Summary
Et tilsætningsstof fremstillingsindustrien strategi for behandling af UV-crosslinkable hydrogels er blevet udviklet. Denne strategi giver mulighed for lag-på-lag forsamling af microfabricated hydrogel strukturer samt samling af uafhængige komponenter, fremstilling af integrerede enheder indeholdende bevægelige komponenter, der er lydhøre over for magnetiske aktivering.
Abstract
Polyethylenglycol (PEG)-baseret hydrogels er biokompatible hydrogels, der er godkendt til anvendelse i mennesker af FDA. Typiske PIND-baserede hydrogels har enkle monolitisk arkitekturer og ofte funktion som stilladser materialer til tissue engineering applikationer. Mere sofistikerede strukturer typisk tage lang tid at fabrikere og gør ikke indeholde bevægelige komponenter. Denne protokol beskriver en fotolitografi metode, der giver mulighed for let og hurtig microfabrication af PIND strukturer og enheder. Denne strategi indebærer et in-house udviklede fabrikation stadium, der giver mulighed for hurtig fremstilling af 3D strukturer ved at bygge opad i et lag-by-lag-mode. Uafhængige flytte komponenter kan også justeret og samles på støttestrukturer at danne integrerede enheder. Disse uafhængige komponenter er dopet med superparamagnetisk jernoxid nanopartikler, der er følsomme over for magnetiske aktivering. På denne måde, kan de opdigtede enheder aktiveres ved hjælp af eksterne magneter til at give bevægelse af komponenter inden for. Derfor, denne teknik giver mulighed for fremstilling af sofistikerede MEMS-lignende enheder (micromachines), der består udelukkende af et biokompatibelt hydrogel, stand til at fungere uden en indbygget strømkilde, og reagere på en kontakt-mindre metode til aktivering. Dette manuskript beskriver fabrikation af både fabrikation set-up og den trinvise metode for microfabrication af disse hydrogels-baserede MEMS-lignende enheder.
Introduction
MEMS enheder har fundet en lang række applikationer især inden for medicinsk udstyr. Selv om de låne en masse tilsat funktionaliteter og miniaturized arten af disse enheder gør dem attraktive til brug som implantables1,2,3, disse enheder ofte har iboende sikkerhed og biokompatibilitet spørgsmål, som de er sammensat af materialer, der kunne være skadelige for den menneskelige krop (f.eks. metaller, batterier, osv.)4,5,6. PIND-baserede hydrogels er flydende hævede polymer netværk og har været hyppigt bruges til applikationer såsom tissue engineering stilladser i vid udstrækning til dels på grund af deres høje biokompatibilitet7,8. PIND-baserede hydrogels har også været FDA-godkendt til brug i mennesker9,10,11. Men på grund af materialeegenskaber af hydrogel, de ikke nemt modstå normale produktionsprocesser som teknikker, der anvendes i typiske silicium-baserede microfabrication. Hydrogel-baserede konstruktioner er således typisk begrænset til enkle monolitisk arkitekturer. Nuværende bestræbelser på microfabrication af hydrogels har resulteret i strukturer med micron mellemstore funktioner; disse strukturer er imidlertid ofte af et enkelt lag og et enkelt materiale12,13 og manglende flytte komponenter14,15,16.
I et tidligere arbejde beskriver vi en strategi for at fabrikere micromachines, der er sammensat udelukkende af et biokompatibelt PIND-baserede hydrogel materielle17. Micron mellemstore funktioner kan fremstilles nemt ved hjælp af en fotolitografi metode og disse strukturer kan bygges opad ved hjælp af et lag på lag metode, aktiveret af underlaget, hydrogels er polymeriserede præcise z-akse bevægelse. Hydrogels af forskellige kompositioner kan være opdigtet støder op til hinanden. Derudover har disse enheder bevægelige komponenter, der kan aktiveres ved hjælp af en ekstern magnet. Denne alsidige teknik er også velegnet til behandling af blødt materiale eller hydrogel, der er foto-polymerizable. Denne teknik er således velegnet til opdigte sofistikerede MEMS-lignende enheder består udelukkende af hydrogels.
Protocol
1. fabrikation fase
- Samle fabrikation (figur 1) set-up bestående af en in-house bygget fase og PDMS kammer, hvor komponenterne hydrogel er polymeriserede. Fabrikation fase består af en acryl top, hvor spor og kanaler blev bearbejdet for at vakuum-forbindelser, en holder til armaturet af en mikrometer hoved inden for stadiet vakuum-aktiveret og gevind stål indlæg, der giver mulighed for hele scenen skal fastsættes på Stålfod til stabilisering.
- Fix lederen af mikrometer med en akryl stykke, der er bearbejdet for at have spor for vakuum forbindelse. Vakuum forbindelser tillader brugeren at holde nede PDMS salen samt færdes PDMS salen den fleksibel membran.
- Placer en UV lyskilde (320-500 nm) over fabrikation scenen, således, at indfaldende lys er vinkelret i forhold til det vandrette plan af fase (tillægs figur 1).
2. fabrikation af PDMS kammer og bestemme dens "Nul" niveau
- Gøre en PDMS kammer, hvor hydrogels vil være polymeriserede (Se figur 1A, PDMS kammer). Parlamentet består af en PDMS godt med en fleksibel membran som et glas coverslip er bundet. Glas coverslip, der er fæstnet til den fleksible PDMS membran er yderligere behandlet for at forhindre friktion af hydrogels (trin 2.1.7).
- Forberede en 9 del PDMS base til 1 del hærdning agent blanding (efter vægt).
