Summary
En additiv tillverkningsstrategi för bearbetning av UV-tvärbindningsbara hydrogeler har utvecklats. Denna strategi möjliggör lager-för-lager montering av mikrofabricerade hydrogel strukturer samt montering av oberoende komponenter, ger integrerade enheter som innehåller rörliga komponenter som är lyhörda för magnetisk aktivering.
Abstract
Polyetylenglykol (PEG)-baserade hydrogeler är biokompatibla hydrogels som har godkänts för användning på människa av FDA. Typiska PEG-baserade hydrogeler har enkelt monolitisk arkitekturer och ofta fungerar som byggnadsställningar material för vävnad tekniska tillämpningar. Mer sofistikerade strukturer vanligtvis ta lång tid att tillverka och inte innehåller rörliga komponenter. Det här protokollet beskriver en photolithography metod som möjliggör för lättköpt och snabba mikrofabrikation PEG strukturer och enheter. Denna strategi innebär ett internt utvecklade fabrication stadium som möjliggör snabb tillverkning av 3D-strukturer genom att bygga uppåt i en lager-för-lager mode. Oberoende flytta komponenter kan också arrangera i rak linje och monteras på stödstrukturer att bilda integrerade enheter. Dessa oberoende komponenter är dopade med superparamagnetiska järnoxid nanopartiklar som är känsliga för magnetiska aktivering. På detta sätt, kan de fabricerade enheterna aktiveras med hjälp av externa magneter för att ge rörelse av komponenter inom. Därför kan denna teknik för tillverkning av sofistikerade MEMS-liknande enheter (micromachines) som består helt av en biokompatibel hydrogel, kunna fungera utan en ombord strömkälla, och svara på en beröringsfri metod för aktivering. Detta manuskript beskriver tillverkning av såväl fabrication set-up som den stegvisa metoden för mikrofabrikation dessa hydrogels-baserade MEMS-liknande enheter.
Introduction
MEMS-enheter har hittat en mängd applikationer speciellt inom medicintekniska produkter. Även om de lånar ut en massa extra funktioner och miniatyriserade arten av dessa enheter gör dem attraktiva för användning som implantables1,2,3, dessa enheter ofta har inneboende säkerhet och biokompatibilitet frågor, som de består av material som kan vara skadliga för den mänskliga kropp (t.ex. metaller, batterier, etc.)4,5,6. PEG-baserade hydrogeler är flytande svullna polymer nätverk och ofta har använts för applikationer såsom tissue engineering ställningar till stor del delvis på grund av deras höga biokompatibilitet7,8. PEG-baserade hydrogeler har också FDA-godkända för användning i människor9,10,11. Dock på grund av den materiella rekvisitan av hydrogel, de inte lätt motstå normal tillverkningsprocesser såsom tekniker som används i typiska kiselbaserade mikrofabrikation. Således, hydrogel-baserade konstruktioner är vanligtvis begränsad till enkelt monolitisk arkitekturer. Aktuella insatser på mikrofabrikation för hydrogeler har resulterat i strukturer med micron stora funktioner; dessa strukturer är dock ofta ett skikt av en enda materiell12,13 och brist på rörliga komponenter14,15,16.
I ett tidigare arbete beskriver vi en strategi för att fabricera micromachines som består helt av en biokompatibel PEG-baserade hydrogel material17. Micron stora funktioner kan fabriceras enkelt med en metod som photolithography och dessa strukturer kan byggas uppåt med en lager-för-lager-metod, aktiverad av substratet som hydrogels polymeriseras exakt z-axis rörelser. Hydrogeler av olika sammansättningar kan fabriceras intill varandra. Dessutom har dessa enheter rörliga komponenter som kan aktiveras via en extern magnet. Denna mångsidiga teknik är också lämplig för bearbetning av mjukt material eller hydrogel som är foto-polymerizable. Således, denna teknik är väl lämpad för fabricera sofistikerade MEMS-liknande enheter består helt av hydrogels.
Protocol
1. tillverkning scenen
- Montera fabrication (figur 1) set-up som består av en in-house byggt scenen och PDMS kammare där hydrogel komponenterna polymeriseras. Fabrication scenen består av en akryl topp, där spår och kanaler bearbetades för att möjliggöra vakuumanslutningar, en hållare för fixturen av en mikrometer chef inom vakuum-aktiverade scenen, och gängade stålstolpar som gör att hela scenen skall fastställas på stål bas för stabilisering.
- Fixa huvudet av Mikrometern med en akryl bit som bearbetas för att ha spår för vakuum anslutning. Vakuumanslutningar tillåter användaren att hålla ned PDMS kammaren samt flytta flexibla membranet i PDMS kammaren.
- Placera en UV-ljuskälla (320-500 nm) ovanför fabrication scenen så att incident vinkeln på ljuset är vinkelrät mot horisontalplanet av scenen (kompletterande Figur1).
