Summary
En additiv produksjon strategi for behandling av UV-crosslinkable hydrogels har blitt utviklet. Denne strategien gir samlingen lag-på-lag av microfabricated hydrogel strukturer samt montering av uavhengige komponenter, gir integrert enheter inneholder bevegelige komponenter som er mottakelig for magnetisk aktivering.
Abstract
Polyetylenglykol (PEG)-basert hydrogels er biokompatible hydrogels som er godkjent for bruk i mennesker av FDA. Typisk PEG-baserte hydrogels har enkel monolittisk arkitekturer og ofte fungere som stillas materialer for tissue engineering programmer. Mer sofistikert strukturer vanligvis ta lang tid å dikte og ikke inneholder bevegelige komponenter. Denne protokollen beskriver en klima og jordsmonn metode som gir lettvinte og rask microfabrication av PEG strukturer og enheter. Denne strategien innebærer et internt utviklet fabrikasjon stadium som tillater rask fabrikasjon av 3D strukturer av bygge opp i lag-på-lag mote. Uavhengige flytte komponenter kan også justert og monteres på støttestrukturer til integrerte enheter. Disse uavhengige komponenter er dopet med superparamagnetiske jernoksid nanopartikler som magnetiske aktivering. På denne måten fabrikkerte enhetene kan bli trukket ut med eksterne magneter til bevegelse av komponentene i. Derfor tillater denne teknikken fabrikasjon av sofistikert MEMS-lignende enheter (micromachines) som består helt ut av en biokompatible hydrogel, stand uten en onboard strømkilde, og svare på en kontakt-mindre metode for aktivering. Dette manuskriptet beskriver fabrikasjon av både fabrikasjon opplegget samt den trinnvise metoden for microfabrication av disse hydrogels-baserte MEMS-lignende enheter.
Introduction
MEMS enheter har funnet en rekke programmer spesielt innen medisinsk utstyr. Selv om de låne en masse ekstra funksjoner og miniatyriserte natur disse enhetene gjør dem attraktive for bruk som implantables1,2,3, disse enhetene ofte har iboende sikkerhet og biocompatibility problemer, som består av materialer som kan være skadelig for menneskekroppen (f.eks metaller, batterier, etc.)4,5,6. PEG-baserte hydrogels er flytende hovne polymer nettverk og er ofte brukt for programmer som vev engineering stillaser hovedsakelig delvis på grunn av deres høye biocompatibility7,8. PEG-baserte hydrogels har også vært FDA-godkjent for bruk i mennesker9,10,11. Men på grunn av materielle egenskapene av hydrogel tåler de ikke lett vanlig produksjonsprosesser som teknikker som brukes i typisk silisium-baserte microfabrication. Dermed er hydrogel-baserte konstruksjoner vanligvis begrenset til enkle monolittisk arkitekturer. Dagens innsats på microfabrication av hydrogels har resultert i strukturer med mikron-størrelse funksjoner; disse strukturene er imidlertid ofte av en enkelt lag og enkelt materiale12,13 og mangel flytte komponenter14,15,16.
I en tidligere arbeid beskriver vi en strategi for fabrikasjon micromachines som består av en biokompatible PEG-baserte hydrogel materiale17. Mikron-størrelse funksjoner kan fremstille lett bruke en klima og jordsmonn og disse strukturene kan bygges oppover med en lag-på-lag-metode, aktiveres av presise z bevegelsen av underlaget der hydrogels er polymerized. Hydrogels av forskjellige komposisjoner kan fremstille ved siden av hverandre. I tillegg har disse enhetene bevegelige komponenter som kan bli trukket ut ved hjelp av en ekstern magnet. Denne allsidige teknikken er også egnet for behandling av mykt materiale eller hydrogel som er Foto-polymerizable. Derfor, denne teknikken er godt egnet for fabrikasjon sofistikert MEMS-lignende enheter består utelukkende av hydrogels.
Protocol
1. fabrikasjon scenen
- Samle fabrikasjon (figur 1) oppsett som består av en innebygd scenen og PDMS kammeret hvor hydrogel komponentene er polymerized. Fabrikasjon scenen består av en akryl top, som spor og kanaler ble lagd for å tillate vakuum tilkoblinger, en holder for kampen av en mikrometer hodet i vakuum-aktiverte scenen, og threaded stålstenger at hele scenen fikses på stål base for stabilisering.
- Fastsette leder av mikrometer med en akryl stykke som er maskinert har spor for vakuum tilkobling. Vakuum tilkoblinger tillate brukeren å holde nede PDMS kammeret samt flytte fleksibel membranen i det PDMS kammeret.
- Plasser en UV lyskilde (320-500 nm) over fabrikasjon scenen slik at hendelsen lyset er vinkelrett mot horisontalplanet av scenen (supplerende figur 1).