- Rør godt med en glasstav til at sikre, at basen og hærdning befuldmægtigede er godt blandet. Der centrifugeres ved 1.000 x g at fjerne luftbobler.
- Omhyggeligt hæld PDMS blandingen i to glas petriskåle til at give et tykt lag (~ 3 mm) og et tyndt lag (~0.2 mm). Placer PDMS-fyldt petriskåle på en flad, plan overflade og helbrede natten ved stuetemperatur eller i 30 minutter i en ovn med temperatur på mindst 75 ° C.
Bemærk: Et tyndt lag af PDMS kræves base PDMS kammer det sørger generation af et fleksibelt lag, der kan flyttes nemt i z-retning af mikrometer skrue gauge. PDMS lag skal være flad og plan for at sikre, at polymeriseret hydrogel lag af ensartet tykkelse. - Efter PDMS er fuldt hærdet, skåret en 4 cm diameter cirkel i det tykke lag ved hjælp af en skalpel blade eller lommekniv. Skrælle den tykke PDMS lag fra glas petriskål. Placer den tykke PDMS lag (bunden op) og det tynde lag, PDMS (stadig i glas petriskål) i en plasma ovn.
- Plasma behandle de to PDMS lag (30 s, air plasma) og bond den nederste side af laget tykt PDMS på top-siden af laget tyndt PDMS. Fjerne de agglomererede stykker fra glas petriskål til at danne en cirkulær godt med det tynde lag danner en fleksibel membran base.
Bemærk: Før fjernelse af agglomererede lagene fra glas petriskål, de to agglomererede lag kan placeres på en varmeplade ved 95 ° C at tilskynde til limning af lagene. - Plasma bond et glas coverslip (nr. 2, 22 mm x 22 mm) på top-siden af den fleksible PDMS membran; plasma behandle både glas coverslip og PDMS kammer fra trin 4 for 30 s (air plasma) og sted glas coverslip i kontakt med den øverste side af fleksibel membran base på obligationen det til membranen.
- Dampe silanize PDMS kammer med trichlor (1H, 1H, 2H, 2H - perfluorooctyl) silan (PFOTS) i mindst 30 minutter; Placer PDMS kammer i et vakuum ekssikkator sammen med en lille petriskål med 60 µL af PFOTS og Tilslut den lukkede Exsikkator til det centrale laboratorium vakuum system. Forlade ekssikkator tilsluttet vakuum system til mindst 30 minutter.
- Sikre at ekssikkatoren vakuum segl genereres og at dråbe af PFOTS "bobler" efter 5-10 minutter. Vapor silanisering af PDMS kammeret tillader facile fjernelse af dannede hydrogel lag og forhindrer stærk vedhæftning af polymeriseret PIND hydrogels til glasoverfladen efter længere tids brug.
- For at bestemme den "nul" niveau af PDMS kammer, Placer den på en vakuum-aktiveret scenen (tilsluttet laboratorium central vakuum system).
- Anvende negative pres for at holde PDMS salen. PIND hydrogel strukturer vil være polymeriserede i salen PDMS (figur 1A, fabrikation område).
- Placere en ubehandlet glas coverslip på toppen af PDMS kammeret, således at den dækker godt. Afstanden mellem den øverste glas coverslip (top substrat) og nederste glas coverslip (bunden substrat) definerer tykkelsen af laget hydrogel, der er dannet inden for PDMS kammer.
- Bruger mikrometer hoved, skubbe nederste substrat opad indtil den er i kontakt med den øverste substrat. Brug læsning på mikrometer hoved, som "nul" niveauet for PDMS kammer og som en reference ved fastlæggelsen af polymeriseret hydrogel lag tykkelse.
3. Photomask Design for Photopolymerization af Hydrogel mikrostrukturer
- For at designe komponeneter, bruge CAD software.
- Designe hver unik lag i strukturen hydrogel, der er at være opdigtet. Henvises til figur 2 for eksempel enheden opdigtet benytter denne protokol. Figur 2 viser 3D skematisk af denne enhed, de tilsvarende lag for at være fabrikeret samt den komponeneter, der var beregnet til fremstilling af disse individuelle lag.
- Design komponeneter i mørkefelt; funktioner til at være polymeriserede bør være gennemsigtig og baggrunden er uigennemsigtigt (figur 2 C, supplerende figur 2).
- Indarbejde justering mærker i photomask designs at lette tilpasningen af komponeneter under fabrikationsproces.
- Udskrive designene som gennemsigtighed komponeneter ved den højeste mulige opløsning og høj pixel tætheder.
4. behandling af glas Coverslips at forhindre friktion af Hydrogels
- Hvis du vil oprette overflader, at frastøde den polymeriserede PIND hydrogels, er glas coverslips belagt med et tyndt lag af PDMS.
- Forberede PDMS (9:1 base til hærdning agent ratio) og centrifugeres ved 1.000 x g at fjerne luftbobler.
- Påfør et tyndt lag af PDMS rengjorte glas coverslips og lad hærde på en flad, plan overflade i en ovn (> 75 ° C, 30 min).
5. lag-på-lag fabrikation af Hydrogels: Top forsegling lag og nederste støtte strukturer
- Hvis du vil oprette et hydrogel lag, som senere skal benyttes til at forsegle den dannede enhed, skal du bruge en ubehandlet stykke glas coverslip (No.2) som et "låg" PDMS kammer. Denne "låg" omtales som den øverste substrat.
- Startende fra "nul" niveauet for enheden, sænke bund underlaget ved hjælp af mikrometer hovedet til den ønskede højde. Afstanden mellem de øverste og nederste substrater definerer tykkelsen af den første hydrogel lag (Z1, figur 3A).