2. tillverkning av PDMS kammare och bestämma dess ”noll” nivå
- Göra en PDMS kammare där hydrogels kommer vara polymeriseras (se figur 1A, PDMS kammare). Kammaren består av en PDMS väl med ett flexibelt membran som ett täckglas är limmade. Den täckglas som är bunden till flexibel PDMS membranet behandlas ytterligare för att förhindra vidhäftning av hydrogels (steg 2.1.7).
- Förbereda en 9 del PDMS bas till 1 del bota agent blandning (viktprocent).
- Rör om väl med en glasstav så att bas och härdare är väl blandat. Centrifugera vid 1 000 x g för att avlägsna luftbubblor.
- Häll försiktigt PDMS blandningen i två glas petriskålar ge ett tjockt lager (~ 3 mm) och ett tunt lager (~0.2 mm). Placera petriskålar av PDMS-fyllda på en plan, jämn yta och bota över natten i rumstemperatur eller i 30 minuter i ugn med temperatur på minst 75 ° C.
Obs: Ett tunt lager av PDMS krävs för basen av PDMS kammaren eftersom det garanterar generationen av ett flexibelt lager som enkelt kan flyttas i z-riktningen av mikrometer skruv mätaren. PDMS lager måste vara platt och nivå för att säkerställa att polymeriserat hydrogel lagren är av enhetlig tjocklek. - Efter PDMS är helt botade, skär en cirkel med 4 cm i diameter i det tjocka lagret med hjälp av en skalpell blad eller pennkniv. Lossna det tjocka PDMS-lagret från glaset petriskål. Placera det tjocka PDMS-lagret (botten-sida upp) och det tunna PDMS lagret (fortfarande i glaset petriskål) in en plasma i ugnen.
- Plasma behandla två PDMS lager (30 s, air plasma) och bond undersidan av lagrets tjock PDMS till toppen-sida av det tunna PDMS-lagret. Ta bort bundna bitar från glaset petriskål bildar en cirkulär väl med det tunna skikt som bildar ett flexibelt membran som bas.
Obs: Före borttagning av bundna lagren från glaset petriskål, de två bundna lagrarna kan placeras på en värmeplatta vid 95 ° C att uppmuntra limning av lagren. - Plasma obligationen ett täckglas (nr 2, 22 x 22 mm) till den övre sidan av den flexibla PDMS membranen; plasma behandla både täckglas och PDMS kammare från steg 4 för 30 s (air plasma) och placera täckglaset i kontakt med den övre sidan av flexibel bas att binda det till membranet membranet.
- Ånga silanize PDMS kammaren med triklor (1H, 1H, 2H, 2H - perfluorooctyl) silan (PFOTS) i minst 30 minuter. Placera PDMS kammaren i vakuum exsickator tillsammans med en liten petriskål med 60 µL av PFOTS och Anslut förseglade exsickatorn till centrallaboratorium vakuum systemet. Lämna exsickatorn ansluten till vakuum-systemet i minst 30 minuter.
- Se till att vakuum tätning av torkapparaten genereras och att droplet-programmet av PFOTS ”bubblor” efter 5-10 minuter. Vapor silanisering av PDMS kammaren tillåter lättköpt borttagning av bildade hydrogel lager och förhindrar stark vidhäftning av polymeriserat PEG hydrogels till glasytan efter långvarig användning.
- För att fastställa ”noll” av PDMS kammaren, placera den på en vakuum-aktiverade scen (ansluten till laboratorium centrala vakuumsystem).
- Applicera undertrycket nedtryckt för PDMS kammaren. PEG hydrogel strukturerna kommer att vara polymeriserat inom kammaren PDMS (figur 1A, tillverkning-området).
- Placera en obehandlad täckglas ovanpå PDMS kammaren så att det täcker väl. Avståndet mellan de översta täckglaset (topp-substrat) och det nedre täckglaset (botten-substrat) definierar tjockleken av hydrogel skiktet som bildas inom PDMS kammaren.
- Använda mikrometer huvudet, tryck botten underlaget uppåt tills den är i kontakt med övre substratet. Använda läsningen på Mikrometern huvudet som ”noll” nivån av PDMS kammaren och som referens när du definierar tjockleken av polymeriserat hydrogel lagren.
3. photomasken Design för fotopolymerisation av Hydrogel mikrostrukturer
- För att designa fotomasker, använda CAD-program.
- Utforma varje unik lager av hydrogel struktur som ska vara fabricerade. Se figur 2 för exempel enheten tillverkade med hjälp av detta protokoll. Figur 2 visar 3D Schematisk av denna enhet, motsvarande lager att vara fabricerade samt de fotomasker som var avsedda för tillverkning av dessa enskilda lager.
- Design fotomasker i mörka fält; funktioner för att vara polymeriseras bör vara transparent och bakgrunden är ogenomskinlig (figur 2 C, kompletterande figur 2).