2. fabrikasjon av PDMS kammer og bestemme "Zero" nivået
- Gjøre en PDMS kammer hvor hydrogels vil bli polymerized (se figur 1A, PDMS chamber). Denne kammer består av en PDMS med en fleksibel membran som et glass dekkglassvæske er limt. Den glass dekkglassvæske som er limt til fleksible PDMS membranen behandles videre for å hindre vedheft av hydrogels (trinn 2.1.7).
- Forberede en 9 del PDMS base til 1 del herding agent blandingen (av vekt).
- Rør godt med glass stang å sikre at base og herding agenter er godt blandet. Sentrifuge 1000 x g å fjerne luftbobler.
- Nøye hell PDMS blandingen i to glass Petri retter til et tykt lag (~ 3 mm) og et tynt lag (~0.2 mm). PDMS-fylt Petri retter på en flat, plan overflate og kur overnatting ved romtemperatur eller i 30 minutter i en ovn med temperatur satt minst 75 ° c.
Merk: Et tynt lag av PDMS er nødvendig for foten av PDMS kammeret som den sikrer generering av en fleksibel lag som kan enkelt flyttes i z-retningen skruen-strikkefasthet mikrometer. PDMS lagene må være flat og å sikre at polymerized hydrogel lagene av jevn tykkelse. - Etter at PDMS er fullstendig kurert, kuttet en 4 cm diameter sirkel i tykke lag ved hjelp av en skalpell bladet eller pennekniv. Løsner tykke PDMS lag fra glass Petriskål. Plassere tykke PDMS lag (nederst-side opp) og tynne PDMS lag (fremdeles i glasset Petriskål) i en plasma ovnen.
- Plasma behandle to PDMS lag (30 s, air plasma) og bond undersiden av tykke PDMS lag på toppen-siden av tynne PDMS lag. Fjern limt brikker fra glass Petriskål å danne en sirkulær godt med det tynne laget danner en fleksibel membran base.
Merk: Før fjerning av limt lagene fra glass Petriskål, to limt lagene kan plasseres på en varm plate på 95 ° C å oppmuntre liming av lagene. - Plasma bånd et glass dekkglassvæske (nr. 2, 22 x 22 mm) til top-side av fleksible PDMS membranen; plasma behandle både glass-dekkglassvæske og PDMS kammeret fra trinn 4 for 30 s (luft plasma) og sted den glass dekkglassvæske kontakt med topp-siden av fleksible membranen base til binding det til membranen.
- Damp silanize PDMS kammeret med trichloro (1H 1H 2H, 2H - perfluorooctyl) silane (PFOTS) i minst 30 minutter; Plasser PDMS kammeret i et vakuum desiccator sammen med en liten Petriskål med 60 µL av PFOTS og koble den forseglede desiccator til central laboratorium vakuum. La desiccator koblet vakuum systemet i minst 30 minutter.
- Kontroller at desiccator vakuum segl genereres og at slippverktøyet av PFOTS "bobler" etter 5-10 minutter. Damp silanization av PDMS kammeret gir lettvinte fjerning av dannet hydrogel lag og forhindrer sterk vedheft av polymerized pinne hydrogels glassplaten etter lang tids bruk.
- For å fastslå hvilket "zero" PDMS kammeret, plass den på et vakuum-aktiverte Stadium (koblet til laboratoriet sentrale vakuumsystem).
- Bruk negative trykk til hold PDMS kammeret. PEG hydrogel strukturer vil være polymerized i denne PDMS kammer (figur 1A, fabrikasjon området).
- Plass en ubehandlet glass dekkglassvæske oppå PDMS kammeret slik at den dekker brønnen. Avstanden mellom øverste glass dekkglassvæske (topp substrat) og bunn glass dekkglassvæske (nederste underlaget) definerer tykkelsen av hydrogel laget som dannes i det PDMS kammeret.
- Bruker mikrometer hodet, skyv bunnen underlaget oppover til det er i kontakt med topp underlaget. Bruk lesing på mikrometer hodet som "zero" PDMS kammeret og som referanse når du definerer tykkelsen på polymerized hydrogel lagene.
3. Photomask Design for Photopolymerization av Hydrogel Microstructures
- Design av photomasks, kan du bruke CAD-programvare.
- Utforme hvert unike lag av hydrogel som skal fremstille. Se figur 2 for eksempel enheten fremstille bruker denne protokollen. Figur 2 viser 3D skjematisk for enheten, tilsvarende lagene å fremstille og photomasks som ble utviklet for fabrikasjon av disse enkeltlag.
- Utforme photomasks i mørke felt; funksjoner for å være polymerized bør være gjennomsiktig og bakgrunnen er ugjennomsiktig (figur 2 C, utfyllende figur 2).
- Innlemme justering merker i photomask design å lette justering av photomasks under fabrikasjon prosessen.