- Deponere en lille mængde af PEGDA prepolymer (f.eks. en blanding af 400Da PEGDA med 1% Darocur 1173), tilstrækkelig til at dække bunden substrat.
- Placere den øverste substrat til PDMS kammer.
Bemærk: Det er vigtigt at sikre, at der er ingen luftbobler fanget mellem de øverste og nederste substrater. - Placere en photomask med ønskede design på toppen af den top substrat (figur 2 c (i)). Sikre, at masken i fuld kontakt med den øverste substrat og tilpasset til bunden substrat.
- Udsætte hydrogel prepolymer for UV-lys gennem photomask (trin 1, figur 3A). Sikre, at eksponering er gjort inden for et lukket rum, der forhindrer omstrejfende UV-lys eksponering til det omkringliggende område.
Forsigtig: Bære UV-beskyttelse (fx UV beskyttelsesbriller) når den driftssystem.
Bemærk: Magt og varigheden af eksponering afhænger af type af UV system og PEGDA prepolymer anvendes. - For eksempel, for en 200 W UV lampe og 99% PEGDA (400 Da PEGDA med 1% photoinitiator (v/v)) prepolymer løsning, indstille lyskildens effekt på 16% (svarende til ~2.3 W/cm2) og helt helbrede hydrogels inden for 4 sekunder. Varigheden af eksponering bør øges med faldende lyskildens effekt og øge PIND kædelængde af prepolymer anvendes.
- Efter hydrogel lag har været polymeriserede, løft PDMS salen den øverste substrat. Den polymeriserede lag skal overholdes på den øverste substrat (indsatser til trin 1, figur 3A). Reserve dette overholdt lag til brug for senere at forsegle den samlet enhed. Skjold dette polymeriseret lag fra lys.
Bemærk: Holde denne polymeriseret lag væk fra lys og våd med overskydende uncrosslinked prepolymer at forhindre lag fra udtørring og revner.
- For at oprette støttestrukturer bunden, skal du bruge PDMS-belagt glas coverslips som den øverste substrat PDMS kammer.
- Indbetale mere hydrogel prepolymer på bunden substrat og dække PDMS godt med en PDMS-belagt glas coverslip. Dette er at sikre, at de polymeriserede lag forbliver på bunden substrat, tillade bruger hen til opbygge lag opad (trin 2, figur 3A).
- Gentag trin 5.1.4 og 5.1.5 med den ønskede photomask design (figur 2 c (iii)).
- Fjern den øverste substrat og tilføje flere PEGDA prepolymer og sænke bund underlaget ved hjælp af mikrometer hoved til det ønskede niveau. Denne plan bør svare til tykkelsen af laget 2nd af hydrogel skal polymeriseret (Z2, trin 3, figur 3A).
- Dække PDMS godt med den øverste substrat (PDMS-belagt glas) og gentage trin 5.1.4 og 5.1.5.
- Løbende opbygge lag af hydrogel som ønskede ved hjælp af trin 5.2.1 og 5.2.2, indtil de ønskede støttestrukturer er dannet.
6. montage og forsegling Hydrogel-baseret enhed
- For at samle og forsegle enheden, først fjerne det øverste substrat (PDMS-belagt glas) og med en pincet, placere præformerede hydrogel komponenter (fx tandhjul, jern-doped komponenter) på støttestrukturer (del (i), trin 4, figur 3A ).
Bemærk: En permanent magnet kan bruges til at justere jern-doped komponenter (henvise til jernoxid doping af hydrogel komponenter til fabrikation trin). - For at forsegle enheden, først bringe bunden substrat til den endelige ønskede højde af den samlede enhed bruger mikrometer skrue gauge. Dette bør være den endelige højde på enheden, under hensyntagen til tykkelsen af lag, indvendige komponenter og enhver frirum givet til at flytte komponenter (Z4, trin 5, figur 3A)
- Sted præformerede hydrogel lag overholdes på ubehandlede glas coverslip fra 5,1 på den delvist samlet enhed (del (ii), trin 4, figur 3A). Omhyggeligt placere præ-dannet laget, så det er korrekt justeret til strukturer under den.
- Placer en photomask, der giver mulighed for forsegling af enheden, men beskytter kraterets flytte komponenter fra UV-eksponering. Sikre, at de bevægelige komponenter ikke polymeriserede til kanterne af enheden, forhindrer deres bevægelighed under aktivering.
- Udsætte hele strukturen for UV-lys (del (i), trin 5, figur 3A).
- Løft glas coverslip fra stadiet fabrikation. Den forseglede enhed bør overholde de øverste substrat ((del (ii), trin 5, figur 3A).
Bemærk: Hvis enheden stadig er overholdt til bunden underlaget, løft forsigtigt enheden med et par flade-tippet (ikke-savtakkede) pincet eller en flad spatel. - Fjern forsigtigt overskydende Upolymeriseret PEGDA ved hjælp af vakuum sug og løft forsigtigt for enheden, glas coverslip ved hjælp af et par flade pincet eller flad spatel.
- Placer enheden i saltvandsopløsning eller Deioniseret vand. Hydrogels svulme i løsning. Lad enheden i løsning i mindst 30 minutter for at muliggøre stabilisering og udvidelse af enheden og de indvendige komponenter.