- Införliva justering märken i de photomasken mönster att underlätta anpassningen av fotomasker under tillverkningsprocessen.
- Skriva ut mönster som öppenhet fotomasker vid högsta tillgängliga upplösning och hög bildpunktstäthet.
4. behandling av glas Coverslips att förhindra vidhäftning av Hydrogels
- För att skapa ytor som stöter bort den polymeriserat PEG hydrogels, är glas coverslips belagda med ett tunt lager av PDMS.
- Förbereda PDMS (9:1 bas till härdning agent baserat) och centrifugera vid 1 000 x g för att avlägsna luftbubblor.
- Applicera ett tunt lager av PDMS rengjorda glas coverslips och lämna för att bota på en plan, jämn yta inom ugn (> 75 ° C, 30 min).
5. lager-för-lager tillverkning av hydrogeler: övre tätning lagret och botten stödstrukturer
- Skapa ett hydrogel-lager som därefter används för att försegla bildade enheten, Använd en obehandlad bit täckglas (No.2) som ett ”lock” för PDMS kammaren. Denna ”locket” benämns topp substratet.
- Start från ”noll” nivån på enheten, lägre botten substratet med mikrometer huvudet till önskad höjd. Avståndet mellan de övre och undre substratesna definierar tjockleken på det första hydrogel lagret (Z1, figur 3A).
- Sätta in en liten mängd PEGDA prepolymer (t.ex. en blandning av 400Da PEGDA med 1% Darocur 1173), tillräckligt för att täcka botten substratet.
- Placera den övre substraten till PDMS ögonkammaren.
Obs: Det är viktigt att se till att det inte finns några luftbubblor som fångade mellan de övre och undre substratesna. - Placera en photomasken med önskad design ovanpå den övre substraten (figur 2 c (i)). Se till att masken är i full kontakt med den översta substraten och arrangera i rak linje till botten substratet.
- Exponera hydrogel prepolymer till UV-ljus genom photomasken (steg 1, figur 3A). Se till att exponeringen sker inom ett slutet utrymme som förhindrar herrelösa UV-ljus exponering till det omgivande området.
Försiktighet: Använd UV-skydd (t.ex. UV skyddsglasögon) när drift av systemet.
Obs: Kraften och varaktigheten av exponeringen beror på vilken typ av UV-system och PEGDA prepolymer används. - Till exempel för 200 W UV lampa, 99% PEGDA (400 Da PEGDA med 1% photoinitiator (v/v)) prepolymer lösning, lampa makt på 16% (motsvarande ~2.3 W/cm2) och helt bota hydrogels inom 4 sekunder. Exponeringstiden ökas med minskar lampans effekt och öka PEG Kedjanslängd av prepolymer används.
- Efter hydrogel lagret har varit polymeriserat, lyft den övre substraten av PDMS kammaren. Polymeriserat lagret bör följas på översta substratet (infälld för steg 1, figur 3A). Reservera denna klibbade lager för användning senare att försegla den monterade enheten. Sköld detta polymeriserat lager från ljus.
Obs: Hålla detta polymeriserat lager borta från ljus och våt med överskott uncrosslinked prepolymer att förhindra lagret från uttorkning och sprickbildning.
- Skapa de botten stödstrukturerna, använda PDMS-belagda glas coverslips som den översta substraten av PDMS kammaren.
- Deponera mer hydrogel prepolymer på botten substratet och täcka PDMS väl med ett PDMS-belagd täckglas. Detta är att säkerställa att polymeriserat lagren förblir på botten underlaget, så att användaren kan bygga lager uppåt (steg 2, figur 3A).
- Upprepa steg 5.1.4 och 5.1.5 med önskad photomasken design (figur 2 c (iii)).
- Ta bort översta substratet och lägga till fler PEGDA prepolymer och nedre botten med underlagsmaterialet med hjälp mikrometer huvudet till önskad nivå. Denna nivå bör motsvara tjockleken på det 2nd lagret av hydrogel polymeriserat (Z2, steg 3, figur 3A).
- Täcka PDMS väl med den översta substraten (PDMS-belagda glas) och upprepa steg 5.1.4 och 5.1.5.
- Kontinuerligt bygga upp lager av hydrogel som önskat använda steg 5.2.1 och 5.2.2 tills de önskade stödstrukturerna bildas.
6. montering och tätning av Hydrogel-baserad enhet
- För att montera och försegla enheten, först ta bort den översta substraten (PDMS-belagda glas) och använder ett par pincett, placera förformad hydrogel komponenter (t.ex. kugghjul, järn-dopade komponenter) på stödstrukturer (del (i), Steg4, figur 3A ).
