Summary
UV-crosslinkable hydrogels işlemek için bir katkı üretim stratejisi geliştirmiştir. Bu strateji microfabricated hidrojel yapıları katman katman Meclisi hem de, bağımsız bileşenler Meclisi tümleşik aygıtlar için manyetik çalıştırma duyarlı hareket bileşenleri içeren verimli sağlar.
Abstract
Polietilen glikol (PEG)-tabanlı hydrogels olan insanlar olarak kullanılmak üzere FDA tarafından onaylanmış olan biyouyumlu hydrogels. Normal PEG tabanlı hydrogels basit monolitik mimarileri ve sık sık malzeme doku mühendisliği uygulamaları için iskele olarak işlev var. Daha karmaşık yapılar genellikle almak imal ve yapmak için a uzun zaman hareketli bileşenleri içermez. Bu iletişim kuralı, PEG yapıların ve aygıtları facile ve hızlı microfabrication için sağlar bir fotolitografi yöntemini açıklar. Bu strateji yukarı doğru bir katman katman moda bina tarafından 3D yapılar hızlı imalatı için sağlar bir şirket içinde geliştirilen imalat sahne içerir. Bileşenleri taşıma bağımsız da hizaladım ve tümleşik aygıtlar oluşturmak için destek yapıları monte. Bu bağımsız bileşenler için manyetik çalıştırma duyarlıdır superparamagnetic demir oksit nano tanecikleri ile katkılı. Bu şekilde, uydurma cihazlar dış mıknatıslar hareket içinde bileşenlerinin vermeye kullanarak tahrik. Bu nedenle, bu tekniği tamamen dışarı biyouyumlu hidrojel, işlev bir dahili güç kaynağı olmadan mümkün oluşmaktadır ve çalıştırma iletişim-az yöntemine yanıt sofistike MEMS benzeri aygıtları (micromachines) imalatı için izin verir. Bu el yazması hem imalat kurulum, hem de microfabrication bu hydrogels tabanlı MEMS benzeri cihazların için adım adım yöntemi imalatı açıklar.
Introduction
MEMS cihazlar uygulamalar özellikle tıbbi cihazlar alanında bulduk. Her ne kadar onlar ekledi işlevleri çok ödünç ve bu cihazların küçültülmüş doğa onları çekici implantlarla1,olarak kullanmak için2,3, bu cihazlar genellikle var doğasında Emanet ve biyouyumluluk sorunları, insan vücudunun (Örneğin, metaller, pil, vb)4,5,6için zararlı olabilecek malzeme oluşan oldukları gibi. PEG-esaslı hydrogels sıvı şişmiş polimer ağlar ve sık sık doku mühendisliği iskele büyük ölçüde kısmen nedeniyle onların yüksek biyouyumluluk7,8gibi uygulamalar için kullanılmıştır. PEG-esaslı hydrogels-si olmak da be insanlar9,10,11olarak kullanılmak üzere FDA onaylı. Ancak, hidrojel malzeme özellikleri nedeniyle, onlar kolayca normal üretim süreçleri tipik silikon tabanlı microfabrication kullanılan teknikler gibi dayanıklı değil. Böylece, hidrojel tabanlı basit monolitik mimarileri için genellikle sınırlı yapılarıdır. Hydrogels microfabrication, şimdiki çabalar yapıları mikron büyüklüğünde özellikleri ile sonuçlandı; Ancak, bu kez tek bir katman ve bir tek malzeme12,13 ve bileşenleri14,15,16hareket-sizlik çekmek-yapılardır.
Bir önceki çalışmalarda, biz tamamen bir biyouyumlu PEG tabanlı hidrojel malzemesi17' oluşan micromachines imalatı için bir strateji tanımlarlar. Mikron büyüklüğünde özellikleri kolayca fotolitografi yöntemini kullanarak sahte olduğu ve bu yapıların yukarı üzerinde hydrogels polimerli substrat kesin z ekseni hareketi tarafından etkin bir katman katman yöntemi kullanılarak inşa edilecek. Hydrogels farklı kompozisyon birbirine bitişik sahte olduğu. Ayrıca, bu cihazları harici bir mıknatıs kullanarak tahrik hareketli bileşenleri vardır. Bu çok yönlü teknik herhangi bir yumuşak malzeme veya fotoğraf polymerizable hidrojel işlemek için de uygundur. Böylece, bu tekniği tamamen hydrogels oluşan karmaşık MEMS benzeri cihazlar imalatı için çok uygundur.
Protocol
1. üretim aşamasında
- Bir kurum içi oluşan imalat (Şekil 1) kurulum sahne ve hangi hidrojel bileşenleri polimerli PDMS odası inşa topla. İmalat aşamasında parça ve kanalları vakum bağlantılarına, bir tutucu vakum özellikli sahne alanı içinde mikrometre baş fikstür için izin vermek için işlenmiş ve düzeltilmesi için tüm sahne izin çelik mesaj dişli akrilik bir üst kısmındaki oluşur çelik için istikrar temel.
- Mikrometre Başkanı vakum bağlantı için parça için işlenmiş bir akrilik parça ile düzeltmek. Vakum bağlantıları PDMS odası tutun gibi esnek zar PDMS odası içinde taşımak kullanıcının izin.
- Öyle ki olay ışık açısı sahne (ek Şekil 1) yatay düzlemde dik UV ışık kaynağı (320-500 nm) imalat sahne üzerinde konumlandırın.