- Skrive ut design som åpenhet photomasks på den høyeste oppløsningen tilgjengelig og høy tettheten.
4. behandling av Glass Coverslips å hindre vedheft av Hydrogels
- For å opprette overflater som frastøter polymerized pinne hydrogels, er glass coverslips belagt med et tynt lag av PDMS.
- Forberede PDMS (9:1 base herding agent ratio) og sentrifuge 1000 x g å fjerne luftbobler.
- Bruke et tynt lag med PDMS renset glass coverslips og la for å kurere på en flat, jevn overflate i en ovn (> 75 ° C, 30 min).
5. lag-på-lag fabrikasjon av Hydrogels: Top tetting laget og bunnen støtte strukturer
- For å opprette en hydrogel lag som deretter brukes til å forsegle dannet enheten, kan du bruke en ubehandlet stykke glass dekkglassvæske (No.2) som "lokk" for PDMS kammeret. Denne "lokk" omtales som topp underlaget.
- Fra "zero" nivået av enheten, Senk bunnen underlaget med mikrometer leder til ønsket høyde. Avstanden mellom øverste og nederste substrater definerer tykkelsen på det første hydrogel laget (Z1, figur 3A).
- Sette inn en liten mengde PEGDA prepolymer (f.eks en blanding av 400Da PEGDA med 1% Darocur 1173), nok til å dekke bunnen underlaget.
- Plass øverste underlaget på PDMS kammeret.
Merk: Det er viktig å kontrollere at ingen luftbobler fanget mellom øverste og nederste substrater. - Plass en photomask med ønsket design på topp underlaget (figur 2C (i)). Kontroller at masken er i full kontakt med topp underlaget og justert til bunnen underlaget.
- Utsett hydrogel prepolymer for UV-lys gjennom photomask (trinn 1, figur 3A). Sikre at eksponering er gjort i en innesluttet mellomrom som hindrer spredt UV lyseksponering til nærområdet.
Forsiktig: Bruk UV-beskyttelse (f.eks UV briller) når systemet.
Merk: Kraften og varigheten av eksponering avhenger UV systemet og PEGDA prepolymer brukes. - For eksempel for en 200 W UV-lampen og 99% PEGDA (400 Da PEGDA med 1% photoinitiator (v/v)) prepolymer løsning, sette lampe makt på 16% (tilsvarende ~2.3 W/cm2) og fullt cure hydrogels 4 sekunder. Varigheten av eksponering økes med redusert lampe makt og økende PEG chain lengden av prepolymer brukes.
- Etter hydrogel laget har blitt polymerized, løft toppen underlaget PDMS kammeret. Polymerized laget bør følges på topp underlaget (rammemarg for trinn 1 figur 3A). Reservere dette adhered laget for bruk senere å forsegle montert enheten. Skjerme dette polymerized laget fra lys.
Merk: Hold dette polymerized laget fra lys og våt med overflødig uncrosslinked prepolymer å hindre at laget fra uttørking og sprengning.
- For å opprette bunnen støttestrukturer, bruk PDMS-belagt glass coverslips som topp underlaget av PDMS kammeret.
- Sette inn flere hydrogel prepolymer på nederste underlaget og dekker PDMS med en PDMS-belagt glass dekkglassvæske. Dette er å sikre at polymerized lagene forblir på nederste underlaget, tillater brukeren å bygge lag oppover (trinn 2, figur 3A).
- Gjenta trinn 5.1.4 og 5.1.5 med ønsket photomask design (figur 2 c (iii)).
- Fjerne topp underlaget og legge til flere PEGDA prepolymer og lavere nederste underlaget med mikrometer leder til ønsket nivå. Dette nivået bør tilsvare tykkelsen på 2nd laget av hydrogel skal polymerized (Z2, trinn 3 figur 3A).
- Dekker PDMS godt med det øverste substratet (PDMS-belagt glass), og gjenta trinn 5.1.4 og 5.1.5.
- Kontinuerlig bygge opp lag av hydrogel som ønsket bruker skritt 5.2.1 Oppgi og 5.2.2 til ønsket støttestrukturer er dannet.
6. montering og tetting Hydrogel-baserte enheten
- Å montere og forsegle enheten, først fjerne det øverste substratet (PDMS-belagt glass) og bruker et par pinsett, plassere pre-formet hydrogel komponenter (f.eks tannhjul, jern-dopet komponenter) på støttestrukturer (del (i), trinn 4, figur 3A ).
