षण समाधान में विसर्जित करने के लिए एक stepper या सहायक नियंत्रित रैखिक actuator के माध्यम से लोहे की छड़ की स्थिति को नियंत्रित।
    4. मॉनिटर और जब संतुलन पर बड़े पैमाने पर माप में परिवर्तन को दर्जसमाधान सतह से छड़ी को हटाने।
    5. बल परिवर्तन, रॉड पर तरल पदार्थ की रॉड और संपर्क कोण की परिधि से सतह तनाव की गणना।
      2 समीकरण
      , θ तरल पदार्थ के संपर्क कोण रॉड पर रॉड से गीला परिधि (एल = व्यास के साथ 10.05 मिमी = 3.2 मिमी) है, जहां एफ छड़ी की नोक पर परीक्षण तरल पदार्थ का तनाव सतह के कारण बल परिवर्तन है।
  5. समाधान के लिए बड़े पैमाने पर स्थानांतरण गुणांक माप।
    1. Thermogravimetric विश्लेषण द्वारा बहुलक समाधान के बड़े पैमाने पर स्थानांतरण गुणांक उपाय। 14
    2. संतुलन taring से पहले एक प्लैटिनम की थाली पर 24% (वजन) के द्वारा PMMA बहुलक समाधान का लोड 30 μl।
    3. चैम्बर, इस कार्यक्रम के लक्ष्य के समाधान के लिए बड़े पैमाने पर नजर रखने के लिए 2 घंटे के लिए इच्छित ऑपरेटिंग तापमान (70 डिग्री एफ) में चलाने के लिए डिवाइस वेंट।
    4. समाधान के जन में बदलाव से बड़े पैमाने पर स्थानांतरण गुणांक की गणना,समाधान / एयर इंटरफेस और घनत्व का क्षेत्र।
      3 समीकरण

      मीटर (टी) PMMA के समाधान के लिए बड़े पैमाने पर है, जहां एक समाधान / एयर इंटरफेस का क्षेत्र है (मानक प्लेट के लिए 78.5 मिमी 2 के बराबर होती है), mPOLYMER समाधान में बहुलक बड़े पैमाने पर है और समाधान के घनत्व है।

