Summary
यूवी crosslinkable hydrogels प्रसंस्करण के लिए एक additive विनिर्माण रणनीति विकसित किया गया है । यह रणनीति परत-दर-परत असेंबली के लिए अनुमति देता है microfabricated hydrogel संरचनाओं के रूप में अच्छी तरह से स्वतंत्र घटकों के विधानसभा, एकीकृत उपकरणों है कि चुंबकीय actuation के लिए उत्तरदायी है चल घटकों वाले उपज ।
Abstract
पॉलीथीन ग्लाइकोल (खूंटी) आधारित hydrogels है कि एफडीए द्वारा मनुष्यों में उपयोग के लिए अनुमोदित किया गया है hydrogels है । ठेठ खूंटी आधारित hydrogels सरल अखंड वास्तुकला है और अक्सर ऊतक इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए मचान सामग्री के रूप में कार्य करते हैं । अधिक परिष्कृत संरचनाओं आमतौर पर एक लंबे समय के लिए बनाना और घटक चलती शामिल नहीं ले । इस प्रोटोकॉल एक photolithography विधि है कि सतही और खूंटी संरचनाओं और उपकरणों के तेजी से microfabrication के लिए अनुमति देता है का वर्णन । इस रणनीति में एक घर में विकसित निर्माण चरण है कि 3 डी संरचनाओं के तेजी से निर्माण के लिए एक परत द्वारा परत फैशन में ऊपर के निर्माण से अनुमति देता है शामिल है । स्वतंत्र घटक चलती भी गठबंधन किया जा सकता है और एकीकृत उपकरणों के लिए फार्म का समर्थन संरचनाओं पर इकट्ठे । इन स्वतंत्र घटकों superparamagnetic आयरन ऑक्साइड नैनोकणों है कि चुंबकीय actuation के प्रति संवेदनशील है के साथ मैगनीज रहे हैं । इस तरीके में, गढ़े उपकरणों बाहरी मैग्नेट का उपयोग कर के भीतर घटकों के आंदोलन उपज हो सकता है । इसलिए, इस तकनीक को परिष्कृत एमईएमएस के निर्माण के लिए अनुमति देता है उपकरणों की तरह (micromachines) है कि पूरे रूप से बना रहे है एक गैर संगत hydrogel से बाहर, एक जहाज पर सत्ता के स्रोत के बिना कार्य करने में सक्षम है, और एक संपर्क कम actuation के विधि का जवाब । यह पांडुलिपि दोनों निर्माण सेट अप के रूप में के रूप में अच्छी तरह से इन hydrogels के microfabrication के लिए कदम दर कदम विधि के निर्माण का वर्णन-आधारित एमईएमएस उपकरणों की तरह ।
Introduction
एमईएमएस उपकरणों चिकित्सा उपकरणों के क्षेत्र में विशेष रूप से आवेदनों की एक भीड़ मिल गया है । हालांकि वे जोड़ा कार्यक्षमताओं का एक बहुत उधार दे और इन उपकरणों के लघुकृत प्रकृति उन्हें implantables1,2,3के रूप में उपयोग के लिए आकर्षक बनाने, इन उपकरणों अक्सर अंतर्निहित सुरक्षा और अनुकूलता है मुद्दों, के रूप में वे सामग्री है कि मानव शरीर के लिए हानिकारक हो सकता है से बना रहे है (जैसे, धातु, बैटरी, आदि)4,5,6। खूंटी आधारित hydrogels तरल सूजन बहुलक नेटवर्क रहे है और अक्सर ऐसे ऊतक इंजीनियरिंग पाड़ों के रूप में काफी हद तक उनके उच्च संगतता7,8के कारण भाग में अनुप्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया गया है । खूंटी आधारित hydrogels भी एफडीए-मानव9,10,11में उपयोग के लिए मंजूरी दे दी गई है । हालांकि, hydrogel की सामग्री के गुणों के कारण, वे आसानी से ऐसी तकनीक ठेठ सिलिकॉन में इस्तेमाल आधारित microfabrication के रूप में सामांय विनिर्माण प्रक्रियाओं का सामना नहीं करते । इस प्रकार, hydrogel आधारित निर्माण आम तौर पर साधारण अखंड वास्तुकला के लिए सीमित हैं । hydrogels के microfabrication में वर्तमान प्रयासों माइक्रोन-आकार सुविधाओं के साथ संरचनाओं में हुई है; हालांकि, इन संरचनाओं अक्सर एक परत और एक एकल सामग्री12,13 और कमी घटक14,15,16चलती है ।
पिछले एक काम में, हम micromachines के निर्माण के लिए एक रणनीति का वर्णन है कि पूरी तरह से बना रहे है एक संगत खूंटी आधारित hydrogel17सामग्री । माइक्रोन-आकार की सुविधाओं को आसानी से एक photolithography विधि का उपयोग कर गढ़े जा सकता है और इन संरचनाओं ऊपर की ओर एक परत द्वारा परत विधि का उपयोग कर बनाया जा सकता है, जो पर hydrogels बहुलक कर रहे है सब्सट्रेट के सटीक z-अक्ष आंदोलन द्वारा सक्षम होना चाहिए । विभिन्ना रचनाओं के Hydrogels एक-दूसरे से सटे गढ़े जा सकते हैं. इसके अतिरिक्त, इन उपकरणों घटक है कि एक बाहरी चुंबक का उपयोग किया जा सकता है चलती है । यह बहुमुखी तकनीक किसी भी नरम सामग्री या hydrogel कि फोटो polymerizable है प्रसंस्करण के लिए भी उपयुक्त है । इस प्रकार, इस तकनीक hydrogels की पूरी तरह से बना परिष्कृत एमईएमएस-जैसे उपकरणों के निर्माण के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है ।
Protocol
1. निर्माण मंच
- निर्माण (चित्रा 1) सेट-एक में घर बनाया मंच और PDMS कक्ष जिसमें hydrogel घटकों बहुलक कर रहे है से मिलकर इकट्ठा । निर्माण मंच एक एक्रिलिक ऊपर है, जिसमें पटरियों और चैनलों के निर्वात कनेक्शन, निर्वात के भीतर एक माइक्रोमीटर सिर की स्थिरता के लिए एक धारक के लिए अनुमति machined थे-मंच सक्षम है, और लड़ी पिरोया इस्पात पदों है कि पूरे मंच की अनुमति के लिए तय हो स्थिरीकरण के लिए इस्पात आधार पर ।
- एक एक्रिलिक टुकड़ा है कि वैक्यूम कनेक्शन के लिए पटरियों है machined है के साथ माइक्रोमीटर के सिर को ठीक करें । वैक्यूम कनेक्शन उपयोगकर्ता PDMS चैंबर नीचे पकड़ के रूप में के रूप में अच्छी तरह से PDMS चैंबर के भीतर लचीला झिल्ली ले जाने के लिए अनुमति देते हैं ।
- निर्माण मंच के ऊपर एक यूवी प्रकाश स्रोत (३२०-५०० एनएम) की स्थिति ऐसी है कि प्रकाश की घटना कोण मंच (अनुपूरक आंकड़ा 1) के क्षैतिज विमान के लिए सीधा है ।
2. PDMS चैंबर का निर्माण और अपने "शूंय" स्तर का निर्धारण
- एक PDMS चैंबर बनाओ जिसमें hydrogels बहुलक किया जाएगा ( चित्रा 1a, PDMS चैंबर देखें) । इस चैंबर एक लचीला झिल्ली जिस पर एक गिलास coverslip बंधुआ है के साथ अच्छी तरह से एक PDMS के होते हैं । ग्लास coverslip कि लचीला PDMS झिल्ली के लिए बंधुआ है आगे hydrogels (कदम 2.1.7) के आसंजन को रोकने के इलाज किया ।
- 1 हिस्सा इलाज एजेंट मिश्रण (वजन द्वारा) के लिए एक 9 भाग PDMS आधार तैयार करें ।