Merk: En permanent magnet kan brukes til å justere noen jern-dopet komponenter (se jernoksid doping hydrogel komponenter for fabrikasjon trinn). - Ønsket høyde på montert enheten bruker mikrometer skruen måleren å forsegle enheten, først bringe nederste underlaget til finalen. Dette bør være siste høyden av enheten, tar hensyn til tykkelsen på lagene, indre komponenter og eventuelle klaringen gitt for å flytte komponentene (Z4, trinn 5 figur 3A)
- Sted det pre-formet hydrogel laget overholdt på ubehandlet glass dekkglassvæske fra 5,1 til delvis sammensatte enheten (del (ii), trinn 4, figur 3A). Forsiktig plassere pre-formet laget slik at den justeres riktig strukturer nedenfor.
- Plass en photomask som tillater tetting av enheten men beskytter interiøret flytte komponenter fra UV-stråling. Kontroller at de bevegelige komponentene ikke er polymerized på kantene av enheten, hindrer deres bevegelse under aktivering.
- Utsette hele strukturen til UV lys (del (i), trinn 5, figur 3A).
- Løft glass dekkglassvæske fra fabrikasjon scenen. Forseglet enheten bør følge topp underlaget ((del (ii), trinn 5, figur 3A).
Merk: Hvis enheten forblir adhered til nederste underlaget, nøye løft enheten med en flat-tipped (ikke-taggete) pinsett eller flat spatula. - Forsiktig fjerne overflødig unpolymerized PEGDA bruker vakuum sugekraft og nøye løft av enheten glass dekkglassvæske med en flat pinsett eller flat spatula.
- Plass enheten i saltvann eller DI vann. Hydrogels svelle i løsningen. La enheten i løsning for minst 30 minutter for stabilisering og utvidelse av enheten og de innvendige komponentene.
Merk: Hvis enheten brukes til i vivo implantasjon, det er viktig å skyll og lekke av noen uncrosslinked prepolymers. Dette kan gjøres ved å endre løsningen der enheten er ruges i hver time (minst 3 skyller) og forlater enheten i løsning overnatting, og skyllingsprosess av flere løsning. - Fjerne luft i enheten ved å plassere enheten i en Petriskål fylt med Ionisert vann eller saltløsning i et vakuum kammer (koblet til central laboratorium vakuumsystemer) i minst 30 minutter. Dette vil resultere i avgassing av enheten og enheten vil bli fylt med løsning når negative trykket er fjernet.
Merk: Holde enheten hydrert/i løsningen til alle tider. Enheten kan sprekk bør det være igjen for å tørke ut.
7. jernoksid Doping Hydrogel komponenter
- Forberede en PEGDA prepolymer løsning med 1% photoinitiator (f.eks 99% (v/v) PEGDA (400 Da) med 1% Darocur 1173).
- Bruke denne prepolymer løsning, lage en 5% (w/v) løsning av jernoksid (II, III) hydrogenion løsning. Veie ut 5 mg jernoksid nanopartikler og legge 100 µL av PEGDA prepolymer. Pipetter opp og ned og vortex å sikre jevn miksing.
- Kontroller at nanopartikler homogenously spres i PEGDA prepolymer før bruk av nanopartikler vil sediment over tid.
- Pipetter en liten mengde jernoksid - PEGDA prepolymer blandingen på nederste underlaget av PDMS kammeret.
- Dekk PDMS godt med det øverste substratet (PDMS-belagt glass) for å sikre at de dannet hydrogels forblir på nederste underlaget.
- Bringe nederste underlaget ønsket høyde med mikrometer leder.
Merk: Tynne lag (200 µm) av jernoksid-dopet PEGDA bør bli polymerized med hver enkelt eksponering. Dette er på grunn av nedgang i dybden av gjennomtrengning av UV lys som jernoksid nanopartikler er ugjennomsiktige og kan absorbere og blokkere UV-lys. - Bruker en photomask som definerer formen på segmentet å være dopet med jernoksid i komponenten bevegelse, utsette tynne lag av jernoksid dopet prepolymer UV lys (Figur 4(i)).
Merk: UV eksponeringstid økes for å sikre at jern-dopet segmentet fullt krysskoblet (~ 10 sekunder). - Senk bunnen underlaget og gjenta trinn 6, bygge det jern-dopet segmentet i tynne lag hver gang til ønsket høyde (Figur 4(ii)). Totalt 5 lag bør være polymerized for å gi et 1mm høye jern-dopet segment.
- Etter jern-dopet segmentet er fullført (Figur 4(iii)), fjerne alle overflødig jern-dopet prepolymer bruker vakuum sugekraft. Ikke Fjern jern-dopet segmentet fra fabrikasjon scenen.
- Innskudd PEGDA prepolymer (undoped) på polymerized jern-dopet segmentet. Bringe nederste underlaget siste høyden på komponenten skal fullføres. Dekk PDMS godt med det øverste substratet (PDMS-belagt glass).
- Bruker en photomask som definerer formen på komponenten bevegelse, avsløre PEGDA prepolymer, i tillegg til jern-dopet segmentet, UV lys (Figur 4(iv)).