Bemærk: Hvis enheden skal bruges til i vivo implantation, det er vigtigt at skylle og udvaskes off enhver uncrosslinked præpolymerer. Dette kan gøres ved at ændre den løsning, hvor enheden er udruget i hver time (mindst 3 skylninger) og forlader enheden i løsning overnight, og føres ud med flere løsning. - Fjerne luft inden for enheden ved at placere enheden i en petriskål, fyldt med Deioniseret vand eller saltvand i et vakuumkammer (tilsluttet centrale laboratorium vakuum systemer) i mindst 30 minutter. Dette vil resultere i afgasning af enheden, og enheden vil blive fyldt med løsning når undertryk er fjernet.
Bemærk: Holde enheden hydreret/i løsning, på alle tidspunkter. Enheden kan knække bør det overlades til at tørre ud.
7. jernoxid Doping af Hydrogel komponenter
- Forberede en PEGDA prepolymer løsning med 1% photoinitiator (f.eks. 99% (v/v) PEGDA (400 Da) med 1% Darocur 1173).
- Brug denne prepolymer løsning, gøre en 5% (w/v) opløsning af jernoxid (II, III) nanopartikel løsning. Afvejes 5 mg af jernoxid nanopartikler og tilsæt 100 µL af PEGDA prepolymer. Pipetteres op og ned og vortex at sikre ensartet blanding.
- Sikre, at nanopartikler homogen måde spredt inden for PEGDA prepolymer før hver brug som nanopartikler vil sediment over tid.
- Tilsæt en lille mængde af jern oxid - PEGDA prepolymer blandingen på bunden substrat PDMS kammer.
- Dække PDMS godt med den øverste substrat (PDMS-belagt glas) for at sikre, at de dannede hydrogels forbliver på bunden substrat.
- Bringe bunden substrat til den ønskede højde ved hjælp af mikrometer hoved.
Bemærk: Tynde lag (200 µm) af jernoxid-doped PEGDA bør være polymeriserede med hver enkelt eksponering. Dette er på grund af faldet i dybde af penetration af UV lys som jernoxid nanopartikler er uigennemsigtig og er i stand til at absorbere og blokere for UV-lys. - Ved hjælp af en photomask, der definerer figuren af segment til at være dopede med jernoxid inden for den bevægelige komponent, udsætte det tynde lag af jernoxid doteret prepolymer for UV-lys (figur 4(i)).
Bemærk: UV eksponeringstid bør forhøjes for at sikre, at det jern-doped segment er fuldt krydsbundet (~ 10 sekunder). - Sænke bund substrat og Gentag trin 6, bygning af jern-doped segment i tynde lag hver gang til den ønskede højde (figur 4(ii)). Ialt 5 lag bør være polymeriserede for at give en 1mm høje jern-doped segment.
- Efter det jern-doped segment er komplet (figur 4(iii)), fjerne eventuelle overskydende jern-doped prepolymer ved hjælp af vakuum sug. Fjern ikke den jern-doped segment fra stadiet fabrikation.
- Depositum PEGDA prepolymer (undoped) på den polymeriserede jern-doped segment. Bringe bunden substrat til den endelige højde af komponenten skal udfyldes. Dække PDMS godt med den øverste substrat (PDMS-belagt glas).
- Ved hjælp af en photomask, der definerer den hel figur af den bevægelige komponent, udsætte PEGDA prepolymer samt jern-doped segment, at UV-lys (figur 4(iv)).
- Fjern den øverste substrat og Fjern overskydende Upolymeriseret PEGDA prepolymer ved hjælp af vakuum sug. En PIND komponent med en doteret jernoxid segment skal forblive på bunden substrat. Forsigtigt løfte denne komponent med en pincet.
- Reserve denne jern-doped komponent til montering på støttestrukturer på en PIND-baseret enhed (del (i), trin 4, figur 3A). Skjold denne komponent fra lys og sikre, at det forbliver fugtet med uncrosslinked prepolymer før brug.
8. aktivering af enhedens samlede
Bemærk: De jern-doped komponenter inden for en samlet enhed kan aktiveres for at flytte ved hjælp af en stærk permanent magnet såsom neodym (N52 styrke). Vær omhyggelig med at undgå klemning farer, som disse magneter er meget stærkt tiltrukket af ferromagnetiske materialer.
- Placer en neodym magnet under eller over enhed inden for 1-2 cm væk fra enheden. Mens du flytter magneten, bør flytning af jernoxid doteret komponenter shadow bevægelse af magnet.
Bemærk: En aktuator kan blive bygget ved hjælp af en motor, der er fastgjort med en magnet. Rotation af motoren skal tillade roterende aktivering af komponenten jern doteret.
Representative Results
Figur 3B viser billeder af lag af hydrogels polymeriserede ved hjælp af fabrikation set-up. Figur 3B (i) viser en opdigtet 400 µm tykt base lag med en 600 µm blænde. Figur 3B (ii) viser yderligere to lag, der var lag oven på basislaget; en 500 µm høje omkreds og en 800 µm høje aksel i midten. Den samlede fabrikation tid for disse tre lag var mindre end 3 minutter under hensyntagen til 4 sekunder af eksponering for hvert lag og tid at justere højden på bunden substrat og justering af komponeneter. Tidligere arbejde udføres på den samme fabrikation set-up viser, at en række design kan fremstilles med en opløsning så høj som 100 µm.