- एक गिलास रॉड के साथ अच्छी तरह से हलचल सुनिश्चित करने के लिए कि आधार और इलाज एजेंटों अच्छी तरह से मिश्रित कर रहे हैं । १,००० x जी पर केंद्रापसारक हवा बुलबुले को दूर करने के लिए ।
- ध्यान से दो गिलास पेट्री व्यंजन में PDMS मिश्रण डालना एक मोटी परत उपज (~ 3 मिमी) और एक पतली परत (~ ०.२ mm) । एक फ्लैट, स्तर की सतह और कमरे के तापमान पर रात भर इलाज या ७५ डिग्री सेल्सियस के एक ंयूनतम पर सेट तापमान के साथ एक ओवन में 30 मिनट के लिए पर PDMS-भरे पेट्री व्यंजन रखें ।
नोट: PDMS की एक पतली परत के लिए आवश्यक है PDMS चैंबर के आधार के रूप में यह एक लचीला परत है कि आसानी से माइक्रोमीटर पेंच गेज द्वारा जेड दिशा में ले जाया जा सकता है की पीढ़ी को सुनिश्चित करता है । PDMS परतों के लिए फ्लैट और स्तर पर यह सुनिश्चित करना है कि बहुलक hydrogel परतों वर्दी मोटाई के हैं । - PDMS पूरी तरह से ठीक हो जाने के बाद, एक स्केलपेल ब्लेड या क़लमतराश का उपयोग कर मोटी परत में एक 4 सेमी व्यास चक्र में कटौती । मोटी PDMS लेयर को कांच के पेट्री डिश से छीलकर बंद कर लें । मोटी PDMS परत (नीचे की ओर ऊपर) प्लेस और पतली PDMS परत (अभी भी ग्लास पेट्री डिश में) एक प्लाज्मा ओवन में ।
- प्लाज्मा दो PDMS परतों (30 एस, हवा प्लाज्मा) का इलाज और ऊपर पतली PDMS परत के पक्ष के लिए मोटी PDMS परत के नीचे की ओर बांड । कांच पेट्री डिश से बंधुआ टुकड़ों को हटाने के लिए एक लचीला झिल्ली आधार बनाने पतली परत के साथ अच्छी तरह से एक परिपत्र फार्म ।
नोट: पहले कांच पेट्री डिश से बंधुआ परतों को हटाने के लिए, दो बंधुआ परतों ९५ डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म थाली पर रखा जा सकता है परतों के संबंध को प्रोत्साहित करते हैं । - प्लाज्मा बांड एक ग्लास coverslip (no .2, 22 मिमी x 22 मिमी) लचीला PDMS झिल्ली के शीर्ष पक्ष के लिए; प्लाज्मा 30 एस (एयर प्लाज्मा) के लिए 4 चरण से ग्लास coverslip और PDMS चैंबर का इलाज और लचीला झिल्ली आधार के शीर्ष पक्ष के साथ संपर्क में ग्लास coverslip जगह यह झिल्ली के बंधन के लिए ।
- वाष्प silanize PDMS चैंबर के साथ trichloro (एक से अधिक, एक घंटे 2H, 2H-perfluorooctyl) silane (PFOTS) के लिए ंयूनतम 30 मिनट; PFOTS के ६० µ एल के साथ एक छोटे से पेट्री डिश के साथ एक निर्वात desiccator में PDMS चैंबर प्लेस और केंद्रीय प्रयोगशाला निर्वात प्रणाली को सील desiccator कनेक्ट. desiccator को वैक्यूम सिस्टम से कनेक्ट करने के लिए कम से 30 मिनट के लिए छोड़ दें ।
- सुनिश्चित करें कि desiccator के निर्वात सील उत्पन्न होता है और कि PFOTS की छोटी बूंद 5-10 मिनट के बाद "बुलबुले". वाष्प silanization PDMS चैंबर का गठन hydrogel परतों के सतही हटाने की अनुमति देता है और लंबे समय तक इस्तेमाल के बाद कांच की सतह के लिए बहुलक खूंटी hydrogels के मजबूत आसंजन रोकता है ।
- PDMS चैंबर के "शून्य" स्तर निर्धारित करने के लिए, यह एक वैक्यूम सक्षम मंच पर जगह (प्रयोगशाला केंद्रीय वैक्यूम प्रणाली से जुड़ा).
- PDMS कक्ष को दबाए रखने के लिए नकारात्मक दबाव लागू करें । खूंटी hydrogel संरचनाओं इस PDMS चैंबर (आंकड़ा 1a, निर्माण क्षेत्र) के भीतर बहुलक हो जाएगा ।
- PDMS चैंबर के शीर्ष पर एक अनुपचारित ग्लास coverslip जगह ऐसी है कि यह अच्छी तरह से शामिल है । शीर्ष ग्लास coverslip (शीर्ष सब्सट्रेट) और नीचे कांच coverslip (नीचे सब्सट्रेट) के बीच की दूरी hydrogel परत है कि PDMS चैंबर के भीतर गठन किया है की मोटाई को परिभाषित करता है ।
- यह शीर्ष सब्सट्रेट के साथ संपर्क में है जब तक माइक्रोमीटर सिर का उपयोग कर, नीचे सब्सट्रेट ऊपर की ओर धक्का. PDMS चैंबर के "शूंय" स्तर के रूप में माइक्रोमीटर सिर पर पढ़ने का उपयोग करें और एक संदर्भ के रूप में जब बहुलक hydrogel परतों की मोटाई परिभाषित ।
3. Hydrogel Microstructures के Photopolymerization के लिए Photomask डिजाइन
- photomasks डिज़ाइन करने के लिए, CAD सॉफ़्टवेयर का उपयोग करें ।
- hydrogel संरचना है कि गढ़े जा रहा है की प्रत्येक अनूठी परत डिजाइन । इस प्रोटोकॉल का उपयोग करके गढ़े गए उदाहरण डिवाइस के लिए चित्र 2 देखें । चित्रा 2 इस उपकरण के 3d योजनाबद्ध दिखाता है, इसी परतों के रूप में के रूप में अच्छी तरह से photomasks कि इन व्यक्तिगत परतों के निर्माण के लिए डिजाइन किए गए थे गढ़े जा ।
- अंधेरे क्षेत्र में डिजाइन photomasks; सुविधाओं को पॉलिमर पारदर्शी होना चाहिए और पृष्ठभूमि अपारदर्शी है (चित्रा 2c, अनुपूरक चित्रा 2) ।
- photomask डिजाइनों में संरेखण के निशान शामिल करने के लिए निर्माण की प्रक्रिया के दौरान photomasks के संरेखण की सुविधा ।
- उपलब्ध उच्चतम रिज़ॉल्यूशन पर और उच्च पिक्सेल घनत्व में पारदर्शिता photomasks के रूप में डिज़ाइन मुद्रित करें ।
4. Hydrogels के आसंजन को रोकने के लिए ग्लास Coverslips का उपचार
- सतहों कि बहुलक खूंटी hydrogels पीछे हटाना बनाने के लिए, कांच coverslips PDMS की एक पतली परत के साथ लेपित हैं ।
- तैयार PDMS (9:1 आधार एजेंट अनुपात के इलाज के लिए) और १,००० एक्स जी पर केंद्रापसारक हवा बुलबुले को दूर करने के लिए ।
- PDMS की एक पतली कोट को जरुर कांच coverslips पर लागू करें और एक ओवन (> 75 ° c, 30 मिनट) के भीतर एक फ्लैट, स्तर की सतह पर इलाज के लिए छोड़ दें ।
5. परत द्वारा परत Hydrogels के निर्माण: शीर्ष सील परत और नीचे समर्थन संरचनाओं
- एक hydrogel परत है कि बाद में गठित डिवाइस सील करने के लिए इस्तेमाल किया जाएगा बनाने के लिए, PDMS चैंबर के लिए एक "ढक्कन" के रूप में ग्लास coverslip (No .2) के एक अनुपचारित टुकड़ा का उपयोग करें । इस "ढक्कन" शीर्ष सब्सट्रेट के रूप में जाना जाता है ।
- डिवाइस के "शून्य" स्तर से शुरू, नीचे वांछित ऊंचाई के लिए माइक्रोमीटर सिर का उपयोग सब्सट्रेट कम. ऊपर और नीचे सब्सट्रेट के बीच की दूरी पहले hydrogel परत (जेड1, चित्रा 3ए) की मोटाई को परिभाषित करता है ।
- PEGDA पॉलिमर की एक छोटी मात्रा जमा (जैसे, 1% Darocur ११७३ के साथ 400Da PEGDA का एक मिश्रण), नीचे सब्सट्रेट कवर करने के लिए पर्याप्त.