- Fjerne topp underlaget og fjerne overflødig unpolymerized PEGDA prepolymer bruker vakuum sugekraft. En pinne-komponent med et dopet jernoksid segment bør forbli på nederste underlaget. Løft denne komponenten med en pinsett.
- Reservere jern-dopet komponenten for montering på støttestrukturer av en PEG-basert enhet (del (i), trinn 4, figur 3A). Skjerme komponenten fra lys og sikre at det forblir vætet med uncrosslinked prepolymer før bruk.
8. actuation montert enheten
Merk: Jern-dopet komponentene i sammensatte enheten kan bli startet opp for å flytte med en sterk permanent magnet som neodymium (N52 styrke). Være forsiktig for å unngå knipe farer som disse magnetene er veldig sterkt tiltrukket ferromagnetisk materiale.
- Plass en neodymmagnet under eller over enheten innen 1-2 cm bort fra enheten. Mens du flytter magneten, skal bevegelsen av jernoksid dopet komponentene skygge bevegelsen av magneten.
Merk: En aktuator kan bygges med en motor som er festet med en magnet. Rotasjon av motoren bør tillate roterende aktivering av komponenten jern dopet.
Representative Results
Figur 3B viser bilder av lag av hydrogels polymerized med fabrikasjon oppsettet. Figur 3B (i) viser en fabrikkert 400 µm tykk base lag med en 600 µm blenderåpning. Figur 3B (ii) viser ytterligere to lag som var lagvis oppå bakgrunnslaget; en 500 µm høye omkrets og en 800 µm høye aksel i midten. Den totale fabrikasjon for disse tre lagene var mindre enn 3 minutter tar hensyn til 4 sekunder med eksponering for hvert lag og tiden det tar å justere høyden på nederste underlaget og justering av photomasks. Tidligere arbeid utført på det samme fabrikasjon oppsettet viser at en rekke design kan fremstille med resolusjoner så høyt som 100 µm.
Hydrogel komponentene kan også være enkelt dopet med jernoksid nanopartikler. Eksponeringstider var optimalisert for å sikre tynne lag (200 µm) av PEGDA prepolymers dopet med iron oxide nanopartikler kan være fullt polymerized. Figur 5A viser photomask brukes til å definere jernoksid segmentet å være polymerized. Un dopet PEGDA prepolymer kan være fullt polymerized i 4 sekunder med UV-stråling. Men når jernoksid dopet prepolymer ble utsatt for 4 sekunder for UV, den resulterende hydrogel var ikke fullt polymerized, som kan ses i figur 5C. Segmentet generert var tynnere (sammenlignet med et fullt krysskoblet segment vist i figur 5B), og kantene var ujevn med kompromittert gjengivelse i forhold til figuren definert av photomask. UV-stråling på 10 sekunder var nødvendig å fullt kryss link jernoksid segmentet og figur 5B viser jernoksid segmentet som ble generert; polymerized jernoksid segmentet er tykkhet (200 µm) med rette kanter, og figuren kvalitet opprettholdes tett i forhold til photomask (figur 5A). Derimot over eksponering (> 15 sekunder) til UV lys generert jernoksid segmenter som var over polymerized. Figur 5 d viser polymerized over segmentet som har dårlig form gjengivelse og er større enn formen definert av photomask.
Figur 6A viser en fullstendig enhet etter tetting med riktig justering ved å benytte photomasks med justering merker. Utstyret i enheten er innenfor den sentrale blottet for enheten og er derfor mottakelig for magnetisk aktivering. Figur 6B viser en enhet med en feiljustert tetting laget. Figur 6C viser nederste lag av hydrogel og utstyret selv belyst med svarte konturene og figur 6D feiljustert tetting av topp hydrogel laget belyst i hvite konturer. Som kan sees fra figuren 6D, deler av utstyret som faller innenfor regioner hvor polymerisasjon ville finner sted under tetting (vises i rødt fyll) fører til deler av utstyret blir forankret til mesteparten av hydrogel materialet. Dette hindrer at utstyret flytte under aktivering.
Figur 7 viser en funksjonell ett gear enhet som ble fabrikkert (totalt fabrikasjon ~ 15 minutter). Totalt tykkelsen på enheten er 2 mm og den lengste dimensjonen av enheten er 13 mm. Øverste og nederste lag av enheten er 400 µm tykk utstyret har en høyde på 1 mm. Dette design gir en 100 µm klaring på toppen og bunnen overflaten av utstyr å tillate bevegelse. Det øverste mest laget av enheten har en 600 µm blenderåpning og akselen for utstyret er 400 µm i diameter. Figur 5B viser bilder av enheten når den er startet opp med en magnet slik at utstyret utfører en full rotasjon som kan observeres fra endringen i plasseringen av jernoksid segmentet fra (i) gjennom (vi).