Hydrogel komponenter kan også nemt være dopede med jernoxid nanopartikler. Eksponering gange var optimeret til at sikre tynde lag (200 µm) af PEGDA præpolymerer doteret med jernoxid nanopartikler kan være fuldt polymeriserede. Fig. 5A viser photomask bruges til at definere formen af jernoxid segment skal være polymeriserede. Un-doteret PEGDA prepolymer kan være fuldt polymeriserede inden for 4 sekunder af UV-eksponering. Men når jernoxid doteret prepolymer blev udsat i 4 sekunder til UV, den deraf følgende hydrogel var ikke fuldt polymeriserede, som kan ses i figur 5 c. Segmentet genereret var tyndere (i forhold til et fuldt krydsbundet segment vist i figur 5B), og kanterne var ujævn med kompromitteret troskab i forhold til figuren defineret af photomask. UV-eksponering af 10 sekunder var forpligtet til at fuldt tværs linker jernoxid segment og figur 5B viser jernoxid segment, der blev genereret; polymeriseret jernoxid segment har en fuld tykkelse (200 µm) med lige kanter, og figur troskab er nøje opretholdes i forhold til photomask (figur 5A). Omvendt, over eksponering (> 15 sekunder) for UV-lys genereret jernoxid segmenter, der var over polymeriserede. Figur 5 d viser en over polymeriserede segment, der har dårlig form troskab og er større end figuren defineret af photomask.
Figur 6A viser en komplet enhed efter forsegling med korrekt justering ved at udnytte komponeneter med justering mærker. Gear i enheden er helt inden for det centrale tomrum i enheden og er således lydhør over for magnetiske aktivering. Figur 6B viser en enhed med en fejljusteret forsegling lag. Figur 6 c viser de nederste lag af hydrogel og gear, selv belyst med sorte konturer og figur 6D viser fejljusteret forsegling af top hydrogel lag belyst i hvid skitserer. Som det fremgår af figur 6D, dele af gearet, der falder inden regioner hvor polymerisering ville finde sted under forsegling (vist i rødt fyld) resultater i dele af gear fastgøres i hovedparten af hydrogel materiale. Dette forhindrer gear bevæger sig under aktivering.
Figur 7 viser en funktionel enkelt gear enhed, der blev fabrikeret (samlet fabrikation tid ~ 15 minutter). Den samlede tykkelse af enheden er 2 mm og den længste dimension af enheden er 13 mm. De øverste og nederste lag af enheden er 400 µm tykt og gear har en højde på 1 mm. Dette design giver mulighed for en 100 µm clearance på toppen og bunden overfladen af gear til at give mulighed for bevægelse. De fleste slidlaget af enheden har en 600 µm blænde og aksel for gear er 400 µm i diameter. Figur 5B viser billeder af enheden, når den aktiveres med en magnet, så gearet udfører en fuld rotation, som kan observeres fra ændringen i holdning af jernoxid segment fra (i) gennem (vi).
Figur 1 . Fabrikation set-up for hydrogel-baserede micromachines. A) skematisk af fabrikation fase. Dette diagram viser de forskellige komponenter af den fabrikation struktur herunder PDMS salen, hvor hydrogels er dannet inden for fabrikation, en vakuum-aktiveret fase, som holder ned PDMS salen samt lægger den fleksibel membran til en mikrometer hoved højde kontrol og top substrat består af et glas coverslip, der enten ubehandlet eller belagt med PDMS. B) skematisk af ovenfra af fabrikation fase (uden PDMS afdeling). UV-lyskilden er så placeret således, at indfaldende lys er vinkelret i forhold til det vandrette plan af fabrikation fase (ikke vist i figur). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2 . Skematisk af single-gear hydrogel-baseret enhed og komponeneter bruges til hvert lag. A) skematisk af top - og skrå-visningen af en typisk hydrogel-baseret enhed, der kan være fremstillet ved hjælp af denne strategi. Denne enhed består af en enkelt gear, der indeholder en jern-doped segment, som giver mulighed for magnetisk kontrol. B) skematisk af de enkelte lag og komponenter inden for enheden. Denne single-gear enhed består af en top forsegling lag (i), støttestrukturer som indlæg for de jern-doped gear og vægge af enheden (ii) samt en nederste lag (iii). C) Photomask design, der anvendes til at fremstille den single-gear enhed. Komponeneter er designet mørke feltet; ønskede funktioner tilbage gennemsigtig selv baggrunden er mørk. Dette panel viser photomask designs svarende til toppen forsegling lag (i), støttestrukturer (ii) og nederste lag (iii). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3 . Lag på lag fotolitografi af hydrogel-baserede micromachines. A) skematisk af en trinvis proces for enheden fabrikation inden for fabrikation af PDMS kammer. 1: en lille mængde af PEGDA prepolymer er pipetted på glas coverslip bundet til den fleksibel membran PDMS kammer (bunden substrat). Et stykke af ubehandlede glas coverslip bruges som den øverste substrat og en photomask er placeret på toppen af denne top substrat. Højden af bunden substrat er bragt til den ønskede højde (Z1) ved hjælp af mikrometer hoved. Hydrogel prepolymer er derefter udsat for UV-lys gennem photomask. Den øverste substrat kan derefter ophæves off PDMS kammer og hydrogel resterne levet op til den øverste substrat (indsatser). Dette lag er derefter reserveret til senere brug. 2: trin 1 gentages, men den øverste substrat er nu erstattet med PDMS-belagt glas. Den polymeriserede hydrogel bliver overholdt til bunden substrat. 3: højden af bunden substrat er sænket (Z2> Z1) og flere prepolymer kan føjes til området fabrikation. En anden photomask er brugt og prepolymer er udsat for UV-lys igen. 4: trin 3 kan gentages (Z3 > Z2) indtil de ønskede støttestrukturer er oprettet. (i) når støttestrukturerne er afsluttet, kan den øverste substrat fjernes for at give adgang til fabrikation område for indførelsen af præfabrikerede hydrogel komponenter (fx jern-doped gear). (ii) når de præfabrikerede komponenter er blevet placeret og korrekt justeret, kan hydrogel lag fra trin 1 anbragt oven på den opdigtede struktur og justeret. 