3. प्रत्यक्ष लिखें प्रयोग प्रक्रिया

  1. प्रणाली नमूना लोड हो रहा प्रोटोकॉल वितरण।
    1. लोड सिरिंज बैरल में बहुलक समाधान के 3 मिलीग्राम, असंगत साँस का दबाव वितरण को खत्म करने के लिए सिरिंज बैरल में पिस्टन जगह है।
    2. , सिरिंज प्रति बैरल पर इनलेट लाइन एडाप्टर ट्विस्ट स्रोत लाइन हवा ट्यूब से कनेक्ट।
    3. प्रयोग करने के लिए सटीक सुई की नोक के वांछित गेज आकार चुनें।
    4. बग़ैर नियंत्रक पैनल पर, राज्य शुद्ध और क्लिक करने के लिए स्विच "चक्र" बटन इतना बहुलक के साथ बांटना वाल्व को भरने के लिएlution तक सुई की नोक से छुट्टी दे दी।
    5. एक प्रोग्राम फाइबर लेखन की प्रक्रिया की तैयारी में सिरे से अवशिष्ट बहुलक समाधान साफ ​​कर लें।
  2. 3-अक्ष रोबोट और वितरण प्रणाली के साथ सीधी लिखने बहुलक फाइबर।
    1. निर्धारित सूक्ष्म / उप माइक्रोन फाइबर संरचना की दीक्षा बात करने के लिए डिफ़ॉल्ट घर की स्थिति से वितरण सुई की नोक स्थान बदलने के लिए ऑफसेट रोबोट चरण निर्धारित तैयार किया जाना है। जेड अक्ष के साथ जो अनुवाद वितरण प्रणाली वाल्व ब्रैकेट, एक USB माइक्रोस्कोप (बढ़ाई = 200X) माउंट। मैन्युअल ठीक इच्छित स्थान, पूर्वनिर्मित सब्सट्रेट या डिवाइस के लिए वाल्व टिप स्थिति में सहायता करता है कि USB माइक्रोस्कोप पर ध्यान केंद्रित घुंडी का समायोजन करके निकालने की मशीन नोक पर ध्यान केंद्रित।
    2. वांछित फाइबर संरचना पैटर्न (आंकड़े 3 ए, 4 ए, और 5 ए) एक सीएडी सॉफ्टवेयर पैकेज का उपयोग कर डिजाइन / बनाएँ। रोबो में इनपुट स्थानिक निर्देशांक (एक्स, वाई, जेड)टी जे आर-सी सीएडी कार्यक्रम (चित्रा 3 बी, 4 बी, और 5 ब) के भीतर बनाया वांछित पैटर्न के संबंध में अनुक्रमिक क्रम में सभी दीक्षा और समाप्ति अंक के लिए सॉफ्टवेयर को नियंत्रित। 15
    3. जे आर-सी सॉफ्टवेयर 15 के भीतर रोबोट मेनू के तहत 'सी एंड टी डेटा भेजें "पर क्लिक करके रोबोट को कंप्यूटर से पूरा फाइबर संरचना डिजाइन कार्यक्रम स्थानांतरण।
    4. लोड 3 सिरिंज प्रति बैरल, पर्ज वाल्व और सुई में जाना जाता एकाग्रता (24%) की PMMA के समाधान के नमूने की मिलीलीटर, सेट सॉफ्टवेयर को नियंत्रित वाल्व नियंत्रक और रोबोट के लिए सभी वितरण पैरामीटर।
    5. रोबोट चरण पट्ट पर बना हुआ सब्सट्रेट प्लेस बहुलक समाधान की अस्थिर वाष्पीकरण प्रेरित कर सकते हैं जो परिवेशी वायु प्रवाह को रोकने के लिए थर्मल बाड़े दरवाजे बंद कर दें।
    6. जे आर-सी सॉफ्टवेयर से रोबोट मेनू क्लिक करके और चयन करके सब्सट्रेट पर तंतुओं लेखन शुरू करो "परीक्षण चल रहा है" 15।
    7. डीसी धूम कोट सोने की एक 2 एनएम मोटी परत तक 2 मिनट के लिए एक प्रवाहकीय सोने की धातु की परत स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप में फाइबर के दृश्य की अनुमति के लिए तैयार तंतुओं पर जमा किया जाता है।
    8. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप 17 के माध्यम से फाइबर के व्यास और संरचना के उपाय। माइक्रोस्कोप पैरामीटर: हाई वोल्टेज स्तर: 2.00 केवी; उद्देश्य: InLens, काम दूरी (9.0 मिमी)।
  3. एक रासायनिक प्रवाह हुड के तहत वितरण प्रणाली सफाई प्रक्रिया करते हैं।
    1. सफाई प्रक्रिया का प्रदर्शन करने के लिए एक रसायन का प्रवाह हुड में वितरण प्रणाली रखें।
    2. निर्माता प्रोटोकॉल के अनुसार सुई वाल्व अलग करना।
    3. सभी भागों डूब रहे हैं जब तक बीकर में एसीटोन डालना, एक बीकर में सभी धातु भागों रखें।
    4. सभी बहुलक अवशेष को दूर करने के लिए 30 मिनट के लिए एक अल्ट्रासोनिक स्नान में बीकर रखें।
    5. बह डि पानी के नीचे सभी भागों कुल्ला, तो सूखी उन्हें उड़ाने के लिए हवा बंदूक का उपयोग करें।
    ली>

चित्र तीन
एक 10 मिमी x 10 मिमी फ्रेम पर डिजाइन "ट्रैक्टर" वेब संरचना की चित्रा 3 (ए) उदाहरण के लिए, (बी) जे आर-सी बिंदु सॉफ्टवेयर में inputted किया जाना है अनुक्रमिक बिंदु से बिंदु स्थानिक निर्देश। एक देखने के लिए यहां क्लिक करें इस आंकड़े का बड़ा संस्करण।