2. fabrikasyon PDMS odası ve onun "Sıfır" düzeyinin belirlenmesi
- Hangi hydrogels polymerized PDMS odası yapmak ( Şekil 1A, PDMS Odası'ya bakınız). Bu odanın bir PDMS de esnek bir membran üzerine cam coverslip bağlanmış ile oluşur. Esnek PDMS membran için gümrüklü cam coverslip daha fazla hydrogels (adım 2.1.7) yapışma önlemek için kabul edilir.
- 9 Bölüm PDMS temel 1 yarı Ajan karışımı (ağırlığa göre) kür için hazırlamak.
- Temel ve kür aracıları iyi karışık sağlamak için de bir cam çubuk ile karıştırın. Hava kabarcıkları kaldırmak için 1000 x g santrifüj kapasitesi.
- Dikkatli bir şekilde kalın bir tabaka (~ 3 mm) ve ince bir tabaka (~0.2 mm) vermeye iki cam Petri tabağı PDMS karışımı dökün. Petri yemekler PDMS dolu bir düz yer, yüzeyin tedavi Oda sıcaklığında veya fırında 30 dakika 75 ° c en azından ayarla sıcaklık ile gecede
Not: z yönünde mikrometre vida ölçer tarafından kolayca taşınabilecek esnek katman nesil sağlar gibi ince bir tabaka halinde PDMS PDMS odası Bankası için gereklidir. PDMS katmanları düz ve düzey polimerli hidrojel katmanları tek tip kalınlığı olduğundan emin olmak için olmak zorunda. - PDMS tamamen iyileştiği sonra 4 cm çaplı daire bir neşter bıçak veya çakı kullanılarak kalın tabaka kesti. Kalın PDMS tabaka cam Petri kabına soyulmak. Kalın PDMS katman yer (alt tarafı yukarı) ve ince PDMS katmanda (hala cam Petri kabına) plazma fırın içine.
- Plazma tedavi iki PDMS katmanları (30 s, hava plazma) ve bond kalın PDMS tabaka alt kısmında ince PDMS tabaka üst tarafına. Gümrüklü adet cam Petri kabına esnek zar temel oluşturan ince bir tabaka ile dairesel bir şey oluşturmak için kaldırın.
Not: cam Petri kabına gümrüklü katmanlardan kaldırılmasını önce iki bağlı katmanları bağ katmanların teşvik etmek için 95 ° c sıcak tabakta yerleştirilebilir. - Plazma esnek PDMS membran üst tarafına bir cam coverslip (No 2, 22 x 22 mm) bağ; plazma membran için tahvil için temel esnek membran 30 s (Hava plazma) ve yer cam coverslip yüzeye temas için 4 adım cam coverslip ve PDMS odası tedavi.
- Silanize PDMS odası (1 H, 1 H, 2 H, 2 H - perfluorooctyl) trichloro silane (PFOTS) ile en az 30 dakika boyunca Buhar; küçük bir petri PFOTS 60 µL ile birlikte bir vakum desiccator PDMS odası yerleştirin ve mühürlü desiccator Merkez Laboratuvarı vakum sisteme bağlayın. En az 30 dakika vakum sistemine bağlı desiccator bırakın.
- Desiccator vakum mühür oluşturulur ve PFOTS damlacık "5-10 dakika sonra kabarcıklar olduğunu" olun. Buharı silanization PDMS odasının kurulan hidrojel facile kaldırılması katmanlar ve güçlü yapışma polimerli PEG hydrogels cam yüzeye uzun süreli kullanımdan sonra engeller sağlar.
- PDMS odası "sıfır" düzeyini belirlemek için bir vakum özellikli sahne (Laboratuvar Merkezi vakum sistemine bağlı) yerleştirin.
- PDMS odası tutmak için negatif basınç uygulayın. PEG hidrojel yapıları bu PDMS odası (Şekil 1A, imalat alan) içinde polymerized.
- Öyle ki iyi kapsayan bir işlenmemiş cam coverslip PDMS odası üstüne yerleştirin. Üst cam coverslip (üst yüzey) ve alt cam coverslip (alt yüzey) arasındaki mesafe PDMS odası içinde oluşan hidrojel katman kalınlığını tanımlar.
- Mikrometre kafa kullanarak, alt yüzey üst yüzey ile temas kadar yukarı doğru itin. Okuma mikrometre kafasına PDMS odası "sıfır" düzeyi olarak ve bir referans olarak polimerli hidrojel katman kalınlığı tanımlarken kullanın.
3. Photomask tasarım hidrojel Microstructures Photopolymerization için
- Photomasks tasarlamak için CAD yazılımı kullanın.
- Sahte olduğu ortaya hidrojel yapı benzersiz her tabakası tasarlayın. Bu iletişim kuralını kullanan fabrikasyon örnek aygıt için resim 2 ' ye bakın. Şekil 2 3D yanı sıra, bu tek tek katmanları imalatı için tasarlanmış olan photomasks sahte olduğu katmanlara karşılık gelen bu cihazın şematik gösterir.
- Photomasks koyu alandaki tasarım; özellikleri polimerli için şeffaf olmalı ve arka planı opaktır (2 C rakam, Tamamlayıcı Şekil 2).
- Photomasks hizalamasını üretim işlemi sırasında kolaylaştırmak için photomask tasarımlar içine dahil hizalama işaretleri.
- Tasarımlar şeffaflık photomasks kullanılabilir en yüksek çözünürlük ve yüksek piksel yoğunluğu olarak yazdırın.
4. Hydrogels yapışma önlemek için cam Coverslips tedavisinde
- Polimerli PEG hydrogels püskürtmek yüzeyler oluşturmak için cam coverslips PDMS ince bir tabaka ile kaplanır.