5: alle lag er derefter udsat for UV-lys gennem en photomask, der forsegler kanterne af enheden. (i) den forsegling trin sæler hele enheden, mens de indvendige komponenter er afskærmet fra yderligere UV eksponering. (ii) den forseglede enhed kan derefter løftes af fabrikation kammer, som det vil fortrinsvis overholde de øverste substrat. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4 . Trin til jernoxid nanopartikel doping af hydrogel komponenter. a UV-lys er udsat gennem en photomask, definere de jernoxid-doped segment inden for hydrogel gear. (ii) tynd (200 µm) lag af jernoxid-doped hydrogel er polymeriserede hver gang og stablet oven på hinanden. (iii) lag af tynde lag opretter en målgruppe med totalhøjde på 1 mm. Dette segment er tilbage i laget fabrikation. (iv) un-doteret prepolymer er derefter indsat på området fabrikation og en photomask, der definerer gearet komplet form bruges derefter under cross-linking. Dette gør det muligt for dannelsen af den komplette gear med en jernoxid-doped segment. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5 . Photopolymerization af jern oxid-doped hydrogel komponenter. A) Photomask af gear segment til at være dopede med jernoxid nanopartikler. B) jernoxid-dopede hydrogel, der har været optimalt polymeriserede (10 s eksponering). C) jernoxid-dopede hydrogel, der har været under-polymeriserede (4 s eksponering). D) jernoxid-dopede hydrogel, der har været polymeriserede over (20 s eksponering). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6 . Justering af hydrogel lag under forsegling af enheden. A) billede som viser den korrekte tilpasning af hydrogel lag med fri bevægelse gear er helt inden for tomrummet i enheden. B) billede viser enhed med fejljusteret hydrogel lag (B, C og D er billeder af den samme enhed, men med forskellige lag fremhævet). C) samme billede som i (B) men med sorte konturer belyse nederste lag, som er justeret korrekt. Gear er korrekt placeret inden for de nederste lag. D) samme billede som i (B), men med hvid skitserer viser en fejljusteret øverste lag af hydrogel. Gear har været delvist polymeriserede under forsegling trin og dele af gear (rød fyld) har været forankret til bulk materiale af enheden. Dette gør enheden ikke-funktionel. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7 . Aktivering af en single-gear hydrogel-baserede micromachine. A) billede som viser opdigtede enheden. B) billeder viser de forskellige retningslinjer for gear ved aktivering. (i) fra sin oprindelige retning (0°) roteres gear (ii) 60°, (iii) 120°, (iv) 180°, (v) 240° og 300°. Skalalinjen er 1 mm Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8 . Alsidig fabrikation af forskellige designs til hydrogel-baserede micromachines. A) en simpel gate ventil, som kontrollerer frigivelsen af narkotika fra et enkelt reservoir. Den lineære bevægelse af komponenten jernoxid-doped hydrogel gates udbredelsen af en hypotetisk stof ud gennem og outlet. B) en låge lineær manifold, som kontrollerer frigivelsen af lægemidler fra flere reservoirer. Hver reservoir indeholder hypotetiske narkotika og flytning af jernoxid-doped komponent gates bevægelighed for narkotika ud af disse reservoirer gennem et vindue af hydrogel, der giver mulighed for udbredelse af disse stoffer ud til udvendige. C) et simpelt rotor, der kan aktiveres for at dreje om en akse. D) en sofistikeret design baseret på Genève-drev. En drivende gear med en PIN-kode er i stand til at engagere en større drevet gear og producere intermitterende bevægelse; en fuld rotation af det drivende gear roterer den drevet gear ved 60°. Alle skala barer er 1 mm. Fra hage, S. Y. et al. Additive fremstilling af hydrogel-baserede materialer til næste generations implantable medicinske indretninger. Videnskab robotteknologi. 2 (2), (2017). Genoptrykt med tilladelse fra AAAS17. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
Denne teknik er en letkøbt og hurtig metode til lag-på-lag fotolitografi af hydrogel mikrostrukturer. Ved hjælp af et tilsætningsstof fremstilling tilgang, kan vi nemt bygge en række forskellige 3D strukturer ud af biokompatible materialer og endda optage bevægelige dele. Dette ville dermed aktiverer dannelsen af helt biokompatible microdevices. Teknikken er baseret på simpel gentagelse af litografi trin, som er aktiveret af den præcis kontrol af højden af bunden substrat via en mikrometer hoved. Traditionelle fabrication teknikker, der anvendes i MEMS industri, der involverer barske behandling teknikker og opoffrende materialer, er ofte ikke kompatibel med forarbejdning af blød hydrogels. Andre metoder til 3D udskrivning hydrogels som ekstrudering-baserede metoder, er begrænset til rumlige resolutioner over 200 µm og udskrive hastigheder på mm/s for enkle strukturer, der ikke omfatter flytter dele18,19. Stereolithography (SLA) og digital lys projekt (DLP) baseret bioprinters måske være i stand til at opnå bedre beslutninger, men er også meget dyrere at setup. Strategierne fabrikation er også ikke kan nemt udskrive udhæng uden støtte substrat materialer, som kan være vanskeligt at introducere og fjerne fra de færdige enhed. Vi omgå dette ved at justere og polymeriserende en præformerede forsegling lag til den opdigtede støttestruktur som et sidste skridt til at danne den færdige enhed. Design af fabrikation set-up giver brugeren let adgang til de fabrikerede strukturer og giver mulighed for nem justering af forskellige komponenter med anvendelse af justering mærker.