चित्रा 4
चित्रा एक 10 मिमी x 10 मिमी फ्रेम पर डिजाइन "सममित" वेब संरचना 4. (ए) उदाहरण के लिए, (बी) अनुक्रमिक बिंदु से बिंदु स्थानिक निर्देश जे आर-सी बिंदु सॉफ्टवेयर में inputted किया जाना है।"रिक्त> इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 5
एक 10 मिमी x 10 मिमी फ्रेम पर डिजाइन "दोहरी शेवरॉन" वेब संरचना, (बी) अनुक्रमिक बिंदु से बिंदु स्थानिक निर्देश के चित्रा 5 (ए) उदाहरण जे आर-सी बिंदु सॉफ्टवेयर में inputted किया जाना है। देखने के लिए यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण।

Representative Results

आंकड़े 3-5A और इसके बाद के संस्करण बी में परिभाषित संबंधित डिजाइन और जे आर सी-प्वाइंट एल्गोरिदम से प्रत्येक के लिए 3-अक्ष रोबोट और प्रत्यक्ष लिखने विधि के माध्यम से उत्पादित वास्तविक संरचनाओं की छवियाँ आंकड़े 6A, 7A और 8A में दिखाए जाते हैं। जिसके परिणामस्वरूप छवियों में देखा जा सकता है, तीन आयामी, स्वतंत्र रूप से निलंबित कर दिया तंतुओं ठीक बिंदुओं के रूप में अच्छी तरह से चौराहे के अंक समाप्त / शुरुआत सहित निर्धारित स्थानिक स्थानों के लिए औषधि टिप जोड़ तोड़ द्वारा substrates पर सफलतापूर्वक "लिखा" किया गया है। इन आंकड़ों के insets के ठीक 3-डी अंतरिक्ष में फाइबर अभिविन्यास (आंकड़े 6B, 7 बी और 8B) को नियंत्रित करने के लिए प्रणाली की क्षमता का प्रदर्शन है, जो निलंबित फाइबर, के चौराहे अंक बढ़ाना।

चित्रा 6
चित्रा 6 (ए) के संचालक एक एकल बंटवारा फाइबर (289X बढ़ाई (बी) SEM छवि, (पैमाने बार = 1 मिमी 15x ऑप्टिकल बढ़ाई); निलंबित वेब संरचना 2 का समर्थन फाइबर (विकर्ण) और 12 बंटवारा branched PMMA तंतुओं होने गढ़े "ट्रैक्टर" के राजनैतिक छवि पैमाने बार = 100 माइक्रोन)। इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 7
चित्रा 7. (ए) 1 समर्थन फाइबर (क्षैतिज) और 11 बंटवारा branched PMMA तंतुओं होने गढ़े "सममित" निलंबित वेब संरचना के ऑप्टिकल छवि, एक भी बंटवारा के (15x ऑप्टिकल बढ़ाई पैमाने बार = 1 मिमी), (ख) SEM छवि फाइबर (107X बढ़ाई; पैमाने बार = 100 माइक्रोन)।52834fig7large.jpg "लक्ष्य =" _blank "> इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आंकड़ा 8
(; पैमाने बार = 1 मिमी 15x ऑप्टिकल बढ़ाई), (ख) एक एकल के SEM छवि संख्या 8 (ए) गढ़े "दोहरी शेवरॉन" के ऑप्टिकल छवि 1 समर्थन फाइबर (क्षैतिज) और 22 बंटवारा branched PMMA तंतुओं होने वेब संरचना निलंबित बंटवारा फाइबर। (80X बढ़ाई; पैमाने बार = 100 माइक्रोन) यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

9 चित्रा प्रदर्शित करता है 3-अक्ष रोबोट और वितरण प्रणाली स्वतंत्र रूप से निलंबित वेब संरचनाओं की तरह उत्पन्न कर सकते हैं, जिस पर फाइबर निर्माण के अनुक्रमिक बिंदु से बिंदु के आदेश के मद्देनजर ऊपर बंद हुआ। पी संख्या के साथ प्रदर्शित olymer संपर्क अंक से ऊपर 3B चित्रा में संदर्भित जे आर-सी सॉफ्टवेयर प्रोग्राम की शुरुआत और समाप्त अंक के अनुरूप हैं। तीर रोबोट प्रक्षेपवक्र का प्रतिनिधित्व करते हैं। अलग आकार के तारों के निर्माण की प्रत्यक्ष लिखने प्रणाली की क्षमता को दर्शाता है जो 10 प्रदर्शित करता है माइक्रोन और submicron बहुलक फाइबर, चित्रा।