- PDMS (9:1 temel Ajan oranı kür için) hazırlamak ve hava kabarcıkları kaldırmak için 1000 x g santrifüj kapasitesi.
- Temizlenmiş cam coverslips için PDMS ince bir kat uygulayın ve bir fırın içinde düz bir yüzeye tedavi için bırakın (> 75 ° C, 30 min).
5. katman--katman imalatı Hydrogels: en iyi sızdırmazlık katman ve alt destek yapıları
- Daha sonra kurulan aygıt mühür için kullanılacak bir hidrojel katman oluşturmak için cam coverslip (No.2) tedavi edilmemiş bir parçası bir "kapak" PDMS odası için kullanın. Bu "kapak" üst substrat adlandırılır.
- Cihazın "sıfır" düzeyinden başlayarak, istenilen yükseklik mikrometre kafasına kullanarak alt substrat indirin. Üst ve alt yüzeyler arasındaki uzaklığı ilk hidrojel katman (Z1, Şekil 3A) kalınlığını tanımlar.
- PEGDA prepolymer küçük bir hacim mevduat (Örneğin, % 1 ile 400Da PEGDA karışımı Darocur 1173), alt yüzey karşılamak yeterli.
- Üst yüzey PDMS odası yerleştirin.
Not: Üst ve alt yüzeyler arasında sıkışmış hava hava kabarcığı yok olması önemlidir. - Bir photomask ile istenen tasarım üst yüzey (Şekil 2C (i)) üzerine yerleştirin. Maske tam üst yüzey ile temas ve alt substrat hizalanmış olduğundan emin olun.
- Hidrojel prepolymer UV photomask (1. adımda, resim 3A) ışık için maruz. Emin olun bu maruz kalma çevredeki sokak UV ışık pozlama engeller bir kapalı alanı içinde yapılır.
Dikkat: UV koruma (Örneğin, UV gözlük) giymek ne zaman işletim sistemi.
Not: Güç ve pozlama süresi UV sistem ve PEGDA prepolymer kullanılan türüne bağlıdır. - Örneğin, bir 200 W UV lambası ve % 99 için PEGDA (400 Da % 1 photoinitiator (v/v) ile PEGDA) prepolimer çözüm, lamba gücü (W/cm2~2.3 karşılık gelen) % 16 ayarla ve tam olarak tedavi hydrogels 4 saniye içinde. Lamba gücü azalan ve artan PEG zincir uzunluğu kullanılan prepolymer ile Pozlama süresi artırılmalıdır.
- Sonra hidrojel katman polimerli, üst yüzey PDMS odası kaldırın. Polimerli katmanın üst yüzey (dışarı adım 1, Şekil 3A) üzerine yapıştırılır. Bu yapıştırılan katman daha sonra monte aygıt mühür kullanılmak saklıdır. Işık polimerli bu katmandan kalkan.
Not: Bu polimerli katman ışıktan uzak tutmak ve katman kurumasını ve çatlama önlemek için aşırı uncrosslinked prepolymer ile ıslak.
- Alt destek yapıları oluşturmak için PDMS kaplı cam coverslips PDMS odası en iyi substrat kullanın.
- Daha fazla hidrojel prepolymer alt substrat üzerine yatırın ve PDMS PDMS kaplı cam coverslip ile iyi koru. Bu polimerli katmanları yukarı doğru katmanları oluşturmak kullanıcı izin alt yüzey üzerinde (2. adımda, Şekil 3A) açık kalmasını sağlamaktır.
- 5.1.4 ve 5.1.5 istenen photomask tasarımı (Şekil 2 c (III)) ile adımları yineleyin.
- Üst yüzey kaldırmak ve daha fazla PEGDA prepolymer ekleyin ve mikrometre kafa istenen seviyeye kullanarak alt substrat düşük. Bu düzey hidrojel polimerli (Z2, adım 3, Şekil 3A) olarak 2nd tabakası kalınlığı karşılık gelmelidir.
- Üst yüzey (PDMS kaplı cam) ile iyi PDMS kapak ve 5.1.4 ve 5.1.5. adımları yineleyin.
- İstenen destek yapıları oluşturulur kadar istenen kullanarak 5.2.1 ve 5.2.2 adımlar gibi sürekli hidrojel katmanları kadar kurmak.
6. montaj ve hidrojel tabanlı aygıt mühürleme
- Bir araya getiren ve cihazın mühür için ilk en iyi substrat (PDMS kaplı cam) kaldırın ve bir çift Cımbız kullanarak, önceden biçimlendirilmiş hidrojel bileşenleri (Örneğin, dişliler, demir katkılı bileşenleri) (Bölüm (ı), adım 4, Şekil 3A destek yapıları üzerine yerleştirin ).
Not: Daimi Mıknatıs (imalat adımlar için hidrojel bileşenlerinin demir oksit doping için bakınız) herhangi bir demir katkılı bileşenleri hizalamak için kullanılır. - Cihazın mühürlemek için önce alt substrat mikrometre vida ölçer kullanarak monte cihaz son istenilen yüksekliğe getir. Bu cihazın kalınlığı katmanları, iç bileşenleri ve bileşenleri (Z4adım 5, Şekil 3A) taşıma için verilen izinleri dikkate alarak, son yüksekliğini olmalıdır
- Yer önceden biçimlendirilmiş hidrojel katmanı üzerinden 5.1 kısmen birleştirilmiş aygıt (Bölüm (ii), adım 4, Şekil 3A) üzerine işlenmemiş cam coverslip yapıştırılır. Öyle ki bu doğru altındaki yapıları hizalanır dikkatle önceden biçimlendirilmiş katman yer.