Den strategi, der præsenteres her er også en meget hurtigere end andre teknikker af lignende beslutninger; den samlede tid, det tager for den påviste fabrikation af enheden med en roterende er omkring 15 minutter. En anden tilføjede fordel af denne fabrikation strategi, selv ikke påvist i denne protokol, men vist i vores tidligere arbejde17, er muligheden for at brugeren kan hurtigt og nemt ændre type for polymer, der anvendes mellem trin, hvilket kan gøres i små mængder . På denne måde kan man skabe enheder, der er sammensat af forskellige typer af hydrogels. Enheden opdigtet benytter denne strategi også har den ekstra fordel af kontaktløs aktivering som gear indeholder et segment, der er doteret med jernoxid nanopartikler, rendering gear følsomme over for magnetiske aktivering og kan dermed aktiveres ved hjælp af en ekstern magnet. Derudover enheden er helt biokompatible og derfor kan være sikkert implanteret i vivo.
Et vigtigt træk ved denne teknik er behandling af de forskellige glas substrater, der gør det muligt for brugeren at fortrinsvis overholder eller frastøde den polymeriserede hydrogel til enten bunden eller toppen glas substrat. Når en kombination af ubehandlede glas bruges med en PFOTS-behandlet glasoverflade (bunden substrat), overholde dannede hydrogels fortrinsvis til ubehandlede glas, som de er slået fra fluorholdige overfladen af PFOTS-behandlet glas. Omvendt, når PDMS-belagt glas anvendes sammen med PFOTS-behandlede nederst substrat, hydrogels tendens til at forblive på den PFOTS-behandlet overflade som PDMS overflader mere kraftigt afvise den dannede hydrogels. Denne funktion gør det muligt at opbygge opad, overholde hydrogels sådan, at de er immobiliseret på glas substrater og kan reserveres til tilpasning til andre strukturer på et senere tidspunkt i tid, eller endda bygge nedad. Dette øger fleksibiliteten i teknik og typer af design, der kan være opdigtet samt giver mulighed for indarbejdelse og forsegling af uafhængig, fri bevægelse hydrogel komponenter.
Under lag på lag fabrikation er det vigtigt at optimere polymerisering tidsforbrug. Hydrogels skal være optimalt krydsbundet, sådan at de danner på fuld tykkelse og high fidelity i forhold til de figurer, der er defineret af photomask. Dette er afhængige af kraften i lampen og typen af hydrogel anvendes. Selv om ikke vist i denne protokol, polymerisering tid falder med stigende lyskildens effekt og stiger med stigende PIND kædelængde og faldende koncentrationer af PEGDA anvendes. Andre faktorer, der påvirker mængden af energi til rådighed for photopolymerization, som ændringen i opacitet af prepolymer som følge af tilsætning af jernoxid nanopartikler (figur 4), vil også berøre polymerisering tid. Optimering for danne tvaerbindinger betingelser for forskellige hydrogel kompositioner er således påkrævet før starten af fabrikationsproces af enheder.
Brugen af justering mærker på komponeneter og korrekt justering af hydrogel lag, især den endelige forsegling lag, er vigtigt at sikre, at korrekt forsegling er udført, og de indvendige komponenter er ikke uforvarende krydsbundet til den omkringliggende støttestrukturer under fabrikationsproces. Dette ville forhindre disse komponenter fra frit flytte under magnetiske aktivering. Som vist i figur 5, medfører en fejljusteret top forsegling lag og photomask crosslinking og forankring af en del af gear til bulk materiale af selve enheden. Som et resultat, rotere dette gear ikke når aktiveres med en magnet.
Enhederne kan aktiveres ved hjælp af stærke permanente magneter såsom neodymmagneter. Disse magneter generere stærke magnetiske kræfter når i nært hold ferromagnetiske materialer og bør sørges for at forhindre skade. Enheden kan aktiveres for at flytte uden magnet kommer i kontakt med enheden; magnet kan opbevares eller lagt ~ 1cm væk fra enheden. Flytning af de jern-doped komponenter kan bør spejle bevægelse af magnet og aktiveres for at flytte kontinuerligt eller orienteret periodisk som ønsket. Enheden kan aktiveres manuelt eller en aktivering set-up kan bruges. Magnet kan knyttes til enhver aktuator (fx servomotor) til roterende bevægelse. Rotationshastighed af magneten, og hastigheden af rotation af komponenten jern-doped kan derfor styres ved hjælp af en microcontroller. Dette giver en mere præcis metode til aktivering.
Figur 8 viser skemaer og billeder af forskellige designs fra tidligere arbejde, som blev fremstillet ved hjælp af samme teknik og vise alsidigheden af denne metode. Disse mønstre spænder fra simple enheder, der ligner ventiler (figur 8A) til mere komplicerede og sofistikeret design, der trækker inspiration fra Genève-drevet design (figur 8 d), der består af 2 engagerede gears, der producerer intermitterende bevægelse. De mindste funktioner, der kan genereres ved hjælp af denne teknik var typisk omkring 100 µm og hvert design er sammensat af flere lag (3 til 6 lag). Forskellige typer af hydrogel kompositioner (med forskellige mekaniske styrker og porøsitet) kan også polymeriserede og klæbes til hinanden. Dermed kan man nemt kombinere typerne af hydrogels kan bruges i en enhed afhængigt af den krævede funktion af de forskellige komponenter i enheden.