Obs: En permanent magnet kan användas för att justera några järn-dopade komponenter (se järnoxid dopning av hydrogel komponenter för tillverkning steg). - För att försegla enheten, först föra botten substratet till slutlig önskad höjd för den monterade enhet använder mikrometer skruv mätaren. Detta bör vara den slutliga höjden på enheten, med hänsyn till tjockleken på lager, invändiga komponenter och alla godkännanden som ges för att flytta komponenter (Z4, steg 5, figur 3A)
- Plats redan bildade hydrogel lagret följs på de obehandlade täckglaset från 5.1 till delvis monterade enheten (del (ii), Steg4, figur 3A). Noggrant placera förformad lagret så att det justeras korrekt av strukturer under den.
- Placera en photomasken som möjliggör försegling av enheten men skyddar interiören flytta komponenter från UV-exponering. Se till att de rörliga komponenterna inte polymeriseras till kanterna på enheten, förhindra deras rörelse under aktivering.
- Exponera hela strukturen för UV-ljus (del (i), steg 5, figur 3A).
- Lyft täckglaset från fabrication scenen. Förseglade enheten bör följa högsta underlaget ((del (ii), steg 5, figur 3A).
Obs: Om enheten förblir klibbade till botten substratet, lyft försiktigt enheten med ett par platt spets (icke-tandad) pincett eller en platt spatel. - Ta försiktigt bort överflödigt opolymeriserade PEGDA använder vakuum sug och lyft försiktigt av enheten den täckglas använder ett par platta pincett eller platt spatel.
- Placera enheten i saltlösning eller DI-vatten. Hydrogeler svälla i lösning. Lämna enheten i lösning i minst 30 minuter för stabilisering och utvidgning av enheten och invändiga komponenter.
Obs: Om enheten ska användas för i vivo implantation, det är viktigt att skölja och läcka ut eventuella uncrosslinked prepolymerer. Detta kan göras genom att ändra lösningen där enheten inkuberas i varje timme (minst 3 sköljningar) och lämnar enheten i lösning över natten och skölja av med mer lösning. - Ta bort luft inom enheten genom att placera enheten inom en petriskål fylld med DI vatten eller saltlösning i en vakuumkammare (ansluten till centrallaboratorium vakuumsystem) i minst 30 minuter. Detta kommer att resultera i avgasning av enheten och enheten kommer att fyllas med lösning när undertryck avlägsnas.
Obs: Håll enheten hydrerad/i lösningen på alla gånger. Enheten kan spricka bör det lämnas för att torka ut.
7. järnoxid dopning av Hydrogel komponenter
- Förbereda en PEGDA prepolymer lösning med 1% photoinitiator (t.ex. 99% (v/v) PEGDA (400 Da) med 1% Darocur 1173).
- Använda denna prepolymer lösning, göra en 5% (w/v) lösning av järnoxid (II, III) nanopartiklar lösning. Väg in 5 mg av järnoxid nanopartiklar och tillsätt 100 µL av PEGDA prepolymer. Pipettera upp och ned och skaka att säkerställa enhetlig blandning.
- Säkerställa att nanopartiklar är likartad spridda inom PEGDA prepolymer före varje användning liksom nanopartiklarna sediment över tid.
- Pipettera en liten volym av järnoxid - PEGDA prepolymer blandningen på botten substratet PDMS avdelning.
- Täcka PDMS väl med den översta substraten (PDMS-belagda glas) för att säkerställa att de bildade hydrogels kvar på botten substratet.
- Ta botten substratet till önskad höjd med chefen mikrometer.
Obs: Tunna lager (200 µm) av järnoxid-dopade PEGDA bör vara polymeriseras med varje enstaka exponering. Detta beror på minskningen av penetrationsdjup av UV-ljus som den järnoxid nanopartiklar är ogenomskinlig och kan absorbera och blockera UV-ljus. - Använda en photomasken som definierar formen på segmentet att dopas med järnoxid inom den rörliga komponenten, exponera det tunna lagret av järnoxid dopade prepolymer för UV-ljus (figur 4(i)).
Obs: UV exponeringstid bör ökas för att säkerställa att segmentet järn-dopade är fullt tvärbunden (~ 10 sekunder). - Nedre botten substratet och upprepa steg 6, bygga segmentet järn-dopade i tunna skikt varje gång till önskad höjd (figur 4(ii)). Totalt 5 lager bör vara polymeriserat för att ge ett 1mm höga järn-dopade segment.
- När segmentet järn-dopade är komplett (figur 4(iii)), ta bort eventuella överskott järn-dopade prepolymer använder vakuum sug. Ta inte bort järn-dopade segmentet från fabrication scenen.
- Insättning PEGDA prepolymer (odopade) på segmentet polymeriserat järn-dopade. Ta botten substratet till slutliga höjden av komponenten att slutföras. Täcka PDMS väl med den översta substraten (PDMS-belagda glas).