- PDMS चैंबर पर शीर्ष सब्सट्रेट प्लेस ।
नोट: यह सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है कि वहाँ कोई हवाई बुलबुले ऊपर और नीचे सब्सट्रेट के बीच फंस रहे हैं । - शीर्ष सब्सट्रेट (चित्रा 2c (आई)) के शीर्ष पर वांछित डिजाइन के साथ एक photomask प्लेस । मुखौटा शीर्ष सब्सट्रेट के साथ पूर्ण संपर्क में है और नीचे सब्सट्रेट करने के लिए गठबंधन सुनिश्चित करें.
- photomask के माध्यम से यूवी प्रकाश के लिए hydrogel बहुलक बेनकाब (चरण 1, 3 अंक) । सुनिश्चित करें कि जोखिम एक संलग्न अंतरिक्ष कि आसपास के क्षेत्र के लिए आवारा यूवी प्रकाश जोखिम से बचाता है के भीतर किया जाता है ।
चेतावनी: यूवी संरक्षण पहनें (जैसे, यूवी काले चश्मे) जब सिस्टम ऑपरेटिंग.
नोट: शक्ति और जोखिम की अवधि यूवी प्रणाली और PEGDA का इस्तेमाल किया बहुलक के प्रकार पर निर्भर करता है । - उदाहरण के लिए, एक २०० डब्ल्यू यूवी लैंप के लिए और ९९% PEGDA (४०० डीए PEGDA 1% photoinitiator (v/वी) के साथ) पॉलिमर समाधान, 16% पर दीपक शक्ति सेट (इसी के लिए ~ २.३ W/सेमी2) और पूरी तरह से 4 सेकंड के भीतर hydrogels इलाज । जोखिम की अवधि कम दीपक शक्ति के साथ वृद्धि की जानी चाहिए और प्रयोग करने वाले पॉलिमर के खूंटी श्रृंखला लंबाई बढ़ रही है ।
- hydrogel परत बहुलक किया गया है के बाद, PDMS चैंबर से शीर्ष सब्सट्रेट उठा. बहुलक परत शीर्ष सब्सट्रेट पर पालन किया जाना चाहिए (1 कदम के लिए इनसेट, 3 ए चित्रा) । बाद में उपयोग के लिए यह पालन परत आरक्षित करने के लिए इकट्ठे डिवाइस सील । इस बहुलक परत को प्रकाश से बढ़ाएंगे ।
नोट: इस बहुलक परत प्रकाश से दूर रखने के लिए और अतिरिक्त uncrosslinked के साथ गीला बहुलक बाहर सुखाने और खुर से परत को रोकने के लिए ।
- नीचे समर्थन संरचनाओं बनाने के लिए, PDMS चैंबर के शीर्ष सब्सट्रेट के रूप में PDMS-लेपित ग्लास coverslips का उपयोग करें ।
- नीचे सब्सट्रेट पर अधिक hydrogel बहुलक जमा और एक PDMS लेपित ग्लास coverslip के साथ अच्छी तरह से PDMS कवर । यह सुनिश्चित करना है कि बहुलक परतों नीचे सब्सट्रेट पर रहते हैं, उपयोगकर्ता की अनुमति परतों का निर्माण करने के लिए ऊपर की ओर (चरण 2, 3ए) ।
- वांछित photomask डिजाइन (चित्रा 2c (iii)) के साथ कदम 5.1.4 और 5.1.5 दोहराएँ.
- शीर्ष सब्सट्रेट निकालें और अधिक PEGDA बहुलक जोड़ने और वांछित स्तर पर माइक्रोमीटर सिर का उपयोग कर नीचे सब्सट्रेट कम. इस स्तर को hydrogel के 2एन डी परत की मोटाई के अनुरूप होना चाहिए (जेड2, चरण 3, आंकड़ा३ ए) पॉलिमर ।
- शीर्ष सब्सट्रेट (PDMS-लेपित कांच) के साथ अच्छी तरह से PDMS कवर और कदम 5.1.4 और 5.1.5 दोहराएँ.
- लगातार इच्छित समर्थन संरचनाओं का गठन कर रहे हैं जब तक 5.2.1 और 5.2.2 चरणों का उपयोग कर वांछित के रूप में hydrogel की परतों का निर्माण.
6. कोडांतरण और Hydrogel-आधारित डिवाइस सील
- इकट्ठा करने और डिवाइस सील करने के लिए, पहले शीर्ष सब्सट्रेट (PDMS-लेपित गिलास) को हटाने और चिमटी की एक जोड़ी का उपयोग कर, जगह पूर्व hydrogel घटकों (जैसे, गियर, लौह-मैगनीज घटकों) का समर्थन संरचनाओं पर (भाग (i), चरण 4, चित्रा 3 ).
नोट: एक स्थायी चुंबक किसी भी लौह-मैगनीज घटकों संरेखित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है (निर्माण चरणों के लिए hydrogel घटकों के लौह ऑक्साइड डोपिंग को देखें). - डिवाइस सील करने के लिए, पहले माइक्रोमीटर पेंच गेज का उपयोग कर इकट्ठे डिवाइस के अंतिम वांछित ऊंचाई के लिए नीचे सब्सट्रेट लाने. यह डिवाइस की अंतिम ऊंचाई होना चाहिए, खाते में परतों की मोटाई, आंतरिक घटकों और घटकों (जेड4, चरण 5, 3ए) ले जाने के लिए दिए गए किसी भी मंजूरी
- पहले से गठित hydrogel परत ५.१ से अनुपचारित ग्लास coverslip पर आंशिक रूप से इकट्ठे डिवाइस (भाग (द्वितीय), 4 कदम, 3 ए आंकड़ा) पर पालन प्लेस । ध्यान से पूर्व गठन परत ऐसी है कि यह सही ढंग से नीचे संरचनाओं के लिए गठबंधन किया है जगह है ।
- एक photomask कि डिवाइस की सीलिंग के लिए अनुमति देता है, लेकिन आंतरिक यूवी जोखिम से चलती घटकों की रक्षा करता है प्लेस । actuation के दौरान उनके आंदोलन को रोकने, डिवाइस के किनारों के लिए चलती घटकों बहुलक नहीं कर रहे हैं कि सुनिश्चित करें.