Disclosures
Forfatterne har intet at videregive
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af en NSF karriere award, NIH R01 grant (HL095477-05) og NSF ECCS-1509748 tilskud. S.Y.C. blev støttet af National Science stipendiet (Ph.d.), som blev tildelt af agenturet for videnskab, teknologi og forskning (Singapore). Vi takker Keith Yeager hjælp til opbygning af fabrikation set-up og Cyrus W. Beh for fotografier af set-up og enheder.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Poly(ethylene glycol) (n) diacrylate [MW 400Da] | Polysciences, Inc | 01871-250 | PEGDA reagent for prepolymer |
| Darocur 1173 | Ciba Specialty Chemicals, Inc | - | Photoinitiator |
| Iron oxide (II, III) | Sigma Aldrich | 637106-25G | Iron oxide nanoparticles |
| Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane | Sigma Aldrich | 448931 | Fluorinated compound that is used to vapor silanize the PDMS chamber to prevent adhesion of hydrogel to the glass coverslip that is bonded to the flexible PDMS membrane with prolonged use of the PDMS chamber |
| Petri dish, glass | Sigma Aldrich | BR455743 | Glass petri dishes for casting PDMS layers for forming PDMS chamber |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit (PDMS) | Dow Corning | 240-4019862 | PDMS for fabrication chamber |
| Glass coverslips (No. 2), 50 x 45 mm | Fisher Scientific | FIS#12-543F | Glass substrates that cover the fabrication chamber |
| Fisherbrand Straight Flat Tip Forceps 4.75in | Fisher Scientific | FIS#16-100-112 | Tweezers for handling polymerized hydrogel layers/devices |
| Omnicure S2000 | Cadence Technologies Pte Ltd | 010-00148R | UV lamp |
| 5 mm Adjustable Collimating Adaptor | Cadence Technologies Pte Ltd | 810-00042 | Collimator for UV lightsource |
| Photomasks | CAD/Art Services Inc | - | Photomasks used to define hydrogel microstructures |
| Adobe Illustrator | Adobe | - | Designing of photomasks |
References
- Elman, N. M., Ho Duc, H. L., Cima, M. J. An implantable MEMS drug delivery device for rapid delivery in ambulatory emergency care. Biomedical Microdevices. 11 (3), 625-631 (2009).
- Gensler, H., Sheybani, R., Li, P. Y., Mann, R. L., Meng, E. An implantable MEMS micropump system for drug delivery in small animals. Biomedical Microdevices. 14 (3), 483-496 (2012).
- Grayson, A. C. R., et al. BioMEMS review: MEMS technology for physiologically integrated devices. Proceedings of the IEEE. 92 (1), 6-21 (2004).
- Frost, M., Meyerhoff, M. E. In vivo chemical sensors: tackling biocompatibility. Analytical Chemistry. 78 (21), 7370-7377 (2006).
- Voskerician, G., et al. Biocompatibility and biofouling of MEMS drug delivery devices. Biomaterials. 24 (11), 1959-1967 (2003).
- Ainslie, K. M., Desai, T. A. Microfabricated implants for applications in therapeutic delivery, tissue engineering, and biosensing. Lab Chip. 8 (11), 1864-1878 (2008).
- Burdick, J. A., Anseth, K. S. Photoencapsulation of osteoblasts in injectable RGD-modified PEG hydrogels for bone tissue engineering. Biomaterials. 23 (22), 4315-4323 (2002).
- Drury, J. L., Mooney, D. J. Hydrogels for tissue engineering: scaffold design variables and applications. Biomaterials. 24 (24), 4337-4351 (2003).
- Alcantar, N. A., Aydil, E. S., Israelachvili, J. N. Polyethylene glycol-coated biocompatible surfaces. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 51 (3), 343-351 (2000).
- Cruise, G. M., et al. In vitro and in vivo performance of porcine islets encapsulated in interfacially photopolymerized poly(ethylene glycol) diacrylate membranes. Cell Transplantation. 8 (3), 293-306 (1999).
- Hoare, T. R., Kohane, D. S. Hydrogels in drug delivery: Progress and challenges. Polymer. 49 (8), 1993-2007 (2008).
- Ryu, W., Huang, Z., Prinz, F. B., Goodman, S. B., Fasching, R. Biodegradable micro-osmotic pump for long-term and controlled release of basic fibroblast growth factor. Journal of Controlled Release. 124 (1-2), 98-105 (2007).
- Lee, J. W., Park, J. H., Prausnitz, M. R. Dissolving microneedles for transdermal drug delivery. Biomaterials. 29 (13), 2113-2124 (2008).
- Hinton, T. J., et al. Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels. Science Advances. 1 (9), e1500758 (2015).
- Tseng, H., et al. Fabrication and mechanical evaluation of anatomically-inspired quasilaminate hydrogel structures with layer-specific formulations. Annals of Biomedical Engineering. 41 (2), 398-407 (2013).
- Grogan, S. P., et al. Digital micromirror device projection printing system for meniscus tissue engineering. Acta Biomaterialia. 9 (7), 7218-7226 (2013).
- Chin, S. Y., et al. Additive manufacturing of hydrogel-based materials for next-generation implantable medical devices. Science Robotics. 2 (2), (2017).
- Diogo, G. S., Gaspar, V. M., Serra, I. R., Fradique, R., Correia, I. J. Manufacture of beta-TCP/alginate scaffolds through a Fab@home model for application in bone tissue engineering. Biofabrication. 6 (2), 025001 (2014).
- Hockaday, L. A., et al. Rapid 3D printing of anatomically accurate and mechanically heterogeneous aortic valve hydrogel scaffolds. Biofabrication. 4 (3), 035005 (2012).