- Cihazın mühürleme için izin verir, ancak UV Işınlarına maruz kalma bileşenleri taşıma iç korur bir photomask yerleştirin. Hareketli bileşenleri çalıştırma sırasında kendi hareketi engelleyen cihaz, kenarlarına polimerli değil emin olun.
- UV ışık (Bölüm (ı), adım 5, Şekil 3A) tüm yapıyı ortaya çıkarmak.
- Cam coverslip imalat sahne alanı'ndan kaldırın. Mühürlü cihazın üst yüzey ((Bölüm (ii), adım 5, 3A rakam). uygun olmalıdır
Not: cihazın alt substrat yapıştırılır kalırsa, dikkatle cihazın bir çift düz uçlu cımbız (tırtıklı olmayan) veya düz bir spatula ile kaldırın. - Aşırı unpolymerized PEGDA vakum emme kullanarak dikkatli bir şekilde çıkarın ve bir çift düz cımbız veya düz spatula kullanarak cam coverslip cihazı çýkýntýdan.
- Cihazın tuzlu çözüm veya DI su yerleştirin. Hydrogels çözümünde şişer. Çözüm istikrar ve cihaz ve iç bileşenleri genişletilmesi için izin vermek en az 30 dakika içinde bırakmak.
Not: cihaz vivo implantasyon için kullanılacak ise, durulama ve herhangi bir uncrosslinked prepolymers leach ki. Bu-ebilmek kılınmak içinde belgili tanımlık aygıt her saat (en az 3 durular) inkübe çözüm değiştirip cihazın çözümde gecede ve durulama kapalı bırakarak daha fazla çözüm. - Cihazın içinde hava cihazın en az 30 dakika boyunca DI su veya içinde bir vakum odası (merkez laboratuvar vakum sistemleri için bağlı) tuz dolu bir petri içinde koyarak kaldırın. Bu cihaz gaz giderme neden olur ve bir kez negatif basınç çıkarmak cihazın çözümü ile dolu olacak.
Not: Aygıt/sulu içinde çözüm her zaman belirleyin. Cihazın çatlayabilir kurumaya bırakılmalıdır.
7. demir oksit hidrojel bileşenleri Doping
- %1 photoinitiator PEGDA prepolimer çözümle hazırlamak (Örneğin, % 99 (v/v) PEGDA (400 Da) % 1 ile Darocur 1173).
- Bu prepolimer çözüm kullanmayı demir-oksit (II, III) %5 (w/v) çözüm nanopartikül çözüm. Demir oksit nano tanecikleri 5 mg tartmak ve PEGDA prepolymer 100 µL ekleyin. Pipet yukarı ve aşağı ve Tekdüzen karıştırma sağlamak için girdap.
- Nano tanecikleri zamanla tortu gibi nano tanecikleri homojen PEGDA prepolymer her kullanımdan önce içinde dağılmış olduğunu emin olun.
- Demir oksit - alt substrat PDMS odasının PEGDA prepolimer karışımı küçük bir hacim pipette.
- Kurulan hydrogels alt yüzey üzerinde kalmasını sağlamak için PDMS üst yüzey (PDMS kaplı cam) ile iyi koru.
- Alt yüzey mikrometre kafa kullanarak istenilen yüksekliğe getirin.
Not: İnce tabakalar (200 µm) demir oksit katkılı PEGDA her tek çekim ile polymerized. Bu UV penetrasyon derinliği azalma demir nano tanecikleri opak ve emer ve UV ışığı engellemek edebiliyoruz oksit ışık kaynaklanmaktadır. - Demir oksit içinde hareket bileşeni ile katkılı, demir oksit katkılı prepolymer UV ışık (Şekil 4(i)) için ince tabaka ortaya çıkarmak için parçasının şeklini tanımlayan bir photomask kullanarak.
Not: Demir katkılı segment tamamen çapraz bağlı (~ 10 saniye) olduğundan emin olmak için UV çekim hızı artırılmalıdır. - Alt yüzey düşürebilir ve ince tabakalar demir katkılı kesiminde her zaman istenilen yüksekliğe (Şekil 4(II)) bina 6, adımları yineleyin. Toplam 5 kat 1 mm boyunda demir katkılı segment vermeye polymerized.
- Demir katkılı kesimi tam (Şekil 4(III)) sonra herhangi bir aşırı demir katkılı prepolymer vakum emme kullanarak kaldırın. Demir katkılı segment üretim aşamasından kaldırmaz.
- (Polimerli demir katkılı segment undoped) PEGDA prepolymer Kasası. Alt yüzey tamamlanmak üzere bileşen nihai yüksekliğe getirin. Üst yüzey (PDMS kaplı cam) ile iyi PDMS kapsar.
- Hareketli bileşeni tüm şeklini tanımlar bir photomask kullanarak, PEGDA prepolymer, aynı zamanda demir katkılı segmente, UV ışığı (Şekil 4(IV)) kullanır.
- Aşırı unpolymerized PEGDA prepolymer vakum emme kullanarak sökün ve üst yüzey. PEG bileşeni katkılı bir demir-oksit kesimi ile alt yüzey üzerinde kalması gerekir. Yavaşça bir çift Cımbız kullanarak bu bileşeni kaldırın.
- Bu demir katkılı bileşen (Bölüm (ı), adım 4, Şekil 3A) PEG tabanlı bir aygıt destek yapıları üzerine montaj için saklıdır. Bu bileşen ışık kalkan ve uncrosslinked prepolymer kullanmadan önce ile ıslak kalmasını sağlamak.