- यूवी प्रकाश (भाग (i), चरण 5, 3ए) के लिए पूरे ढांचे का पर्दाफाश ।
- निर्माण मंच से कांच coverslip उठा । सील उपकरण शीर्ष सब्सट्रेट करने के लिए पालन करना चाहिए ((भाग (द्वितीय), 5 चरण, चित्रा 3ए).
नोट: यदि डिवाइस नीचे सब्सट्रेट करने के लिए पालन किया रहता है, ध्यान से फ्लैट इत्तला दे दी (गैर दांतेदार) चिमटी या एक फ्लैट रंग की एक जोड़ी के साथ डिवाइस उठा । - ध्यान से वैक्यूम चूषण का उपयोग कर अतिरिक्त unpolymer PEGDA को हटाने और ध्यान से फ्लैट चिमटी या फ्लैट रंग की एक जोड़ी का उपयोग कर coverslip शीशे से डिवाइस उठा ।
- उपकरण खारा समाधान या DI पानी में रखें । समाधान में Hydrogels गज़ब । उपकरण और आंतरिक घटकों के स्थिरीकरण और विस्तार के लिए अनुमति देने के लिए कम से 30 मिनट के लिए समाधान में डिवाइस छोड़ें ।
नोट: यदि डिवाइस vivo आरोपण में के लिए इस्तेमाल किया जा करने के लिए है, यह कुल्ला और किसी भी uncrosslinked पॉलिमर बंद नमकीन पानी के लिए महत्वपूर्ण है । इस उपकरण में हर घंटे में मशीन है, जो समाधान को बदलने के द्वारा किया जा सकता है (कम से कम 3 कुल्ला) और समाधान में डिवाइस रातोंरात छोड़ने, और अधिक समाधान के साथ बंद कुल्ला । - एक वैक्यूम कक्ष के भीतर DI पानी या खारा से भरा एक पेट्री डिश के भीतर डिवाइस रखकर डिवाइस के भीतर हवा निकालें (केंद्रीय प्रयोगशाला वैक्यूम प्रणालियों से जुड़ा) कम से 30 मिनट के लिए । इस डिवाइस के degassing में परिणाम होगा और डिवाइस एक बार नकारात्मक दबाव हटा दिया जाता है समाधान के साथ भरा जाएगा ।
नोट: हर समय समाधान में हाइड्रेटेड उपकरण रखें/ डिवाइस दरार हो सकती है इसे बाहर सूखी छोड़ दिया जाना चाहिए ।
7. आयरन ऑक्साइड Hydrogel घटकों के डोपिंग
- 1% photoinitiator (उदा., ९९% (v/v) PEGDA (४०० Da) के साथ 1% Darocur ११७३) के साथ एक PEGDA बहुलक समाधान तैयार करें ।
- इस बहुलक समाधान का प्रयोग, एक 5% (डब्ल्यू/वी) आयरन ऑक्साइड का समाधान (द्वितीय, III) nanoparticle समाधान करना । बाहर वजन 5 आयरन ऑक्साइड नैनोकणों के मिलीग्राम और जोड़ने के १०० µ एल PEGDA की बहुलक । पिपेट ऊपर और नीचे और वर्दी मिश्रण सुनिश्चित करने के लिए भंवर ।
- सुनिश्चित करें कि नैनोकणों homogenously समय के साथ नैनोकणों तलछट होगा के रूप में प्रत्येक का उपयोग करने से पहले PEGDA पॉलिमर के भीतर फैलाया जाता है ।
- पिपेट आयरन ऑक्साइड की एक छोटी मात्रा-PDMS चैंबर के नीचे सब्सट्रेट पर PEGDA पॉलिमर मिश्रण ।
- PDMS शीर्ष सब्सट्रेट (PDMS-लेपित ग्लास) के साथ अच्छी तरह से कवर करने के लिए सुनिश्चित करें कि गठित hydrogels नीचे सब्सट्रेट पर रहते हैं ।
- वांछित ऊंचाई माइक्रोमीटर सिर का उपयोग करने के लिए नीचे सब्सट्रेट लाओ ।
नोट: आयरन ऑक्साइड-मैगनीज PEGDA की पतली परतें (२०० µm) प्रत्येक एक जोखिम के साथ बहुलक किया जाना चाहिए । यह लौह ऑक्साइड नैनोकणों के रूप में यूवी प्रकाश के प्रवेश की गहराई में कमी के कारण है अपारदर्शी और अवशोषित और यूवी प्रकाश ब्लॉक करने में सक्षम हैं । - एक photomask का उपयोग करना है कि खंड के आकार को परिभाषित करने के लिए चलती घटक के भीतर लोहे के आक्साइड के साथ मैगनीज, लौह ऑक्साइड की पतली परत को बेनकाब करने के लिए यूवी लाइट (चित्रा 4(मैं)) के लिए मैगनीज पॉलिमर ।
ध्यान दें: यूवी जोखिम समय यह सुनिश्चित करने के लिए बढ़ाया जाना चाहिए कि आयरन-मैगनीज सेगमेंट पूरी तरह से क्रॉस-लिंक्ड (~ 10 सेकंड) है । - नीचे सब्सट्रेट और दोहराएं चरण 6, पतली परतों में लौह-मैगनीज खंड के निर्माण हर बार वांछित ऊंचाई (चित्रा 4(द्वितीय)) के लिए । 5 परतों की कुल एक 1mm लंबा लौह-मैगनीज खंड उपज के लिए बहुलक होना चाहिए ।
- लौह-मैगनीज खंड पूरा होने के बाद (चित्रा 4(iii)), वैक्यूम चूषण का उपयोग कर किसी भी अतिरिक्त लौह-मैगनीज पॉलिमर को हटा दें । लौह-मैगनीज खंड निर्माण मंच से दूर नहीं है ।
- PEGDA पॉलिमर (मैगनीज) को पॉलिमर आयरन-मैगनीज सेगमेंट पर जमा कर दें । घटक के अंतिम ऊंचाई करने के लिए नीचे सब्सट्रेट लाने के लिए पूरा हो । शीर्ष सब्सट्रेट (PDMS-लेपित ग्लास) के साथ अच्छी तरह से PDMS कवर ।
- एक photomask है कि चलती घटक के पूरे आकार को परिभाषित करता है का उपयोग करना, PEGDA के रूप में अच्छी तरह से लौह-मैगनीज क्षेत्र के रूप में, यूवी प्रकाश (चित्रा 4(iv)) को बेनकाब ।
- शीर्ष सब्सट्रेट निकालें और वैक्यूम चूषण का उपयोग कर अतिरिक्त unpolymer्ड PEGDA का प्रयोग करें । एक मैगनीज आयरन ऑक्साइड खंड के साथ एक खूंटी घटक नीचे सब्सट्रेट पर रहना चाहिए. धीरे चिमटी की एक जोड़ी का उपयोग कर इस घटक उठा ।
- एक खूंटी आधारित डिवाइस के समर्थन संरचनाओं पर विधानसभा के लिए इस लौह-मैगनीज घटक रिजर्व (भाग (i), 4 कदम, 3 ए आंकड़ा) । इस घटक को हल् के से बढ़ाएंगे और यह सुनिश् चित करें कि उपयोग करने से पहले यह uncrosslinked पॉलीमर से गीला रहता है ।
8. इकट्ठे यंत्र का Actuation
नोट:-इकट्ठे डिवाइस के भीतर लौह-मैगनीज घटकों neodymium (N52 शक्ति) के रूप में एक मजबूत स्थायी चुंबक का उपयोग कर स्थानांतरित करने के लिए हाथ हो सकता है । इन मैग्नेट बहुत दृढ़ता से ferromagnetic सामग्री के लिए आकर्षित कर रहे हैं के रूप में खतरों को चुटकी से बचने के लिए सावधान रहें ।
- डिवाइस से दूर 1-2 सेमी के भीतर एक neodymium चुंबक के नीचे या डिवाइस के ऊपर रखें । चुंबक चलते हुए, लौह-ऑक्साइड मैगनीज घटकों के आंदोलन चुंबक के आंदोलन को छाया होना चाहिए.
