Här presenterar vi ett protokoll för att tillverka fritt svävande, micron / submikrona skala polymerfibrer och "web-liknande" strukturer som genereras via automatiserad direktritning förfarande med hjälp av en 3-axlig dispenseringssystem.
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.
Under de senaste decennierna, en mängd olika tillverkningstekniker, såsom våtspinning, torrspinning och elektrospinning, har använts för att skapa nya polymerfiberstrukturer med olika och robusta biologiska, kemiska, elektriska och mekaniska egenskaper 1-12. Även om dessa spinning tekniker är i stånd att alstra suspenderades tredimensionella fibrer, är de begränsade i sin förmåga att exakt styra fiberorienteringen i tre dimensioner eftersom fiberavsättning via dessa processer är slumpmässiga till sin natur. Dessutom är dessa tekniker begränsade i sin dimensionsområde för fibertillverkning; specifikt, fibrer framställda genom våt och torrspinning varierar i diameter från tiotals till hundratals mikron, medan elektrospinning ger fibrer med diametrar som sträcker sig från tiotals nanometer till en enda mikron 13.
För att ge mer exakt kontroll av fiberorienteringen i 3-D utrymme, vår grupp utvecklat en själv-assemble eller "direkt-skriv" fiber tillverkningsprocessen som direkt matas ett polymermaterial av en ihålig kapillär och sedan drar enskilda filament som tunn och stelnar till förutsägbara fiberdiametrar genom att utnyttja ytspänning drivna strömningsmekanik 14. Vår initiala direktskrivsystemet för att öka graden av kontroll av fiber position och diameter bestod av en specialtillverkade fjäderbelastad spruta dispenseringssystem som finns på huvudet av en skräddarsydd Ultra-High Precision Micromilling Machine (Figur 1). Den UHPMM hade en scen med en positions upplösning på 1,25 nm i X- och Y-riktningarna och 20 nm i Z-riktningen som programmatiskt kontrollerades för att skapa mikron och submikrona skala kablar och strukturer. En begränsning hos denna särskilt direkt skrivsystemet var avsaknaden av flödeskontroll av polymerlösningen genom nålspetsen. Även den fjäderbelastade doseringssystem framgångsrikt genererat konstant flow genom spetsen, var en kontinuerligt expanderande sfärisk sträng av polymerlösning skapas vid utloppet av sprutspetsen, som varierade i storlek och volym beroende på miljöförhållanden.
Figur 1. Bild av Ultra High Precision Micromilling Machine:. Den första direkta skrivsystem som används vid tillverkning av micron / submikrona skala strukturer Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Inkonsekvensen av denna källa pärla påverkat systemets förmåga att upprepade gånger tillverka trådar av en föreskriven diameter. Om än, strukturer framgångsrikt alstras med användning av denna direkta skrivprocess, skulle förbättring av processen genom att öka kontrollen av flödet av polymerlösningen möjliggöra fler precise, föreskrivna fiberdiametrar genom reglering av pärlstorlek vid sprutspetsen. Således detta arbete beskriver genomförandet av en 3-axlig automatiserad dispenseringssystem med pneumatiskt dispenser ventil för att exakt kontrollera polymerlösningen flödeshastigheten och dricks pärlstorlek att skapa skriven, micron / submikrona svävande strukturer.
Innan varje försök, är det kritiskt att viskositeten, massöverföringskoefficienterna och ytspänning test av polymerlösningarna noggrant mätas för att avgöra om roboten och utlämningssystemet kan behandla den önskade polymeren. Som tidigare beskrivits av vår grupp, måste polymerlösningar behålla tillräcklig: 1) ytspänning för att möjliggöra bildandet av vätskefilament i micron / submikrona strukturer; 2) viskositet för att motstå kapillär bryta upp; och 3) avdunstningshastigheten för att öka fiberstel 18. Synergin mellan dessa parametrar är nyckeln till ett framgångsrikt producera fibrer över ett angivet intervall av diametrar. Samtidigt, instabilitet i någon av dessa parametrar förhindrar bildandet av mikron / submikrona skala fibrer. För att upprätthålla synergin mellan dessa parametrar under fibertillverkning, är det viktigt att se till att nålen och nålventilen är noggrant rengöras efter en direktskriv session att förhindra: 1) kontaminering av lösningen; 2) en minskning i polymerlösningen flödeshastigheten genom nålen; och, 3) överdriven tillväxt i polymerpärla vid spetsen av nålen. Dessutom måste den temperatur-regulator på värmaren sättas till den önskade temperaturen för att bibehålla en konstant avdunstningshastighet av polymerlösningen.