- Använder en photomasken som definierar hela formen av den rörliga komponenten, exponera PEGDA prepolymer samt järn-dopade segmentet, UV-ljus (figur 4(iv)).
- Ta bort översta substratet och ta bort överflödig opolymeriserade PEGDA prepolymer använder vakuum sug. En PEG-komponenten med en dopad järnoxid segment bör förbli på botten substraten. Lyft försiktigt upp den här komponenten med hjälp av ett par pincett.
- Reservera denna järn-dopade komponent för montering på stödstrukturer för en PEG-baserad enhet (del (i), Steg4, figur 3A). Skydda denna komponent från ljus och säkerställa att det förblir fuktade med uncrosslinked prepolymer före användning.
8. aktivering av den monterade enheten
Obs: Järn-dopade komponenterna i den monterade enheten kan aktiveras för att flytta med en stark permanentmagnet såsom neodym (N52 styrka). Var noga med att undvika klämmande faror som dessa magneter är mycket starkt attraherad av ferromagnetiska material.
- Placera en neodymiummagnet under eller över enheten inom 1-2 cm från enheten. Medan du flyttar magneten, bör förflyttning av järnoxid dopade komponenterna skugga förflyttning av magneten.
Obs: Ett ställdon kan byggas med en motor som är kopplad med en magnet. Rotation av motorn bör möjliggöra roterande aktivering av komponenten järn dopade.
Representative Results
Figur 3B visar bilder av lagrarna av hydrogels polymeriseras med fabrication set-up. Figur 3B a visar en fabricerade 400 µm tjock bas lager med en 600 µm-bländare. Figur 3B (ii) visar ytterligare två lager som var lager ovanpå baslager; en 500 µm lång omkrets och en 800 µm lång axel i mitten. Totala fabrication tiden för dessa tre lager var mindre än 3 minuter med hänsyn till 4 sekunder av exponering för varje lager och tidsåtgången att justera höjden på botten substratet och justering av fotomasker. Tidigare arbete utförs på samma fabrication upplägg visar att en mängd olika utföranden kan fabriceras med upplösningar så hög som 100 µm.
Hydrogel komponenterna kan också enkelt dopas med järnoxid nanopartiklar. Exponeringstiderna var optimerade för tunna lager (200 µm) av PEGDA prepolymerer dopade med järnoxid nanopartiklar kan vara fullständigt polymeriserat. Figur 5A visar den photomasken som används för att definiera formen på segmentet järnoxid att vara polymeriseras. Un-dopade PEGDA prepolymer kan vara fullständigt polymeriserat inom 4 sekunder av UV-exponering. Men när järnoxid dopade prepolymer exponerades för 4 sekunder till UV, var den resulterande hydrogel inte fullständigt polymeriserat, som kan ses i figur 5 c. Segmentet genererade var tunnare (jämfört med ett helt tvärbunden segment som visas i figur 5B), och kanterna var ojämn med komprometterad trohet jämfört med formen definieras av fotomask. UV-exponering på 10 sekunder var skyldig att fullt cross länka segmentet järnoxid och figur 5B visar segmentet järnoxid som genererades; segmentet polymeriserat järnoxid är full tjocklek (200 µm) med raka kanter och form trohet upprätthålls nära jämfört med photomasken (figur 5A). Däremot över exponering (> 15 sekunder) för UV-ljus genereras järnoxid segment som var över polymeriseras. Figur 5 d visar en över polymeriseras segment som har dålig form trohet och är större än formen definieras av fotomask.
Figur 6A visar en komplett enhet efter tätning med korrekt anpassning genom att utnyttja fotomasker med justering markerar. Redskap inom enheten är helt inom centrala tomrummet av enheten och således är mottaglig för magnetisk aktivering. Figur 6B visar en enhet med ett feljusterade tätande skikt. Figur 6 c visar de nedre lagrarna av hydrogel och redskap själv belysas med svarta konturer och figur 6 d visar felinriktade tätning av lagrets övre hydrogel klarlagd i vita konturer. Som framgår av figur 6 d, delar av redskap som faller inom regioner där polymerisation skulle äga rum under försegling (visas i röd fyllning) resultat i delar av de redskap som förankras i huvuddelen av hydrogel materialet. Detta förhindrar redskap flyttar under aktivering.
Figur 7 visar en funktionell enda redskap enhet som var fabricerade (sammanlagda tillverkning tid ~ 15 minuter). Enheten totala tjocklek är 2 mm och den längsta dimensionen av enheten är 13 mm. De övre och undre skikten av enheten är 400 µm tjock och redskap har en höjd av 1 mm. Denna design tillåter en 100 µm clearance på övre och undre ytan av redskap att möjliggöra rörelse. De flesta toppskiktet av enheten har en 600 µm bländare och axeln för redskap är 400 µm i diameter. Figur 5B visar bilder av enheten när det aktiveras med en magnet så att växeln utför en full rotation som kan observeras från förändringen i position för segmentet järnoxid från (i) genom (vi).