नोट: एक प्रेरक एक मोटर है कि एक चुंबक के साथ जुड़ा हुआ है का उपयोग कर बनाया जा सकता है । मोटर के रोटेशन लोहे मैगनीज घटक के रोटेशन actuation के लिए अनुमति देनी चाहिए ।
Representative Results
चित्र बी hydrogels की परतों की छवियों को दिखाता है बहुलक निर्माण का उपयोग कर सेट अप । चित्र बी (i) एक ६०० µm एपर्चर के साथ एक गढ़े ४०० µm मोटी आधार परत से पता चलता है । चित्र बी (ii) आधार परत के शीर्ष पर स्तरित किए गए एक और दो परतों को दिखाता है; एक ५०० µm लंबा परिधि और बीच में एक ८०० µm लंबा धुरा । इन तीन परतों के लिए कुल निर्माण समय से कम 3 खाते में प्रत्येक परत और photomasks के नीचे सब्सट्रेट और संरेखण की ऊंचाई को समायोजित करने के लिए लिया समय के लिए जोखिम के 4 सेकंड लेने मिनट था । पिछले काम एक ही निर्माण सेट अप पर प्रदर्शन किया है कि डिजाइन की एक किस्म के रूप में उच्च संकल्प के साथ गढ़े जा सकता है १०० µm ।
hydrogel घटकों को आयरन ऑक्साइड नैनोकणों के साथ आसानी से मैगनीज भी दिया जा सकता था । जोखिम बार पतली परतों को सुनिश्चित करने के लिए अनुकूलित किया गया था (२०० µm) PEGDA के साथ मैगनीज आयरन ऑक्साइड नैनोकणों पूरी तरह से बहुलक हो सकता है । चित्र 5 photomask आयरन ऑक्साइड खंड के आकार को परिभाषित करने के लिए इस्तेमाल किया बहुलक से पता चलता है । संयुक्त राष्ट्र के मैगनीज PEGDA पॉलिमर यूवी जोखिम के 4 सेकंड के भीतर पूरी तरह से बहुलक किया जा सकता है । हालांकि, जब आयरन ऑक्साइड मैगनीज पॉलिमर यूवी के लिए 4 सेकंड के लिए उजागर किया गया था, परिणामी hydrogel पूरी तरह से बहुलक नहीं था, के रूप में चित्रा 5Cमें देखा जा सकता है । उत्पंन खंड पतले था (के रूप में एक पूरी तरह से पार से जुड़ा चित्रा 5Bमें दिखाया खंड की तुलना में), और किनारों के रूप में समझौता निष्ठा के साथ असमान थे photomask द्वारा परिभाषित आकार की तुलना में । 10 सेकंड के यूवी एक्सपोजर को पूरी तरह से लिंक पार करने के लिए आवश्यक था आयरन ऑक्साइड सेगमेंट और फिगर 5B से पता चलता है कि आयरन ऑक्साइड सेगमेंट उत्पन्न हुआ था; पॉलिमर आयरन ऑक्साइड खंड सीधे किनारों के साथ पूर्ण मोटाई (२०० µm) का है, और आकार निष्ठा बारीकी से photomask (आंकड़ा 5) की तुलना में बनाए रखा है । इसके विपरीत, पर जोखिम (> 15 सेकंड) यूवी प्रकाश करने के लिए उत्पंन आयरन ऑक्साइड क्षेत्रों है कि बहुलक पर थे । चित्र 5d एक से अधिक बहुलक खंड दिखाता है जिसमें खराब आकृति निष्ठा है और photomask द्वारा परिभाषित आकृति से बड़ा है ।
चित्रा 6A संरेखण के निशान के साथ photomasks का उपयोग करके उचित संरेखण के साथ सील करने के बाद एक पूरा डिवाइस से पता चलता है । डिवाइस के भीतर गियर पूरी तरह से डिवाइस के केंद्रीय शूंय के भीतर है और इस प्रकार चुंबकीय actuation के लिए उत्तरदायी है । चित्रा घमण्ड एक डिग्रियों की सीलिंग परत के साथ एक युक्ति दिखाता है । चित्रा 6C hydrogel की निचली परतों से पता चलता है और गियर ही काले रूपरेखा के साथ आविर्भाव और चित्रा 6D सफेद रूपरेखा में आविर्भाव शीर्ष hydrogel परत की डिग्रियों की सीलिंग से पता चलता है. के रूप में चित्रा 6Dसे देखा जा सकता है, गियर के कुछ हिस्सों में जहां बहुलकीकरण सील के दौरान जगह ले जाएगा (लाल भरने में दिखाया गया) गियर के भागों में परिणाम hydrogel सामग्री के थोक के लिए लंगर डाले जा रहा है । यह actuation के दौरान गियर को बढ़ने से रोकता है ।
चित्रा 7 एक कार्यात्मक एकल गियर डिवाइस है कि गढ़े (कुल निर्माण समय ~ 15 मिनट) से पता चलता है । डिवाइस की कुल मोटाई 2 मिमी है और डिवाइस का सबसे लंबा आयाम 13 मिमी है । डिवाइस की ऊपरी और निचली परतें ४०० µm मोटी हैं और गियर में 1 mm की ऊंचाई है । इस डिजाइन गियर के ऊपर और नीचे की सतह पर एक १०० µm मंजूरी के लिए आंदोलन के लिए अनुमति देता है । डिवाइस के शीर्ष सबसे परत एक ६०० µm एपर्चर और गियर के लिए धुरा है ४०० व्यास में µm है । चित्रा 5B डिवाइस की छवियों से पता चलता है जब यह एक चुंबक के साथ हाथ है जैसे कि गियर एक पूर्ण रोटेशन के रूप में से लौह ऑक्साइड खंड की स्थिति में परिवर्तन से देखा जा सकता है (मैं) के माध्यम से (vi) ।
चित्रा 1 . निर्माण hydrogel-आधारित micromachines के लिए सेट अप । एक) निर्माण के मंच की योजनाबद्ध । इस योजनाबद्ध निर्माण के विभिंन घटकों से पता चलता है PDMS चैंबर जिसमें hydrogels निर्माण क्षेत्र के भीतर गठन कर रहे हैं, एक निर्वात सक्षम मंच है जो नीचे PDMS चैंबर धारण के रूप में अच्छी तरह के रूप में एक के लिए लचीला झिल्ली देता है सहित ऊंचाई नियंत्रण के लिए माइक्रोमीटर सिर, और शीर्ष एक गिलास coverslip कि या तो अनुपचारित या PDMS के साथ लेपित है से मिलकर सब्सट्रेट । ख) निर्माण के चरण के शीर्ष दृश्य की योजनाबद्ध (PDMS चैंबर के बिना) । यूवी प्रकाश स्रोत तो ऐसी है कि प्रकाश की घटना कोण निर्माण मंच के क्षैतिज विमान को सीधा है तैनात (चित्रा में नहीं दिखाया गया है) । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्रा 2 . प्रत्येक परत के लिए इस्तेमाल किया एकल गियर hydrogel-आधारित डिवाइस और photomasks की योजनाबद्ध । एक) एक ठेठ hydrogel-आधारित उपकरण है कि इस रणनीति का उपयोग कर गढ़े जा सकता है की शीर्ष और परोक्ष दृश्य की योजनाबद्ध । इस डिवाइस में एक सिंगल गियर होता है जिसमें एक आयरन-मैगनीज सेगमेंट होता है जो चुंबकीय नियंत्रण के लिए अनुमति देता है । ख) डिवाइस के भीतर व्यक्तिगत परतों और घटकों के योजनाबद्ध । इस एकल गियर डिवाइस एक शीर्ष सील परत के होते हैं (i), लोहे के लिए पद के रूप में समर्थन संरचनाओं-मैगनीज गियर और डिवाइस की दीवारों (द्वितीय) के रूप में के रूप में अच्छी तरह से एक नीचे परत (iii). ग) Photomask डिजाइन करने के लिए एकल गियर उपकरण बनाना था । photomasks अंधेरे क्षेत्र डिजाइन किए हैं; पृष्ठभूमि अंधेरा है, जबकि वांछित सुविधाओं पारदर्शी छोड़ दिया जाता है । इस पैनल photomask डिजाइन शीर्ष सील परत (मैं), समर्थन संरचनाओं (द्वितीय) और नीचे परत (iii) के लिए इसी से पता चलता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्रा 3 . परत-दर-परत photolithography की hydrogel-आधारित micromachines. एक) PDMS चैंबर के निर्माण क्षेत्र के भीतर उपकरण निर्माण के लिए कदम दर कदम प्रक्रिया की योजनाबद्ध । 1: PEGDA बहुलक की एक छोटी मात्रा PDMS चैंबर (नीचे सब्सट्रेट) के लचीला झिल्ली के लिए बंधुआ coverslip शीशे पर pipetted है । अनुपचारित ग्लास coverslip का एक टुकड़ा शीर्ष सब्सट्रेट के रूप में प्रयोग किया जाता है और एक photomask इस शीर्ष सब्सट्रेट के शीर्ष पर रखा गया है । नीचे सब्सट्रेट की ऊंचाई वांछित ऊंचाई (जेड1) माइक्रोमीटर सिर का उपयोग करने के लिए लाया जाता है । hydrogel बहुलक तो photomask के माध्यम से यूवी प्रकाश को उजागर कर रहा है । शीर्ष सब्सट्रेट तो PDMS चैंबर से उठाया जा सकता है और hydrogel शीर्ष सब्सट्रेट (इनसेट) का पालन रहता है. यह परत तो बाद में उपयोग के लिए आरक्षित है । 2: चरण 1 दोहराया है, लेकिन शीर्ष सब्सट्रेट अब PDMS-लेपित कांच के साथ प्रतिस्थापित होता है । बहुलक hydrogel नीचे सब्सट्रेट करने के लिए पालन किया रहेगा । 3: नीचे सब्सट्रेट की ऊंचाई (जेड2> जेड1) और अधिक बहुलक निर्माण क्षेत्र के लिए जोड़ा जा सकता है कम है । एक दूसरे photomask और प्रयोग किया जाता है बहुलक यूवी प्रकाश को एक बार फिर से अवगत कराया है । 4: चरण 3 (जेड3 > जेड2) दोहराया जा सकता है जब तक वांछित समर्थन संरचनाओं बनाया जाता है । (i) एक बार समर्थन संरचनाओं पूरा कर रहे हैं, शीर्ष सब्सट्रेट किसी भी अनुरूप hydrogel घटकों की शुरूआत के लिए निर्माण क्षेत्र के लिए उपयोग के लिए अनुमति देने के लिए हटाया जा सकता है (जैसे, लौह-मैगनीज गियर). (ii) एक बार जब संघटक घटक रखा गया है और ठीक से संरेखित, चरण 1 से hydrogel परत गढ़े संरचना और गठबंधन के शीर्ष पर रखा जा सकता है । 5: सभी परतों तो एक photomask है कि जवानों डिवाइस के किनारों के माध्यम से यूवी प्रकाश को उजागर कर रहे हैं । आंतरिक घटकों आगे यूवी जोखिम से ढाल रहे हैं, जबकि (i) सील कदम पूरे डिवाइस जवानों. (ii) सील उपकरण तो निर्माण कक्ष से उठाया जा सकता है के रूप में इसे तरजीही शीर्ष सब्सट्रेट करने के लिए पालन करेंगे । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्र 4 . आयरन-ऑक्साइड nanoparticle डोपिंग के hydrogel घटकों के लिए कदम. (i) यूवी लाइट hydrogel गियर के भीतर आयरन ऑक्साइड-मैगनीज सेगमेंट को परिभाषित करने वाले एक photomask के माध्यम से दिखाया गया है । (ii) पतली (२०० µm) आयरन ऑक्साइड की परतें-मैगनीज hydrogel हर बार बहुलक और एक दूसरे के शीर्ष पर खड़ी है । (iii) पतली परतों की परत 1 मिमी की कुल ऊंचाई के साथ एक खंड बनाता है । इस खंड निर्माण परत में छोड़ दिया है । (iv) संयुक्त राष्ट्र के मैगनीज बहुलक तो निर्माण क्षेत्र में जमा है और एक photomask है कि गियर की पूरी आकृति को परिभाषित करता है तो पार के दौरान प्रयोग किया जाता है जोड़ने । यह एक लोहे के ऑक्साइड-मैगनीज खंड के साथ पूरा गियर के गठन में सक्षम बनाता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्रा 5 . आयरन ऑक्साइड-मैगनीज hydrogel घटकों के Photopolymerization । A) गियर सेगमेंट के Photomask को आयरन ऑक्साइड नैनोकणों से मैगनीज किया जा सकता है । ख) लौह ऑक्साइड-मैगनीज hydrogel है कि बेहतर बहुलक (10 एस एक्सपोजर) किया गया है । C) आयरन ऑक्साइड-मैगनीज hydrogel कि के तहत किया गया है-पॉलिमर (4 एस एक्सपोजर). घ) लौह ऑक्साइड-मैगनीज hydrogel कि खत्म हो गया है पॉलिमर (20 एस जोखिम) । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्रा 6 . डिवाइस की सीलिंग के दौरान hydrogel परतों का संरेखण । एक) मुक्त-गियर है कि डिवाइस के शूंय के भीतर पूरी तरह से चल रहा है के साथ hydrogel परतों का सही संरेखण दिखा छवि । ख) hydrogel परतों के साथ डिवाइस दिखा छवि (बी, सी, और डी एक ही डिवाइस की छवियों लेकिन विभिन्न परतों के साथ प्रकाश डाला जाता है). ग) में (ख) के रूप में एक ही छवि है, लेकिन काले रूपरेखा के साथ नीचे परतों जो सही ढंग से गठबंधन कर रहे है elucidating । गियर सही ढंग से नीचे परतों के भीतर रखा जाता है । घ) में (ख) के रूप में एक ही छवि लेकिन सफेद hydrogel की डिग्रियों शीर्ष परत दिखा रूपरेखा के साथ । गियर सील कदम और गियर (लाल भरने) के भाग के दौरान आंशिक रूप से बहुलक किया गया है डिवाइस के थोक सामग्री के लिए लंगर डाला गया है । यह डिवाइस गैर-कार्यशील रेंडर करता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्र 7 . Actuation एक सिंगल-गियर hydrogel-बेस्ड micromachine । एक) गढ़े उपकरण दिखा छवि । ख) actuation पर गियर के विभिंन झुकाव दिखा छवियां । (i) अपनी प्रारंभिक अभिविंयास (0 °) से, गियर (ii) ६० °, (iii) १२० °, (iv) १८० °, (v) २४० °, और ३०० ° द्वारा घुमाया गया है । स्केल बार 1 मिमी है कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्र 8 . hydrogel आधारित micromachines के लिए विभिन्न डिजाइनों के बहुमुखी निर्माण । एक) एक साधारण गेट वाल्व जो एक ही जलाशय से दवाओं की रिहाई को नियंत्रित करता है । लौह ऑक्साइड के रैखिक आंदोलन-मैगनीज hydrogel घटक गेट्स के माध्यम से एक काल्पनिक बाहर की दवा के प्रसार और आउटलेट । ख) एक gated रैखिक कई गुना जो कई जलाशयों से दवाओं की रिहाई को नियंत्रित करता है । प्रत्येक जलाशय काल्पनिक दवाओं और लौह ऑक्साइड के आंदोलन-मैगनीज घटक hydrogel की एक खिड़की है कि बाहरी बाहर करने के लिए इन दवाओं के प्रसार के लिए अनुमति देता है के माध्यम से इन जलाशयों से बाहर दवाओं की आवाजाही के गेट्स शामिल हैं । ग) एक सरल रोटर है कि एक धुरी के बारे में स्पिन करने के लिए हाथ हो सकता है । घ) जिनेवा ड्राइव पर आधारित एक परिष्कृत डिजाइन । एक पिन के साथ एक ड्राइविंग गियर के लिए एक बड़ा चालित गियर संलग्न और आंतरायिक आंदोलन का उत्पादन करने में सक्षम है; ड्राइविंग गियर का एक पूरा रोटेशन ६० ° द्वारा संचालित गियर घूमता है । सभी स्केल पट्टियां 1 मिमी हैं । ठोड़ी से, एस वाई एट अल hydrogel के Additive विनिर्माण अगली पीढ़ी के प्रत्यारोपित चिकित्सा उपकरणों के लिए आधारित सामग्री । विज्ञान रोबोटिक्स । 2 (2), (२०१७) । 17आळे से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
Discussion
यह तकनीक hydrogel microstructures के लेयर-बाय-लेयर photolithography के लिए एक सतही और द्रुत विधि है. एक additive विनिर्माण दृष्टिकोण का उपयोग करना, हम आसानी से 3 डी संरचनाओं की एक किस्म का निर्माण कर सकते है बाहर की संगत सामग्री और भी बढ़ भागों शामिल है । यह इस प्रकार पूरी तरह से संगत microdevices के गठन को सक्षम करेगा । तकनीक लिथोग्राफी कदम है, जो एक माइक्रोमीटर सिर के माध्यम से नीचे सब्सट्रेट की ऊंचाई का सटीक नियंत्रण द्वारा सक्षम है की सरल पुनरावृत्ति पर आधारित है । पारंपरिक निर्माण तकनीक एमईएमएस उद्योग में इस्तेमाल किया, कठोर प्रसंस्करण तकनीक और बलि सामग्री को शामिल, अक्सर नरम hydrogels के प्रसंस्करण के साथ संगत नहीं है । 3d मुद्रण hydrogels के लिए अंय विधियां, जैसे बाहर निकालना-आधारित विधियों, २०० µm से ऊपर स्थानिक समाधानों तक सीमित है और साधारण संरचना के लिए mm/s की मुद्रण गति जो भाग18,19शामिल नहीं हैं । Stereolithography (SLA) और डिजिटल लाइट परियोजना (DLP) आधारित प्रिंटर्स शायद बेहतर समाधान प्राप्त करने में सक्षम हो, लेकिन यह भी स्थापना के लिए एक बहुत महंगा है । इन निर्माण रणनीतियों को भी आसानी से नहीं सब्सट्रेट सामग्री है, जो शुरू करने और पूरा डिवाइस से हटाने के लिए मुश्किल हो सकता है समर्थन के बिना भांप प्रिंट कर रहे हैं । हम एक अंतिम चरण के रूप में पूरा डिवाइस बनाने के लिए एक पूर्व-गठन सीलिंग परत गढ़े समर्थन संरचना करने के लिए संरेखित और polymerizing द्वारा इस दरकिनार । निर्माण सेट अप के डिजाइन उपयोगकर्ता गढ़े संरचनाओं के लिए आसान पहुंच देता है और संरेखण के निशान के उपयोग के साथ विभिंन घटकों के आसान संरेखण के लिए अनुमति देता है ।
यहां प्रस्तुत रणनीति भी समान समाधानों की अंय तकनीकों की तुलना में बहुत तेज़ है; कुल समय एक घूर्णन के साथ डिवाइस के प्रदर्शन निर्माण के लिए लिया के बारे में 15 मिनट है । इस निर्माण रणनीति का एक और जोड़ा लाभ, हालांकि इस प्रोटोकॉल में प्रदर्शित नहीं लेकिन हमारे पिछले काम17में दिखाया गया है, उपयोगकर्ता के लिए क्षमता को जल्दी से और आसानी से कदम है जो छोटी मात्रा में किया जा सकता है के बीच इस्तेमाल किया बहुलक के प्रकार बदल रहा है . इस तरह, एक उपकरण है कि hydrogels के विभिंन प्रकार के एक समग्र है बना सकते हैं । इस रणनीति का उपयोग कर गढ़े उपकरण भी संपर्क actuation के अतिरिक्त लाभ है के रूप में गियर एक खंड है कि आयरन ऑक्साइड नैनोकणों के साथ मैगनीज है, चुंबकीय actuation के प्रति संवेदनशील गियर प्रतिपादन और इस तरह एक बाहरी का उपयोग कर सकते है चुंबक. इसके अतिरिक्त, डिवाइस पूरी तरह से संगत है और इसलिए vivo मेंसुरक्षित रूप से प्रत्यारोपित किया जा सकता है ।