9 चित्रा
माइक्रोन और submicron बहुलक फाइबर (29X बढ़ाई; पैमाने बार = 200 माइक्रोन) ड्राइंग के लिए अनुक्रमिक बिंदु से बिंदु आदेश दे illustrating 9 चित्रा SEM छवि। इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

2834 / 52834fig10.jpg "/>
10 चित्रा SEM के माइक्रोन (6.5 माइक्रोन) और उप माइक्रोन (555 एनएम) एक 20% एकाग्रता PMMA बहुलक समाधान के प्रयोग से खींचा फाइबर की छवि। (2,270X बढ़ाई; पैमाने बार = 2 माइक्रोन) कृपया यहाँ क्लिक करें का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यह आंकड़ा।

पॉलिमर फाइबर लंबाई और व्यास स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग मापा गया। तालिका 1 बंटवारा शाखा फाइबर और समर्थन तंतुओं को इसी उपरोक्त आंकड़े 6-8 में प्रस्तुत प्रत्येक अद्वितीय संरचना के लिए औसत तार व्यास से पता चलता है। तालिका 2 प्रदर्शित करता है मापा गया है कि बहुलक मापदंडों जैसा कि ऊपर उल्लेख संरचनाओं के निर्माण के लिए उपयोग किया गया है कि 24% PMMA के समाधान से।

चित्रा 6 में संरचना व्यास चित्रा 7 में संरचना व्यास 8 चित्रा में संरचना व्यास
समर्थन तंतुओं 8.65 ± 1.43 माइक्रोन 9.39 ± 1.23 माइक्रोन 9.31 ± 1.65 माइक्रोन
शाखा तंतुओं 20.96 ± 3.35 माइक्रोन 15.92 ± 1.44 माइक्रोन 12.24 ± 5.42 माइक्रोन

एक 24% PMMA के समाधान के लिए आंकड़े 6-8 में दिखाया निलंबित समर्थन और शाखा फाइबर की तालिका 1. औसत व्यास।

मास हस्तांतरण गुणांक (एम / सेक)
24% PMMA
चिपचिपापन (पा * सेकंड) 35.19
सतह तनाव (MN / मी) 262.01
8.59 एक्स 10 -8

इस काम में प्रस्तुत फाइबर संरचनाओं के निर्माण के लिए उपयोग किया गया है कि 24% PMMA के समाधान की तालिका 2 पॉलिमर मापदंडों।

Discussion

प्रत्येक परीक्षण के प्रयास करने से पहले, यह बहुलक समाधान की चिपचिपाहट, बड़े पैमाने पर स्थानांतरण गुणांक और सतह तनाव परीक्षण सही रूप में रोबोट और वितरण प्रणाली वांछित बहुलक प्रसंस्करण में सक्षम है या नहीं यह निर्धारित करने के क्रम में मापा जाना है कि महत्वपूर्ण है। हमारे समूह द्वारा पहले से वर्णित है, बहुलक समाधान पर्याप्त बनाए रखने चाहिए: 1) सतह तनाव माइक्रोन / उप माइक्रोन संरचनाओं में तरल तंतुओं का गठन सक्षम करने के लिए; 2) चिपचिपापन केशिका को तोड़ने का सामना करने के लिए; और, 3) वाष्पीकरण की दर फाइबर दृढ़ीभवन 18 को बढ़ाने के लिए। इन मापदंडों के बीच तालमेल सफलतापूर्वक व्यास के एक निर्धारित सीमा से अधिक फाइबर का उत्पादन करने के लिए महत्वपूर्ण है। एक ही समय में, इन मानकों में से किसी में अस्थिरता माइक्रोन / उप माइक्रोन पैमाने फाइबर के गठन से बचाता है। फाइबर निर्माण के दौरान इन मापदंडों के बीच तालमेल बनाए रखने के लिए, यह सुई और सुई वाल्व पूरी तरह एक प्रत्यक्ष लिखने के बाद साफ कर रहे हैं कि यह सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण हैको रोकने के लिए ession: समाधान के 1) संदूषण; 2) सुई के माध्यम से बहुलक समाधान प्रवाह की दर में कमी; और सुई की नोक पर बहुलक मनका में, 3) अत्यधिक वृद्धि। इसके अलावा, हीटर पर तापमान नियंत्रक बहुलक समाधान की एक निरंतर वाष्पीकरण की दर को बनाए रखने के लिए वांछित तापमान सेट करने के लिए किया जाना चाहिए।