Figur 1 . Fabrication set-up för hydrogel-baserade micromachines. (A) Schematisk bild av fabrication scenen. Detta schema visar de olika komponenterna i fabrication set-up inklusive PDMS kammaren där hydrogels bildas inom området tillverkning, ett vakuum-aktiverade skede som håller ner PDMS kammaren samt fäster flexibla membranet till en mikrometer huvud för höjdjustering och topp substrat som består av ett täckglas som antingen obehandlade eller belagda med PDMS. (B) Schematisk bild av ovanifrån fabrication scenen (utan PDMS avdelningen). UV ljuskällan placeras sedan så att incident vinkeln på ljuset är vinkelrät mot horisontalplanet av fabrication scenen (visas ej i figur). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 . Schematisk av singel-redskap hydrogel-baserad enhet och fotomasker som används för varje skikt. (A) Schematisk av top-snedställda-vyn och av en typisk hydrogel-baserade enhet som kan vara tillverkade med hjälp av denna strategi. Denna enhet består av en enda redskap som innehåller en järn-dopade segment som möjliggör magnetisk kontroll. (B) Schematisk bild av de enskilda lager och komponenter inom enheten. Denna singel-redskap enhet består av en topp tätning lagret (i), stödstrukturer som inlägget för de järn-dopade redskap och väggarna av enheten (ii) samt en undre lager (iii). (C) photomasken mönster används för att tillverka singel-redskap enheten. Fotomaskerna är utformade, mörkt fält; önskade funktioner kvar transparent medan bakgrunden är mörk. I denna panel visas de photomasken mönster motsvarar toppen tätning lagret (i) stödstrukturer (ii) och nedre lager (iii). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 . Lager-för-lager photolithographyen av hydrogel-baserade micromachines. (A) Schematisk bild av stegvis process för enheten tillverkning inom området tillverkning av PDMS kammaren. 1: en liten volym av PEGDA prepolymer är pipetteras till den täckglas bundna till flexibel membranet i PDMS kammaren (botten-substrat). En bit av obehandlade täckglas används som översta substratet och en fotomask är placerad ovanpå detta topp substrat. Höjden på botten substrat förs till önskad höjd (Z1) använder chefen mikrometer. Hydrogel prepolymer utsätts sedan för UV-ljus genom fotomask. Översta substratet kan sedan lyftas av PDMS kammaren och den hydrogel som förblir följs topp substratet (infälld). Detta skikt är sedan reserverade för senare användning. 2: steg 1 upprepas men topp substratet ersätts nu med PDMS-belagda glas. Den polymeriserat hydrogel kommer att förbli vidhäftat till botten substratet. 3: höjden på botten substratet sänks (Z2> Z1) och mer prepolymer kan läggas till området fabrication. En andra photomasken används och prepolymer utsätts för UV-ljus än en gång. 4: steg 3 kan upprepas (Z3 > Z2) tills de önskade stödstrukturerna skapas. (i) när stödstrukturerna har slutförts, kan översta substratet avlägsnas för att möjliggöra tillgång till fabrication område för införandet av förformade hydrogel komponenter (t.ex. järn-dopade redskap). (ii) när förformade komponenterna har placerats och korrekt justerad, kan hydrogel lagret från steg 1 placeras ovanpå fabricerade struktur och arrangera i rak linje. 5: alla lager utsätts sedan för UV-ljus genom en photomasken som förseglar kanterna på enheten. a tätning steg förseglar hela enheten medan invändiga komponenter är avskärmade från ytterligare UV-exponering. (ii) förseglad enhet kan sedan lyftas från fabrication kammaren som det företrädesvis skulle följa topp substratet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 . Steg för järn-oxid nanopartiklar dopning av hydrogel komponenter. (i) UV-ljus exponeras genom ett photomasken definiera järnoxid-dopade segmentet inom hydrogel redskap. (ii) tunn (200 µm) lager av järnoxid-dopade hydrogel är polymeriseras varje gång och staplade ovanpå varandra. (iii) lager av tunna lager skapas ett segment med total höjd 1 mm. Detta segment är kvar i fabrication lagret. (iv) un-dopade prepolymer sätts sedan in i fabrication-området och en photomasken som definierar komplett form av redskap används sedan under cross-linking. Detta gör att bildandet av komplett redskap med en järnoxid-dopade segment. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5 . Fotopolymerisation av järnoxid-dopade hydrogel komponenter. (A) photomasken av redskap segment att dopas med järnoxid nanopartiklar. (B) järnoxid-dopade hydrogel som har varit optimalt polymeriserat (10 s exponering). (C) järnoxid-dopade hydrogel som har varit under-polymeriseras (4 s exponering). (D) järnoxid-dopade hydrogel som har varit polymeriserat alltför (20 s exponering). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 . Justering av hydrogel lager under försegling av enheten. (A) bild som visar den rätta anpassningen av hydrogel lager med gratis-rörliga redskap som är helt inom tomrummet av enheten. (B) bilden visar enheten med feljusterade hydrogel lager (B, C och D är bilder av samma enhet, men med olika lager markeras). (C) samma bild som i (B) men med svarta konturer belysa botten lager som är korrekt justerade. Redskapet är korrekt placerad inom de nedre lagrarna. (D) samma bild som i (B) men med vita konturer visar den feljusterade översta lagret av hydrogel. Redskapet har varit delvis polymeriseras under tätning steg och delar av redskap (röd fyllning) har förankrats till bulkmaterial av enheten. Detta gör enheten icke-funktionella. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7 . Aktivering av en singel-redskap hydrogel-baserade micromachine. (A) bilden visar fabricerade enheten. (B) bilder som visar de olika inriktningar av redskap vid aktivering. (i) från dess ursprungliga orientering (0°), är redskap att roteras (ii) 60°, (iii) 120°, (iv) 180°, (v) 240° och 300°. Skalstapeln är 1 mm vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 8 . Mångsidiga tillverkning av olika utföranden för hydrogel-baserade micromachines. (A) en enkel spärrventil som styr frisättningen av droger från en enda reservoar. Den linjära rörelsen av komponenten järnoxid-dopade hydrogel grindar diffusion av en hypotetisk drog ut genom och utlopp. (B) ett gated linjär samlingsrör som styr frisättningen av droger från flera reservoarer. Varje behållare innehåller hypotetiska droger och förflyttning av järnoxid-dopade komponent grindarna förflyttning av droger ur dessa reservoarer genom ett fönster av hydrogel som möjliggör spridningen av dessa droger ut på utsidan. (C) en enkel rotor som kan aktiveras för att snurra kring en axel. (D) en sofistikerad design baserat på enheten med Geneva. Ett drivande kugghjul med en PIN-kod är kunna engagera en större drivande redskap och producera intermittent rörelse; en full rotation av drivande redskap roterar det drivna redskapet 60°. Alla skala barer är 1 mm. Från hakan, S. Y. et al. Additive tillverkning av hydrogel-baserade material för nästa generationens implanterbara medicinska produkter. Science-Robotics. 2 (2), (2017). Omtryckt med tillåtelse från AAAS17. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Denna teknik är en lättköpt och snabb metod för lager-för-lager photolithographyen av hydrogel mikrostrukturer. Med en additiv tillverkning strategi, kan vi enkelt bygga en mängd 3D-strukturer ur biokompatibla material och även införliva rörliga delar. Detta skulle således möjliggöra bildandet av helt biokompatibla microdevices. Tekniken bygger på enkel upprepning av litografi steg, som aktiveras av den exakt kontrollen av höjd över botten substratet via en mikrometer huvud. Traditionell tillverkning tekniker som används i MEMS branschen, som inbegriper hårda tekniker och uppoffrande material, ofta inte är kompatibel med bearbetning av mjuka hydrogels. Andra metoder för 3D utskrift hydrogels, såsom extrudering-baserade metoder, är begränsade till rumsliga upplösningar över 200 µm och Utskriftshastigheter på mm/s för enkla strukturer som inte innehåller rörliga delar18,19. Stereolitografi (SLA) och digital ljus projekt (DLP) baserat bioprinters kanske kunna uppnå bättre resolutioner men är också mycket dyrare att installera. Dessa fabrication strategier är inte heller kan enkelt skriva ut överhäng utan att stödja substrat material, vilket kan vara svårt att införa och bort från den färdiga enheten. Vi kringgå detta genom att anpassa och polymeriserande en förformad tätande lager till den påhittade stödstrukturen som ett sista steg bildar den färdiga enheten. Utformningen av fabrication set-up ger användaren enkel tillgång till de fabricerade strukturerna och möjliggör lätt justeringen av olika komponenter med användning av märken som justering.
Den strategi som presenteras här är också mycket snabbare än andra tekniker liknande resolutioner; totala tidsåtgången för visade tillverkning av enheten med en roterande är cirka 15 minuter. En annan lagt fördel av denna tillverkning strategi, även om inte visat i detta protokoll men visas i vårt tidigare arbete17, är möjligheten för användaren att snabbt och enkelt ändra typ av polymer som används mellan stegen som kan göras i små volymer . På detta sätt kan man skapa enheter som är sammansatt av olika typer av hydrogels. Enheten dikta ihop användande denna strategi också har fördelen av kontaktlösa aktivering som redskap innehåller ett segment som är dopad med järnoxid nanopartiklar, rendering redskap känslig för magnetiska aktivering och därmed kan aktiveras med hjälp av en extern magnet. Dessutom enheten är helt biokompatibla och därmed kan vara säkert implanterade i vivo.