Figur 1 . Fabrikasjon oppsett for hydrogel-basert micromachines. A) skjematisk av fabrikasjon scenen. Dette skjemaet viser de ulike delene av fabrikasjon opplegget inkludert PDMS kammeret som dannes på hydrogels innen fabrikasjon, vakuum-aktiverte stadium som holder ned PDMS kammeret samt festes fleksibel membranen til en mikrometer hodet høydekontroll og topp substrat som består av et glass dekkglassvæske som er ubehandlet eller belagt med PDMS. B) skjematisk av øvre del av fabrikasjon scenen (uten PDMS kammer). UV lyskilden er deretter plassert slik at hendelsen lyset er vinkelrett mot horisontalplanet av fabrikasjon scenen (ikke vist i figuren). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2 . Skjematisk av enkelt-gear hydrogel-basert enhet og photomasks brukes for hvert lag. A) skjematisk av topp - og skrå-visningen av en typisk hydrogel-basert enhet som kan fremstille bruker denne strategien. Denne enheten består av et enkelt utstyr som inneholder en jern-dopet segment som tillater magnetiske kontroll. B) skjematisk av enkeltlag og komponentene i enheten. Single-gir enheten består av en top tetting laget (i), støttestrukturer som innlegget for jern-dopet gir og veggene av enheten (ii) samt en bunnen layer (iii). C) Photomask design brukt å dikte single-gir enheten. Photomasks er utformet mørke felt; ønskede funksjoner igjen gjennomsiktig når bakgrunnen er mørk. Dette panelet viser photomask design tilsvarer de tetting laget (i) støttestrukturer (ii) og nederste lag (iii). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3 . Lag-på-lag klima og jordsmonn av hydrogel-basert micromachines. A) skjematisk av trinnvis prosess apparat fabrikasjon innenfor den fabrikasjon PDMS kammeret. 1: en liten mengde PEGDA prepolymer er pipetted på glass dekkglassvæske bundet til fleksible membran av PDMS kammeret (nederste underlaget). Et stykke ubehandlet glass dekkglassvæske brukes som topp underlaget og en photomask plasseres oppå dette topp underlaget. Høyden på nederste underlaget er brakt til ønsket høyde (Z1) med mikrometer leder. Hydrogel prepolymer er deretter eksponert for UV-lys gjennom photomask. Topp underlaget kan deretter løftes av PDMS kammeret og hydrogel restene overholdt det øverste substratet (innfelt). Dette laget er deretter reservert for senere bruk. 2: trinn 1 gjentas, men toppen underlaget er nå erstattet med PDMS-belagt glass. Den polymerized hydrogel blir adhered til nederste underlaget. 3: høyden på nederste underlaget senkes (Z2> Z1) og flere prepolymer kan legges til fabrikasjon området. En andre photomask brukes, og prepolymer er eksponert for UV lys igjen. 4: trinn 3 kan gjentas (Z3 > Z2) til ønsket støttestrukturer er opprettet. (i) når støttestrukturer er fullført, kan topp underlaget fjernes for å tillate tilgang til fabrikasjon området for innføring av alle preformed hydrogel komponenter (f.eks jern-dopet utstyr). (ii) når preformed komponentene er plassert og riktig justert, kan hydrogel laget fra trinn 1 plasseres over fabrikkerte strukturen og justert. 5: alle lagene er så utsatt for UV-lys gjennom en photomask som sel kantene på enheten. (i) tetting trinnet tetter hele enheten mens de innvendige komponentene er skjermet fra videre UV-stråling. (ii) lukket enhet kan deretter løftes av fabrikasjon kammeret som det ville fortrinnsvis følge topp underlaget. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4 . Fremgangsmåten for jernoksid hydrogenion doping hydrogel komponenter. (i) UV lys eksponeres gjennom en photomask definere jernoksid-dopet segmentet i hydrogel utstyret. (ii) Thin (200 µm) lag av jernoksid-dopet hydrogel polymerized hver gang og stablet oppå hverandre. (iii) lag av tynne lag oppretter et segment med total høyde på 1 mm. Dette segmentet står i fabrikasjon laget. (iv) un dopet prepolymer blir deretter satt inn området fabrikasjon og en photomask som definerer fullstendig formen på utstyret brukes deretter i cross-linking. Dette gjør at dannelsen av komplett utstyr med en jernoksid-dopet segment. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5 . Photopolymerization av jernoksid-dopet hydrogel komponenter. A) Photomask utstyr segmentet å være dopet med jernoksid nanopartikler. B) jernoksid-dopet hydrogel som er optimalt polymerized (10 s eksponering). C) jernoksid-dopet hydrogel som er under-polymerized (4 s eksponering). D) jernoksid-dopet hydrogel som er over polymerized (20 s eksponering). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6 . Justering av hydrogel lag under tetting av enheten. A) bilde som viser riktig justering av hydrogel lag med fritt bevegelige utstyr som er helt innenfor tomrommet av enheten. B) bildet viser enhet med feiljustert hydrogel lag (B, C og D er bilder av samme enhet, men med forskjellige lag uthevet). C) samme bildet som (B), men med svarte konturene Klargjørende nederste lag som er riktig justert. Utstyret er riktig plassert i nedre lagene. D) samme bilde som (B) men med hvite kanter viser det skjeve øverste laget av hydrogel. Utstyret har vært delvis polymerized under tetting trinnet og deler av utstyret (rødt fyll) er forankret til bulk materiale på enheten. Dette gjør at enheten ikke fungerer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7 . Aktivering av en enkelt-gear hydrogel-basert micromachine. A) bildet viser fabrikkerte enheten. B) bilder viser de forskjellige retningene på utstyret ved aktivering. (i) fra sin innledende orientering (0°) roteres utstyret (ii) 60°, (iii) 120°, (iv) 180°, (v) 240° og 300°. Skala bar er 1 mm Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8 . Allsidig fabrikasjon av ulike design for hydrogel-basert micromachines. A) en enkel sluseventil som styrer frigjøring av rusmidler fra et enkelt reservoar. Lineær bevegelse av komponenten jernoksid-dopet hydrogel gates spredningen av en hypotetisk legemiddel ut gjennom og utløp. B) en gated lineær manifold som styrer frigjøring av rusmidler fra flere reservoarer. Hver reservoaret inneholder hypotetisk narkotika og bevegelse av jernoksid-dopet komponent portene bevegelsen av narkotika av disse reservoarene gjennom et vindu av hydrogel som tillater spredningen av disse stoffene ut på utsiden. C) en enkel rotoren som kan bli trukket ut for å spinne om en akse. D) en sofistikert design basert på Genève-stasjonen. En driving utstyr med en PIN-kode er kjøpedyktig engasjere et større drevet tannhjul og produsere uregelmessige bevegelser; en full rotasjon av kjøring utstyr roterer drevet utstyret 60°. Alle skala barer er 1 mm. Fra Chin, S. Y. et al. Additive produksjon av hydrogel-baserte materialer for neste generasjons implanterbare medisinsk utstyr. Science Robotics. 2 (2), (2017). Gjengitt med tillatelse fra AAAS17. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Discussion
Denne teknikken er lettvinte og rask metode for lag-på-lag klima og jordsmonn av hydrogel microstructures. Bruke en additiv produksjon tilnærming, kan vi enkelt bygge en rekke 3D strukturer av biokompatible materialer og innarbeide bevegelige deler. Dette dermed gjøre dannelsen av helt biokompatible Micro Devices. Teknikken er basert på enkel repetisjon av litografi trinn, som er aktivert som presis kontroll av høyden på nederste underlaget via en mikrometer hodet. Tradisjonelle fabrikasjon teknikker som brukes i MEMS industrien, som involverer tøffe teknikker og oppofrende materialer, er ofte ikke kompatible med behandlingen av myke hydrogels. Andre metoder for 3D utskrift hydrogels, for eksempel ekstrudering-baserte metoder, er begrenset til romlig oppløsning over 200 µm og utskriftshastighet mm/s for enkel strukturer som ikke inneholder bevegelige deler18,19. Stereolitografi (SLA) og digital lys prosjekt (DLP) basert bioprinters kanskje kunne oppnå bedre oppløsning, men er også mye dyrere å setup. Disse fabrikasjon strategiene er heller ikke kan enkelt skrive ut overheng uten støtte substrat materialer, som kan være vanskelig å innføre og fjerne fra fullførte enheten. Vi omgå dette ved å justere og polymerizing en pre-formet tetting lag å fremstille støtte strukturen til slutt til ferdigutfylte enheten. Utformingen av fabrikasjon oppsettet gir brukeren enkel tilgang til de fabrikkerte strukturene og gir enkel justering av ulike komponenter med bruk av justering merker.
Strategien presenteres her er også mye raskere enn andre teknikker av lignende løsninger; den totale tiden for demonstrert fabrikasjon av enheten med en roterende er ca 15 minutter. En annen addert fordel av denne fabrikasjon strategi, men ikke vist i denne protokollen, men vist i våre tidligere arbeid17, er evnen til å raskt og enkelt endre av polymer brukes mellom trinn som kan gjøres i små volumer . På denne måten kan man lage enheter som er sammensatt av forskjellige typer hydrogels. Enheten fremstille bruker denne strategien også har den ekstra fordelen av kontaktløse aktivering som utstyret inneholder et segment som er dopet med jernoksid nanopartikler, rendering utstyret følsomme for magnetisk aktivering og kan derfor bli trukket ut ved hjelp av en ekstern magnet. I tillegg enheten helt biokompatible og dermed kan være trygt implantert i vivo.