बंटवारा शाखा तंतुओं आंकड़े 6-8 में समर्थन संरचनाओं की तुलना में व्यास में 41% और 24% बड़ा है, 59% थे, क्रमश: 24% PMMA के समाधान का उपयोग। इस तंतुओं तैयार कर रहे हैं, जिस पर दूरी के कारण मुख्य रूप से है। विशेष रूप से, समर्थन संरचनाओं सब्सट्रेट की पूरी चौड़ाई में तैयार कर रहे हैं (एक्स और वाई दिशाओं में 10.0 मिमी, तिरछे 14.4 मिमी)। नतीजतन, इन समग्र निलंबित संरचनाओं के सबसे लंबे समय तक फाइबर होते हैं। बंटवारा शाखा संरचनाओं नीचे 2.5 मिमी करने के लिए 7 मिमी अधिकतम लंबाई से लेकर, काफी कम कर रहे हैं। इस छोटे फाइबर ड्राइंग लंबाई कोई करता हैटी प्रभावी रूप से छोटे व्यास फाइबर का उत्पादन करने के क्रम में फाइबर thinning के प्रक्रिया के दौरान आवश्यक फाइबर तनाव प्रेरित। दूसरी ओर, बड़े व्यास तारों को प्रभावी ढंग से बंटवारा शाखा ड्राइंग प्रक्रिया के दौरान प्रेरित tugging और विरूपण को बनाए रखने के क्रम में समर्थन फाइबर के रूप में सेवा करने के लिए आवश्यक हैं। विभाजन शाखाओं समर्थन तंतुओं भर में तैयार कर रहे हैं के रूप में, समर्थन फाइबर ज्यामिति की एक remodeling के कारण में विलायक वर्तमान से ड्राइंग बलों के रूप में अच्छी तरह से समर्थन के बीच इंटरफेस में PMMA बहुलक की एक स्थानीय विघटन और branched फाइबर के लिए हो सकता है बहुलक समाधान। इस प्रकार, कुछ मामलों में, समर्थन तंतुओं बड़ा व्यास और यंत्रवत् मजबूत फाइबर का उत्पादन करने के लिए बहुलक का एक उच्च एकाग्रता से मिलकर बहुलक समाधान से निर्मित करने की आवश्यकता हो सकती है।

एक समर्थन की व्यापक रेंज और branched फाइबर उत्पन्न करने के लिए मौजूदा प्रोटोकॉल को संशोधित करने के लिए मुख्य रूप से तीन प्रभावी तरीके हैंव्यास: 1) शुरू में एक बड़ा सुई की नोक से बहुलक बांटना (उदाहरण के लिए, 25 जी, आईडी = 254 माइक्रोन) का समर्थन तंतुओं पैदा करते हैं और फिर एक छोटे सुई टिप (जैसे, 32 G के लिए आदान-प्रदान करने के लिए, आईडी = 101.6 माइक्रोन) को बनाना छोटे शाखित तंतुओं; जैसा कि ऊपर उल्लेख 2), कई बहुलक सांद्रता का उपयोग करें; और IE / या 3) को समायोजित फ़ीड दर, फ़ीड दर छोटे व्यास तंतुओं का उत्पादन बढ़ाने और फ़ीड दर घटते मंच है जहां, बहती है जिस गति से बड़ा व्यास तंतुओं बनाता है। तिथि करने के लिए, हम सफलतापूर्वक 90 एनएम के रूप में छोटे रूप में फाइबर निर्माण करने के लिए सक्षम किया गया है; हालांकि, इस आयाम में फाइबर उपज की वजह से केशिका गोलमाल करने के लिए कम है।