Ett viktigt inslag i denna teknik är behandling av olika glas substrat, som möjliggör för användaren att företrädesvis håller sig eller stöta bort den polymeriserat hydrogel till nedre eller övre glassubstrat. När en kombination av obehandlat glas används med en PFOTS-behandlade glasyta (botten-substrat), kommer bildade hydrogels företrädesvis följa obehandlat glas, eftersom de är tillbaka från fluorerade ytan av PFOTS-behandlade glas. Omvänt, när PDMS-belagda glas används med PFOTS-behandlade botten substratet, hydrogels tenderar att förbli på PFOTS-behandlade ytan som PDMS ytor starkare avvärja den bildade hydrogels. Denna funktion gör att man kan bygga uppåt, följa hydrogels sådana att de immobilizeds på glas substrat och kan reserveras för anpassning till andra strukturer vid ett senare tillfälle i tid, eller ens bygga nedåt. Detta lägger till flexibiliteten i tekniken och typer av konstruktioner som kan fabriceras samt möjliggör införlivandet och tätning i oberoende, gratis-flytta hydrogel komponenter.
Under lager-för-lager tillverkning är det viktigt att optimera polymerisation tiden används. Hydrogeler bör optimalt tvärbunden så att de bildar full tjocklek samt till HiFi jämfört med de former som definieras av fotomask. Detta beror på kraften i lampan och typ av hydrogel som används. Trots inte visas i detta protokoll, polymerisation tiden minskar med ökande lampans effekt och ökar med ökande PEG kedjelängd och minskande koncentrationer av PEGDA används. Andra faktorer som påverkar mängden energi som är tillgänglig för fotopolymerisation, såsom förändringar i opacitet av prepolymer på grund av tillägg av järnoxid nanopartiklar (figur 4), kommer också att påverka polymerisation tiden. Optimering för cross-linking villkor för olika hydrogel kompositioner krävs således innan starten av tillverkningsprocessen av enheter.
Användning av justering märken på fotomasker och korrekt uppriktning av hydrogel lager, särskilt det slutlig tätning lagret, är viktigt att se till att korrekt tätning utförs, inte och invändiga komponenter oavsiktligt korslänkad till den omgivande stödstrukturer under tillverkningsprocessen. Detta skulle förhindra dessa komponenter från fritt rörliga under magnetisk aktivering. I figur 5visas en feljusterad topp tätning lagret och photomasken resulterar i crosslinking och förankring av en del av redskap till bulkmaterial för själva enheten. Som ett resultat, roterar detta redskap inte när aktiveras med en magnet.
Enheterna kan aktiveras med hjälp av starka permanentmagneter såsom neodymmagneter. Dessa magneter generera starka magnetiska krafter när i slut spänner ferromagnetiska material och vård bör vidtas för att förhindra skada. Enheten kan aktiveras för att flytta utan den magnet som kommer i kontakt med enheten; magneten kan hållas eller placerad ~ 1cm bort från enheten. Förflyttning av de järn-dopade komponenterna kan bör spegla rörelsen av magneten och aktiveras för att kontinuerligt flytta eller orienterade periodvis som önskat. Enheten kan aktiveras manuellt eller en aktivering set-up kan användas. Magneten kan kopplas till alla manöverdon (t.ex. servomotor) till rotationsrörelsen. Rotationshastighet på magneten, och därmed rotationshastighet av järn-dopade komponenten, kan styras med en mikrokontroller. Detta ger en mer exakt metod för aktivering.
Figur 8 visar scheman och bilder av olika mönster från tidigare arbete som var fabricerade här samma teknik och visa mångsidigheten hos denna metod. Dessa modeller sträcker sig från enkla enheter som liknar ventiler (figur 8A) till mer komplicerade och sofistikerade design som hämtar inspiration från Genève bilresa design (figur 8 d) som består av 2 engagerade kugghjul som producerar intermittent rörelse. De minsta funktioner som kan genereras med hjälp av denna teknik var vanligtvis ungefär 100 µm och varje design består av flera lager (3-6 lager). Olika typer av hydrogel kompositioner (med olika mekaniska styrka och porositet) kan också vara polymeriseras och bundna till varandra. Man kan därmed enkelt kombinera typerna av hydrogels skall användas inom en enhet beroende på önskad funktion av de olika komponenterna inom enheten.
Disclosures
Författarna har ingenting att avslöja
Acknowledgments
Detta arbete stöds av en NSF karriär award, NIH R01 grant (HL095477-05) och NSF ECCS-1509748 bidrag. S.Y.C. stöddes av National Science stipendiet (PhD), som delades ut av byrån för vetenskap, teknologi och forskning (Singapore). Vi tackar Keith Yeager för hjälp med att bygga fabrication set-up, och Cyrus W. Beh för fotografier av set-up och enheter.
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).