8. monte cihaz çalıştırma
Not: Demir katkılı bileşenleri monte aygıt içinde Neodim (N52 gücü) gibi güçlü bir daimi mıknatıs kullanarak taşımak için tahrik. Bu mıknatısların ferromanyetik malzemeler için çok güçlü bir şekilde çekici olduğu gibi tehlikeler pinching önlemek dikkatli olun.
- Yer altına veya üstüne 1-2 cm uzakta belgili tanımlık aygıt içinde aygıt Neodim Mıknatıs. Mıknatıs hareket ederken, demir-oksit katkılı bileşenleri hareketi mıknatıs hareketi gölge.
Not: Bir aktüatör bağlı bir motor ile bir mıknatıs kullanarak inşa edilecek. Motor dönme demir katkılı bileşeni döngüsel çalıştırma için izin vermelidir.
Representative Results
Şekil 3B görüntülerin üretim kurulumu kullanarak polimerli hydrogels kat gösterir. Şekil 3B (i) bir fabrikasyon 400 µm kalınlığında temel katmanın 600 µm diyafram ile gösterir. Şekil 3B (II) gösterir bir daha iki temel katmanın üstüne; katmanlı katmanları 500 µm uzun çevre ve orta bir 800 µm uzun aks. 3 dakikadan az pozlama 4 saniye boyunca her katman ve alt substrat yüksekliğini ve photomasks hizalamasını ayarlamak için geçen süre dikkate alarak bu üç katman için tamamen uydurma zamanlardı. Aynı imalat set-up üzerinde gerçekleşen önceki çalışma tasarımları çeşitli çözünürlükleri 100 µm yüksek olan sahte olduğu gösterilmiştir.
Hidrojel bileşenleri de kolayca demir oksit nano tanecikleri ile katkılı. Pozlama süreleri ince tabakalar (200 µm) emin olmak için demir oksit nano tanecikleri tam olarak polymerized katkılı PEGDA prepolymers optimize. Şekil 5A polimerli için demir oksit parçasının şeklini tanımlamak için kullanılan photomask gösterir. Un katkılı PEGDA prepolymer tam olarak UV Işınlarına maruz kalma 4 saniye içinde polymerized. Ne zaman demir oksit katkılı prepolymer UV için 4 saniye maruz kalmış, ancak, sonuç hidrojel tam olarak, Şekil 5Ciçinde görülen polimerli değil. Oluşturulan kesimi (karşılaştırıldığında tam çapraz bağlı bir kesimi) Şekil 5Biçinde gösterilen daha ince ve kenarları düzensiz photomask tarafından tanımlanan şekli ile karşılaştırıldığında güvenliği aşılan sadakat ile. UV Işınlarına maruz kalma 10 saniye için tam çapraz bağlantı demir oksit segment ve Şekil 5B oluşturulan demir oksit segment gösterir gerekiyordu; tam kalınlıkta (200 µm) düz kenarlı polimerli demir oksit kesimdir ve şekil sadakat yakından photomask (Şekil 5A) ile karşılaştırıldığında korunur. Diğer taraftan, pozlama üzerinde (> 15 saniye) UV ışığına üzerinde polimerli demir oksit kesimleri oluşturulan. Bir yere bu zavallı şekil sadakat ve photomask tarafından tanımlanan şekil daha büyük segment polimerli Şekil 5 d gösterir.
Şekil 6A photomasks hizalama işareti kullanarak doğru hizalaması ile sızdırmazlık sonra tam bir aygıtı gösterir. Cihazın içinde dişli tamamen Aygıt Merkezi boşluk içinde ve böylece için manyetik çalıştırma cevap veriyor. Şekil 6B yanlış hizalanmış bir mühürleme katmanı olan bir cihaz gösterir. Şekil 6C hidrojel ve dişli kendisi ile siyah anahatlar aydınlatılmamıştır alt katmanları gösterir ve Şekil 6D beyaz Anahatlarda aydınlatılmamıştır en iyi hidrojel katman yanlış hizalanmış mühürleme gösterir. Şekil 6D, polimerizasyon sırasında (gösterilen kırmızı dolgu) mühürleme sonuçları hidrojel malzemesi toplu demirlemiş vites bazı bölümlerinde yer nerede alacağını bölgeler içinde kalan kısımları dişli dan görüldüğü gibi. Bu dişli çalıştırma sırasında taşımasını engeller.
Şekil 7 gösterir fabrikasyon bir fonksiyonel tek dişli aygıt (Toplam imalat süresi ~ 15 dakika). Cihazın toplam kalınlığı 2 mm ve 13 mm cihazın en uzun boyuttur. Cihazın üst ve alt katmanları 400 µm kalınlığında ve dişli 1 mm yüksekliğe sahip. Bu tasarım hareketi için izin vermek için dişli üst ve alt yüzeyi 100 µm izni sağlar. Cihazın en üst tabakası 600 µm diyafram ve dişli için aks çapı 400 µm. Şekil 5B dişli demir oksit segmentten (ı) (VI) aracılığıyla pozisyonda değişikliğinden gözlemlediği gibi tam bir dönüş yapar böyle bir mıknatıs ile uyarılır cihazın görüntüleri gösterir.