स्वचालित प्रत्यक्ष लिखने की प्रक्रिया की एक सीमा बहुलक समाधान का केवल एक ही एकाग्रता एक समय में तिरस्कृत किया जा सकता है। यह करने के लिए बिना विकसित किया जा निलंबित संरचनाओं की जटिलता के स्तर को प्रतिबंधित करता है: 1) रोबोट के लिए एक दूसरे वितरण वाल्व जोड़ने;या, 2) मौजूदा वाल्व को हटाने और अतिरिक्त समय लगता है, जो दूसरे बहुलक समाधान, वितरण से पहले सफाई प्रोटोकॉल (धारा 3.4) प्रदर्शन करते हैं। एक दूसरा सीमा प्रणाली को प्राप्त करने के लिए सक्षम है कि अधिकतम फ़ीड दर 500 मिमी / सेकंड है जहां फ़ीड दर (या प्रिंट गति), है। हालांकि, फ़ीड दर और फाइबर के गठन के बीच एक tradeoff है। जड़त्वीय बल (फ़ीड दर के कारण बलों) सतह तनाव बलों और बहुलक समाधान के वाष्पीकरण दर से अधिक कर रहे हैं विशेष रूप से, फाइबर गठन नहीं होती है। फ़ीड दर बहुत कम है दूसरी ओर, फाइबर की वजह से पहले और बढ़ाव प्रक्रिया के दौरान अत्यधिक वाष्पीकरण के फ्रैक्चर जाएगा। तीसरा, फाइबर और संरचना आयामों क्रमशः, एक्स, वाई और जेड दिशाओं में रोबोट के मंच का संचालन सीमा, यानी, 200 मिमी, 200 मिमी और (एक 10 माइक्रोन स्थितीय सटीकता के साथ) 25 मिमी तक ही सीमित हैं। बहरहाल, इस प्रक्रिया को फाइबर (एल उच्च पहलू अनुपात के गठन को सक्षम करता हैength: व्यास) फाइबर। रणनीतिक उच्च जटिलता की स्वतंत्र रूप से निलंबित कर दिया संरचनाओं उत्पन्न करने की क्षमता का निर्माण, वितरण टिप आकार और एक व्यापक फाइबर व्यास रेंज के लिए अनुमति होगी बहुलक समाधान एकाग्रता बदलती।

प्रोटोकॉल ऊपर कहा गया है का पालन करके, माइक्रोन और submicron व्यास बहुलक फाइबर किसी भी अन्य गीला, शुष्क या electrospinning प्रक्रियाओं के साथ नियंत्रित नहीं किया जा सकता है, जो बहुलक समाधान की सतह तनाव संचालित द्रव यांत्रिकी, शोषण से स्थानिक नियंत्रण के एक उच्च स्तर के साथ उत्पन्न किया जा सकता है । पहले काम 8,19 से, हम इस तकनीक जटिल सूक्ष्म / submicron fluidic उपकरणों 19 और bioengineered scaffolds के 8 निर्माण करने के लिए उपयोग किया जा सकता है कि पता है। यह सस्ता और आसान तकनीक कई मायनों में पारंपरिक चौरस निर्माण के तरीकों पर अपने फायदे हैं।

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

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References

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इंजीनियरिंग अंक 100 सीधी लिखने सटीक नियंत्रण सूक्ष्म / उप माइक्रोन पैमाने फाइबर 3-अक्ष रोबोट वितरण प्रणाली
निलंबित माइक्रोन / उप माइक्रोन पैमाने फाइबर संरचनाओं के 3-डी प्रत्यक्ष लेखन एक रोबोट वितरण प्रणाली के माध्यम से निर्धारित
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Yuan, H., Cambron, S. D., Keynton,… More

Yuan, H., Cambron, S. D., Keynton, R. S. Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System. J. Vis. Exp. (100), e52834, doi:10.3791/52834 (2015).

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