इस तकनीक का एक महत्वपूर्ण विशेषता अलग गिलास सब्सट्रेट, जो उपयोगकर्ता को तरजीही रूप से पालन करने के लिए या तो नीचे या ऊपर कांच सब्सट्रेट करने के लिए पॉलिमर hydrogel पीछे हटाना सक्षम बनाता है के उपचार है । जब अनुपचारित कांच का एक संयोजन एक PFOTS-इलाज कांच की सतह के साथ प्रयोग किया जाता है (नीचे सब्सट्रेट), गठित hydrogels तरजीही शीशे का पालन करेंगे, के रूप में वे PFOTS-इलाज गिलास के fluorinated सतह से पुनः चालित कर रहे हैं । इसके विपरीत, जब PDMS-लेपित गिलास PFOTS-इलाज नीचे सब्सट्रेट के साथ प्रयोग किया जाता है, hydrogels PFOTS-इलाज सतह पर रहने के रूप में PDMS और अधिक दृढ़ता से गठन hydrogels घृणा उत्पंन करना होगा । यह सुविधा एक ऊपर की ओर का निर्माण करने के लिए अनुमति देता है, इस तरह का पालन hydrogels कि वे गिलास सब्सट्रेट पर स्थिर कर रहे हैं और समय में एक बाद बिंदु पर अन्य संरचनाओं के लिए संरेखण के लिए आरक्षित किया जा सकता, या यहां तक कि नीचे का निर्माण. यह तकनीक और डिजाइन के प्रकार के लचीलेपन के लिए कहते है कि के रूप में अच्छी तरह के रूप में शामिल कर सकते है और स्वतंत्र, मुक्त-चलती hydrogel घटकों के सील में सक्षम बनाता है ।
परत द्वारा परत के निर्माण के दौरान, यह बहुलकीकरण समय का अनुकूलन करने के लिए महत्वपूर्ण है इस्तेमाल किया । Hydrogels बेहतर पार से जोड़ा जाना चाहिए कि इस तरह की है कि वे पूर्ण मोटाई के रूप में के रूप में अच्छी तरह से उच्च निष्ठा पर फार्म के रूप में photomask द्वारा परिभाषित आकार की तुलना में । यह दीपक की शक्ति पर निर्भर है और जिस प्रकार hydrogel का प्रयोग किया जाता है । हालांकि इस प्रोटोकॉल में नहीं दिखाया गया है, बहुलकीकरण समय बढ़ती खूंटी श्रृंखला की लंबाई और प्रयोग PEGDA की सांद्रता कम करने के साथ दीपक शक्ति और वृद्धि के साथ बढ़ जाती है । अन्य कारकों है कि photopolymerization के लिए उपलब्ध ऊर्जा की मात्रा को प्रभावित, आयरन ऑक्साइड नैनोकणों के अलावा के कारण पॉलिमर की अस्पष्टता में परिवर्तन के रूप में (चित्रा 4), भी बहुलकीकरण समय को प्रभावित करेगा. विभिंन hydrogel रचनाओं के लिए पार से जोड़ने की स्थिति के लिए अनुकूलन इस प्रकार उपकरणों की निर्माण प्रक्रिया के शुरू होने से पहले की आवश्यकता है ।
photomasks और hydrogel परतों के उचित संरेखण, विशेष रूप से अंतिम परत सील, पर संरेखण के निशान का उपयोग सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है कि उचित सील किया जाता है, और आंतरिक घटकों को अनजाने में पार से जुड़े नहीं है निर्माण की प्रक्रिया के दौरान आसपास के समर्थन संरचनाओं । यह इन घटकों को स्वतंत्र रूप से चुंबकीय actuation के दौरान चलती से रोकेगी । के रूप में चित्रा 5, एक डिग्रियों शीर्ष सील परत और crosslinking में photomask परिणाम और गियर के एक हिस्से के उपकरण के थोक सामग्री के लिए ही लंगर में दिखाया गया है । एक परिणाम के रूप में, इस गियर जब एक चुंबक के साथ हाथ घुमाना नहीं है ।
उपकरणों ऐसे neodymium मैग्नेट के रूप में मजबूत स्थायी चुंबक का उपयोग कर हाथ हो सकता है । इन मैग्नेट मजबूत चुंबकीय बलों जब बंद रेंज में ferromagnetic सामग्री और देखभाल करने के लिए चोट को रोकने के लिए लिया जाना चाहिए उत्पंन करते हैं । डिवाइस डिवाइस के साथ संपर्क में आने चुंबक के बिना स्थानांतरित करने के लिए हाथ हो सकता है; चुंबक आयोजित किया जा सकता है या डिवाइस से दूर ~ 1cm रखा । लौह-मैगनीज घटकों के आंदोलन चुंबक के आंदोलन दर्पण और लगातार या उंमुख के रूप में वांछित ले जाने के लिए हाथ हो सकता है चाहिए । डिवाइस मैंयुअल रूप से या एक actuation सेट अप किया जा सकता है इस्तेमाल किया जा सकता है । चुंबक रोटेशन आंदोलन के लिए किसी भी गति (जैसे, इमदादी मोटर) से जुड़ा हो सकता है । चुंबक के रोटेशन की गति, और इसलिए लौह-मैगनीज घटक के रोटेशन की गति, एक microcontroller का उपयोग कर नियंत्रित किया जा सकता है । यह actuation की एक और अधिक सटीक विधि के लिए प्रदान करता है ।
चित्रा 8 पिछले काम है कि इस एक ही तकनीक का उपयोग कर गढ़े थे और इस विधि के बहुमुखी प्रतिभा का प्रदर्शन से विभिंन डिजाइनों के योजनाबद्ध और छवियों से पता चलता है । इन डिजाइन सरल उपकरणों है कि वाल्व के समान से लेकर (चित्रा 8A) और अधिक जटिल और परिष्कृत डिजाइन कि जिनेवा ड्राइव डिजाइन (चित्रा 8D) है कि 2 लगे गियर कि आंतरायिक उत्पादन के शामिल से प्रेरणा आकर्षित करने के लिए आंदोलन. छोटे विशेषताएं है कि इस तकनीक का उपयोग कर उत्पंन किया जा सकता है आमतौर पर के बारे में १०० µm और प्रत्येक डिजाइन कई परतों से बना है (3 से 6 परतों) । विभिन्न प्रकार की hydrogel रचनाएँ (भिन्न यांत्रिक शक्तियों और porosity के साथ) भी बहुलक किया जा सकता है और एक दूसरे के लिए बंधुआ । इसलिए, एक आसानी से hydrogels के प्रकार गठबंधन कर सकते है डिवाइस के भीतर विभिंन घटकों के आवश्यक कार्य के आधार पर एक डिवाइस के भीतर इस्तेमाल किया जाएगा ।
Disclosures
लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है
Acknowledgments
यह काम एक NSF कैरियर पुरस्कार, NIH R01 ग्रांट (HL095477-05), और NSF ECCS-१५०९७४८ अनुदान द्वारा समर्थित किया गया था । S.Y.C. को राष्ट्रीय विज्ञान छात्रवृत्ति (पीएचडी) का समर्थन प्राप्त था, जिसे एजेंसी फॉर साइंस, टेक्नोलॉजी एंड रिसर्च (सिंगापुर) ने सम्मानित किया था । हम बनाने के निर्माण के साथ मदद के लिए कीथ Yeager धंयवाद सेट अप, और साइरस डब्ल्यू बेह सेट अप और उपकरणों की तस्वीरों के लिए ।
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
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