Resim 1 . İmalat kurulum için hidrojel tabanlı micromachines. A) imalat aşamasının şematik. Bu şemalar içinde hydrogels üretim alanı içinde oluşan PDMS odası, yanı sıra esnek membran için verdiği PDMS odası tutan bir vakum özellikli aşaması dahil olmak üzere imalat kurulum çeşitli bileşenleri gösterilmektedir bir mikrometre kafa yüksekliği kontrol ve tedavi edilmezse veya PDMS ile kaplı bir cam coverslip oluşan üst yüzey. B) (olmadan PDMS odası) imalat aşamasının üstten görünüm şema. Öyle ki olay ışık açısı (resimde gösterilmemiştir) imalat aşamasının yatay düzlemde dik UV ışık kaynağı sonra konumlandırılmış. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Resim 2 . Tek dişli hidrojel tabanlı aygıt ve her bir katman için kullanılan photomasks şematik. A) şeması, üst - ve oblik-görünümünü bu strateji kullanarak sahte olduğu tipik bir hidrojel tabanlı cihaz. Bu aygıt için manyetik kontrol sağlayan bir demir katkılı kesimini içeren bir tek dişli oluşur. B) tek tek katmanları ve cihazın içinde bileşenleri şematik. Bu tek-dişli aygıtı bir üst katman (i), destek yapıları demir katkılı Dişli ve duvarlar, cihazın (II) yanı sıra bir alt katman (III) için belgili tanımlık posta gibi sızdırmazlık oluşur. Tek dişli aygıt imal etmek kullanılan C) Photomask tasarımlar. Photomasks tasarlanmış karanlık vardır alan; arka planı karanlık olsa da istenen özelliklerini şeffaf bırakılır. Bu panel katmanı (i), destek yapıları (II) ve alt katman (III) mühürleme üst karşılık gelen photomask tasarımlar gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3 . Micromachines hidrojel tabanlı katman katman fotolitografi. A) cihaz fabrikasyon üretim alanı PDMS odasının içinde adım adım işleminin şematik. 1: PEGDA prepolymer küçük bir hacim PDMS odası (alt yüzey) esnek membran için gümrüklü cam coverslip üzerine pipetted. İşlenmemiş cam coverslip bir parçası üst yüzey kullanılır ve bir photomask bu üst yüzey üzerine yerleştirilir. Alt yüzey yüksekliğini mikrometre kafa kullanarak istenilen yüksekliğe (Z1) hazırlanmıştır. Hidrojel prepolymer sonra UV photomask ışık maruz kalmaktadır. Üst yüzey PDMS odası ve kalıntıları üst yüzey (gömme) yapıştırılır hidrojel kapalı sonra kaldırılabilir. Bu katman sonra daha sonra kullanılmak üzere ayrılmıştır. 2: adım 1 tekrarlanır ama üst yüzey şimdi PDMS kaplı cam ile değiştirilir. Polimerli hidrojel alt substrat yapıştırılır kalacaktır. 3: alt substrat yüksekliğini indirilir (Z2> Z1) ve daha fazla prepolymer imalat alanına eklenebilir. İkinci bir photomask kullanılır ve prepolymer bir kez daha UV ışığına maruz kalmaktadır. 4: adım 3 tekrarlanan (Z3 > Z2) istenen destek yapıları oluşturuluncaya kadar. (i) destek yapıları tamamlandıktan sonra üst yüzey ön şekillendirilmesi hidrojel bileşenlerin (Örneğin, demir katkılı vites) giriş için imalat alanına erişimi için izin vermek için kaldırılabilir. (ii) kez ön şekillendirilmesi bileşenleri yerleştirilen ve düzgün uyumlu, adım 1 hidrojel katmandan fabrikasyon yapısı üzerine yerleştirilen ve uyumlu. 5: tüm katmanları sonra UV ışığı cihazın kenarlarını mühürler bir photomask maruz kalır. (i iç bileşenleri daha fazla UV Işınlarına maruz kalma korunmadýklarýný iken mühürleme adım tüm cihaz mühürler. (II) tercihen üst yüzey için uygun gibi mühürlü cihazın üretim odası sonra kaldırılabilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 4 . Demir-oksit nanoparçacık hidrojel bileşenleri doping için adımları. (i) UV ışık hidrojel dişli demir oksit katkılı segmentte tanımlama bir photomask aracılığıyla yararlanılır. demir oksit katkılı hidrojel (II) ince (200 µm) katmanları her zaman polimerli ve birbiri üstüne yığılmış. (iii) İnce katman katman 1 mm toplam yükseklik ile bir segment oluşturur. Bu segment imalat katmanda yaptı. (iv) un katkılı prepolymer sonra imalat alanına yatırılır ve dişli tam şeklini tanımlar bir photomask sonra cross-linking sırasında kullanılır. Bu bir demir oksit katkılı kesimi ile komple dişli oluşumunu sağlar. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 5 . Photopolymerization demir oksit katkılı hidrojel bileşenlerinin. A) demir oksit nano tanecikleri ile katkılı dişli parçasının Photomask. B) en iyi şekilde oldu demir oksit katkılı hidrojel (10 s pozlama) polimerli. C) altında polimerli (4 s pozlama) olmuştur demir oksit katkılı hidrojel. D) oldu demir oksit katkılı hidrojel (20 s pozlama) aşırı polimerli. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 6 . Hidrojel hizalamasını aygıt mühürleme sırasında katmanlar. A) görüntü ücretsiz-hareketli hidrojel katmanların doğru hizalama gösterilen dişli yani tamamen içinde belgili tanımlık aygıt geçersiz. B) resim gösterme aygıtı yanlış hizalanmış hidrojel katmanları (B, C ve D aynı cihazın ama farklı katmanlarla vurgulu görüntülerdir) ile. C) aynı (B) olduğu gibi görüntü ama ile siyah anahat katmanlar hangi düzgün şekilde hizalanmış alt elucidating. Dişli doğru alt katmanları içinde yer alıyor. D) aynı (B) olduğu gibi görüntü ama hidrojel yanlış hizalanmış üst tabakası gösterilen beyaz anahatları ile. Dişli kısmen mühürleme adımı sırasında polimerli ve dişli (kırmızı dolgu) bölümlerini cihazın toplu malzeme demir attı. Bu aygıt işlevsel olmayan işler. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 7 . Çalıştırma hidrojel tabanlı bir tek dişli micromachine. A) fabrikasyon aygıt gösterilen görüntü. B) çalıştırma üzerine dişli farklı yönelimleri gösterilen görüntüler. (i) ilk yönünü (0°) üzerinden dişli (II) 60 °, (iii) 120 °, (iv) 180 °, (v) 240 ° ve 300 ° tarafından döndürülür. Ölçek çubuğu 1 mm olan Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 8 . Çok yönlü imalat hidrojel tabanlı micromachines için çeşitli tasarımları. A) uyuşturucu serbest bir tek rezervuar denetler bir basit kapı Vana. Lineer demir oksit katkılı hidrojel bileşeninin bir dışarı varsayımsal ilacı ve çıkış difüzyon gates. B) birden çok rezervuarlar uyuşturucu sürümünden denetler bir geçişli doğrusal manifold. Her rezervuar varsayımsal uyuşturucu ve demir oksit katkılı bileşen gates hareketi uyuşturucu bu rezervuarlar hidrojel dış için bu ilaçların difüzyon için izin veren bir pencereden dışarı hareket içerir. C) A basit rotor bir eksen hakkında dönmeye çalıştırmalı. D) Geneva sürücüsünde alan bir sofistike tasarımı. Sürüş dişli bir iğne ile daha büyük bir tahrik dişli meşgul ve aralıklı hareketi üretmek yapabiliyor; tam bir dönüş sürüş dişli tahrik dişli tarafından 60 ° döner. Tüm ölçek çubukları 1 mm dir. Chin, S. Y. ve ark. katkı üzerinden yeni nesil implante edilebilir tıbbi cihaz hidrojel tabanlı malzemelerin üretim. Bilim robotik. 2 (2), (2017). AAAS17izni ile yayımlanmaktadır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Discussion
Bu teknik, hidrojel microstructures katman katman fotolitografi facile ve hızlı bir yöntemdir. Yaklaşım üretim bir katkı maddesi kullanılarak, biz kolayca 3D yapılar biyouyumlu malzemeler dışında çeşitli inşa ve hatta hareketli parçalar dahil. Bu nedenle tamamen biyouyumlu microdevices oluşumunu sağlayacak. Teknik alt yüzey yolu ile bir mikrometre kafa yüksekliği kesin bir denetim tarafından etkin olan basit litografi adımları, tekrarı temel alır. Geleneksel üretim teknikleri, MEMS endüstrisinde kullanılan sert içeren işleme teknikleri ve kurban malzemeleri, yumuşak hydrogels işleme ile uyumlu kez değil. Gibi yöntemler, ekstrüzyon tabanlı 3D baskı hydrogels için diğer yöntemleri ve 200 µm yukarıda kayma kararlar için sınırlı baskı hızı mm/s parçaları18,19hareket içermeyen basit yapılar için. Stereolitografi (SLA) ve belki daha iyi kararlar ama kurulum için de çok costlier vardır elde edebilmek dayalı dijital ışık Projesi (DLP) bioprinters. Bu üretim stratejileri de tanıtmak ve tamamlanan aygıttan kaldırmak zor olabilir substrat malzemeleri destek olmadan kolayca çıkıntılar yazdırmanız mümkün değildir. Bu hizalayarak ve fabrikasyon destek yapısı önceden biçimlendirilmiş mühürleme katmana tamamlanmış cihazın için son bir adım olarak polymerizing engelleyecek. İmalat kurulum tasarımını fabrikasyon yapıları da Kullanıcı kolay erişim sağlar ve çeşitli bileşenleri kolay hizalama hizalama işaretlerini kullanımı ile sağlar.
Burada sunulan strateji de çok benzer kararlar diğer teknikleri hızlıdır; bir dönen cihazın gösterdiği imalatı için kullanılan toplam süre yaklaşık 15 dakikadır. Başka bir avantaj olsa değil bu protokol için gösterdi ama bizim önceki iş17' de gösterilen bu stratejinin imalat, hızlı bir şekilde Kullanıcı için yeteneğidir ve kolayca küçük cilt olarak yapılabilir adımlar arasında kullanılan polimer türünü değiştirmek ekledi . Bu şekilde, bir bileşik hydrogels farklı türde aygıtları oluşturabilirsiniz. Vites dişli manyetik çalıştırma için hassas işleme demir oksit nano tanecikleri ile katkılı ve böylece bir harici kullanarak tahrik bir bölümünü içerdiğinden bu strateji aynı zamanda kullanarak fabrikasyon cihaz temassız çalıştırma avantajı vardır mıknatıs. Ayrıca, aygıtın tamamen biyouyumlu ve bu nedenle güvenli bir şekilde implante vivo içindeolabilir.