De förgrenade gren fibrerna var 59%, 41% och 24% större i diameter än den hos stödstrukturerna i figurerna 6-8, respektive, med användning av PMMA-lösning 24%. Detta beror främst på det avstånd vid vilken fibrerna dras. Närmare bestämt är stödstrukturerna dras tvärs över hela bredden av substratet (10,0 mm i X- och Y-riktningarna; 14,4 mm diagonalt). Som ett resultat av detta är de längsta fibrerna i övergripande svävande strukturer. De förgrenade branschstrukturer är betydligt kortare, från 7 mm maximala längd ner till 2,5 mm. Denna kortare fiberdragning längd gör ingent effektivt inducera fiber stammen krävs under fiber gallring processen för att producera fibrer med liten diameter. Å andra sidan, är trådar med större diameter som krävs för att tjäna som stödfibrerna för att effektivt upprätthålla rycka och deformation induceras under den förgrenade grendragningsprocessen. Som bifurkationen grenarna dras tvärs stödfibrerna, kan en ombyggnad av stödfibergeometri uppstå på grund av ritningskrafter samt en lokaliserad upplösning av PMMA polymeren vid gränsytan mellan bäraren och grenade fibrer från det lösningsmedel som föreligger i polymerlösningen. Således, i vissa fall kan stödfibrerna måste vara tillverkade av en polymerlösning bestående av en högre koncentration av polymer för att producera större diameter och mekaniskt starkare fibrer.
Det är främst tre effektiva metoder för att ändra det befintliga protokollet att generera ett bredare spektrum av stöd och grenade fiberdiametrar: 1) initialt avstå polymeren från en större nålspets (t.ex. 25 g; ID = 254 nm) för att generera stödfibrerna och sedan byta till en mindre nålspets (t.ex. 32 G, ID = 101,6 nm) för att tillverka de mindre grenade fibrer; 2) som nämnts ovan, använda flera polymerkoncentrationer; och / eller, 3) justera matningshastigheten, dvs den hastighet med vilken det stadium passerar, där ökning av matningshastigheten ger fibrer med mindre diameter och minskning av matningshastigheten skapar fibrer med större diameter. Hittills har vi lyckats med att tillverka fibrer så små som 90 nm; dock låg fiber avkastningen på denna dimension på grund av kapillär upplösning.
En begränsning hos den automatiserade direktskrivprocess är att endast en koncentration av polymerlösningen kan dispenseras samtidigt. Detta begränsar graden av komplexitet hos de suspenderade strukturerna som skall utvecklas utan att behöva: 1) lägga till en andra utmatningsventil till roboten;eller, 2) ta bort den befintliga ventilen och utför rengöringsprotokoll (avsnitt 3.4) innan dispense den andra polymerlösningen, som tar extra tid. En andra begränsning är matningshastigheten (eller utskriftshastighet), där den maximala matningshastigheten som systemet kan uppnå är 500 mm / sek. Det finns dock en kompromiss mellan matningshastighet och fiberbildning. Om närmare bestämt tröghetskrafterna (krafterna på grund av matningshastigheten) är större än ytspänningskrafterna och avdunstningshastigheten av polymerlösningen, inte fiberbildning förekommer inte. Å andra sidan, om matningshastigheten är för låg, kommer fibrer fraktur på grund av överdriven avdunstning före och under töjning processen. För det tredje, är fiber och strukturdimensioner begränsas till arbetsområdet på scenen av roboten, det vill säga 200 mm, 200 mm och 25 mm (med 10 um lägesnoggrannhet) i x, y och z-riktningarna, respektive. Ändå gör denna process gör det möjligt för bildandet av högt sidoförhållande (fiber lä ngd: diameter) fibrer. Strategiskt variera doseringsspetsen storlek och polymerlösningen koncentrationen skulle göra det möjligt för ett bredare spektrum fiberdiameter, vilket skapar möjligheten att generera fritt svävande strukturer av högre komplexitet.
Genom att följa de protokoll som anges ovan, kan Micron och submikron diameter polymerfibrer genereras med en hög nivå av fysisk kontroll genom att utnyttja ytspänning drivna strömningsmekanik av polymerlösningar, som inte kan kontrolleras med andra våta, torra eller electro processer . Från tidigare arbete 8,19, vi vet att denna teknik kan användas för att tillverka komplicerade mikro / submikrona fluidanordningar 19 och bioengineered ställningar 8. Denna billig och enkel teknik har sina fördelar jämfört med traditionella hyvel tillverkningsmetoder på många sätt.
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 |