Et viktig trekk ved denne teknikken er behandlingen av underlagene. forskjellige glass, som lar brukeren fortrinnsvis overholde eller frastøte polymerized hydrogel enten i bunnen eller toppen barometer substrate. Når en kombinasjon av ubehandlet glass med en PFOTS-behandlet glassoverflate (nederste underlaget), vil dannet hydrogels fortrinnsvis overholder ubehandlet glass, som de er frastøtt fra fluorholdige overflaten av PFOTS-behandlet glass. Motsatt, når PDMS-belagt glass med PFOTS-behandlet nederste underlaget, hydrogels vil tendere til å være på overflaten PFOTS behandlet som PDMS overflater sterkere frastøte dannet hydrogels. Denne funksjonen gjør det mulig å bygge oppover, overholde hydrogels slik at de er immobilized på glass underlag kan reserveres for justeringen til andre strukturer på et senere tidspunkt i tid, og selv bygge nedover. Dette legger til fleksibiliteten i de teknikk og design som kan fremstille samt gjør innlemmelse og tetting uavhengig, fritt bevegelige hydrogel komponenter.
I lag-på-lag fabrikasjon er det viktig å optimalisere polymerisasjon tiden brukes. Hydrogels bør være optimalt krysskoblet slik at de danner på tykkhet og på Hi-Fi sammenlignet med figurene definert av photomask. Dette er avhengig av lampen og typen hydrogel brukes. Selv om ikke vist i denne protokollen, polymerisasjon tiden avtar med økende lampe styrke og øker med økende PEG kjedelengde og redusere konsentrasjoner av PEGDA brukes. Andre faktorer som påvirker mengden energi tilgjengelig for photopolymerization, for eksempel endring i tetthet av prepolymer på grunn av jernoksid nanopartikler (Figur 4), vil dette påvirke polymerisasjon tiden. Optimalisering for cross-linking betingelser for ulike hydrogel komposisjoner er derfor nødvendig før starten av fabrikasjon enheter.
Bruk av justering merker på photomasks og det lated oppstilling av hydrogel lag, spesielt den siste tetting laget, er viktig å sikre at riktig tetting utføres, og de innvendige komponentene er ikke utilsiktet krysskoblet til den rundt støttestrukturer under fabrikasjon prosessen. Dette vil hindre at disse komponentene fritt flytte under magnetiske aktivering. Som vist i figur 5, gir en feiljustert top tetting lag og photomask crosslinking og forankring av en del av utstyret til bulk materiale i selve enheten. Som et resultat, roterer dette utstyret ikke når startet opp med en magnet.
Enhetene kan bli trukket ut med sterke magneter som neodymmagneter. Disse magnetene generere sterke magnetiske krefter i nært hold til ferromagnetisk materiale og bekymre burde være tatt å hindre skade. Enheten kan være startet opp for å flytte uten magneten kommer i kontakt med enheten. magneten kan avholdes eller plassert ~ 1cm bort fra enheten. Bevegelsen av jern-dopet komponentene kan skal speiles bevegelsen av magneten og startet opp for å flytte kontinuerlig eller orientert midlertidig som ønsket. Enheten kan være manuelt actuated eller en aktivering-oppsett kan brukes. Magneten kan knyttes til en aktuator (f.eks servomotor) roterende bevegelse. Rotasjonshastigheten av magneten, og dermed rotasjonshastigheten av komponenten jern-dopet kan styres med en microcontroller. Dette gir en mer presis metode for aktivering.
Figur 8 viser skjematisk og bilder av ulike design fra tidligere arbeid som ble laget ved hjelp av den samme teknikken og demonstrere allsidighet av denne metoden. Disse design varierer fra enkle enheter som ligner ventiler (figur 8A) til mer komplisert og sofistikert design som henter inspirasjon fra Genève stasjonen design (figur 8D) som består av 2 engasjert tannhjul som produserer intermitterende bevegelse. Minste funksjonene som kan genereres ved hjelp av denne teknikken var vanligvis ca 100 µm og hvert design er sammensatt av flere lag (3-6 lag). Ulike typer hydrogel komposisjoner (med ulike mekaniske styrken og porøsitet) kan også polymerized og limt til hverandre. Derfor kan en enkelt kombinere hvilke hydrogels som skal brukes i en enhet avhengig av nødvendige funksjonen de ulike komponentene i enheten.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av en NSF CAREER award, NIH R01 grant (HL095477-05) og NSF ECCS-1509748 grant. S.Y.C. ble støttet av National Science stipend (PhD), som ble tildelt av byrået for vitenskap, teknologi og forskning (Singapore). Vi takker Keith Yeager for hjelp med fabrikasjon oppsett, og Cyrus W. Beh for fotografier oppsett og enhetene.
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).