Bu tekniğin önemli bir özelliği tercihen uygun veya alt veya üst cam alt katman polimerli hidrojel püskürtmek Kullanıcı sağlayan farklı cam yüzeylerde tedavisidir. İşlenmemiş cam kombinasyonu ile bir PFOTS tedavi cam yüzey (alt yüzey) kullanıldığında, PFOTS tedavi cam flüorlu yüzeyinden püskürttü oldukları gibi kurulan hydrogels tercihen işlenmemiş cam için uygun olacaktır. PDMS kaplı cam PFOTS tedavi alt yüzey ile kullanıldığında, diğer taraftan, hydrogels PDMS yüzeyler daha güçlü kurulan hydrogels püskürtmek gibi PFOTS tedavi yüzeyde kalır eğiliminde olacaktır. Bu özellik bir yukarı doğru yapılır, öyle ki cam yüzeyler üzerinde immobilize ve zaman içinde daha sonra bir noktada diğer yapıları için hizalama için ayrılmış veya hatta aşağıya doğru inşa hydrogels uygun sağlar. Bu tekniği ve sahte olduğu tasarımları türlü esnekliğini ekler aynı zamanda birleşme ve bağımsız, özgür hareket eden hidrojel bileşenleri sızdırmazlık sağlar.
Katman katman imalat sırasında kullanılan polimerizasyon zaman optimize etmek önemlidir. Öyle ki onlar tam kalınlıkta yanı sıra yüksek sadakat photomask tarafından tanımlanmış şekilleri karşılaştırıldığında, formu Hydrogels en iyi şekilde çapraz bağlı olmalıdır. Bu gücü lamba ve kullanılan hidrojel türünü bağlıdır. Her ne kadar bu protokol için gösterilen değil, polimerizasyon zaman ile artan lamba gücü azaltır ve PEG zincir uzunluğu artan ve azalan kullanılan PEGDA konsantrasyonları ile artırır. Enerji photopolymerization gibi prepolymer demir oksit nano tanecikleri (Şekil 4) eklenmesi nedeniyle opaklığını değiştirmek için kullanılabilir miktarını etkileyen diğer faktörler de polimerizasyon süresini etkiler. Farklı hidrojel besteleri için koşullar cross-linking için en iyi duruma getirme böylece cihazların imalat süreci başlamadan önce gereklidir.
Photomasks hizalama işaretlerini kullanımı ve hidrojel katmanlar, özellikle son mühürleme kat, doğru hizalaması uygun sızdırmazlık gerçekleştirilir ve iç bileşenleri için yanlışlıkla çapraz bağlı değildir sağlamak önemlidir Destek yapıları üretim işlemi sırasında çevreleyen. Bu bu bileşenleri serbestçe manyetik çalıştırma sırasında hareket etmesini önler. Şekil 5' te gösterildiği gibi yanlış hizalanmış bir üst katman ve photomask sızdırmazlık crosslinking ve dişli toplu malzeme aygıtın bir kısmının ankraj sonuçlanır. Sonuç olarak, bu dişli bir mıknatıs ile tahrik zaman döndürmek değil.
Belgili tanımlık aygıt güçlü kalıcı mıknatıslar Neodim mıknatıslar gibi kullanarak tahrik. Bu mıknatısların ferromanyetik malzemeler için yakın mesafeden zaman güçlü manyetik kuvvetler oluşturmak ve yaralanma önlemek için dikkat edilmelidir. Aygıtın aygıt ile temas geliyor mıknatıs olmadan taşımak için tahrik; Mıknatıs düzenlenen veya ~ 1 cm uzakta belgili tanımlık aygıt yerleştirilir. Demir katkılı bileşenleri hareketi mıknatıs hareketini taklit etmemelidir ve sürekli taşımak için çalıştırmalı veya zaman zaman istediğiniz gibi odaklı. Aygıtı el ile tahrik veya bir çalıştırma kurulum kullanılabilir. Mıknatıs dönme hareketi için herhangi bir aktüatör (Örneğin, servo motor) eklenebilir. Mıknatıs, dönme hızı ve dolayısıyla demir katkılı bileşeninin dönme hızı kontrol edilebilir bir mikrodenetleyici kullanarak. Bu çalıştırma için bir daha kesin yöntem sağlar.
Şekil 8 şemalar ve bu aynı teknikle fabrikasyon ve bu yöntem çok yönlülük göstermek çeşitli tasarımlar önceki işten görüntüleri gösterir. Vanaları aralıklı üreten 2 nişanlı vites oluşturan esin kaynağı Geneva sürücü tasarım (Şekil 8D) daha karmaşık ve sofistike tasarımları (Şekil 8A) benzer basit cihazlar bu tasarımlar aralığından hareketi. Bu tekniği kullanarak oluşturulan en küçük özellikler genellikle yaklaşık 100 µm oldu ve her tasarım çok katmanlı (3-6 kat) oluşmaktadır. Farklı türde hidrojel besteleri (ile farklı mekanik güçlü ve porozite) Ayrıca polimerli ve birbirine bağlı. Bu nedenle, bir hydrogels bir cihaza bağlı olarak farklı bileşenleri cihazın içinde gerekli işlevi içinde kullanılan türleri kolayca birleştirebilirsiniz.
Disclosures
Yazarlar ifşa yoktur
Acknowledgments
Bu eser bir NSF Kariyer Ödülü, NIH R01 grant (HL095477-05) ve NSF ECCS-1509748 grant tarafından desteklenmiştir. S.Y.C. Ulusal Bilim hangi teşkilat tarafından bilim, teknoloji ve araştırma (Singapur) için ödüllendirildi burs (Doktora), tarafından desteklenmiştir. Biz Keith Yeager imalat kurulum ve Cyrus W. Beh fotoğraf set-up ve cihazlar için oluşturma konusunda yardım için teşekkür ederim.
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).
