Summary
提案された技術は、充填された粉末床を通る流体の流れをイメージングするための斬新で効率的で質素で非侵襲的なアプローチを提供し、高い空間的および時間的分解能をもたらします。
Abstract
ナノ粒子を含む分子およびコロイド輸送の新しいイメージング技術の開発は、マイクロ流体およびミリ流体研究において活発な研究の分野です。3次元(3D)印刷の出現により、材料の新しい領域が出現し、それによって新しいポリマーの需要が高まっています。具体的には、平均粒径がミクロンオーダーの高分子粉末は、学界や産業界から関心が高まっています。メゾスコピックから微視的な長さスケールで材料の調整性を制御することで、グラジエント材料などの革新的な材料を開発する機会が生まれます。近年、ミクロンサイズの高分子粉末のニーズが高まり、明確な用途が広がっています。3次元印刷は、新しいアプリケーションに直接リンクする高スループットプロセスを提供し、メソスケールでの物理化学的および輸送相互作用の調査を推進します。この記事で説明するプロトコルは、充填された粉末床内の流体の流れを画像化する非侵襲的な手法を提供し、スマートフォンなどのモバイルデバイスからすぐに利用できるモバイルテクノロジーを活用しながら、高い時間的および空間的解像度を提供します。一般的なモバイルデバイスを利用することで、通常光学顕微鏡に関連するイメージングコストが排除され、質素な科学的アプローチが実現します。提案されたプロトコルは、流体と粉末のさまざまな組み合わせの特性評価に成功し、流体と粉末の最適な組み合わせを迅速にイメージングおよび特定するための診断プラットフォームを作成しました。
Introduction
粉末媒体に噴射するインクジェットベースのバインダーは、積層造形(3D印刷)における重要な技術を表しています。バインダー噴射プロセスは、走査型インクジェット印刷プロセスを使用して、機能性流体を粉末媒体に堆積させることから始まります。具体的には、インクジェットプリントヘッドが粉末表面上を平行移動し、液体結合剤を粉末表面に付着させ、それによって層ごとに固体部分を形成する1。インクジェットベースのバインダー噴射技術には、一般に、砂、金属粉末、およびポリマー粉末が含まれます。しかし、バインダー噴射における材料のスペースを拡大するには、流体-粉末および粉末-粉末相互作用、トライボロジー、粉末充填密度、および粒子凝集を調べるための基本的なアプローチが必要です。具体的には、流体と粉末の相互作用では、粉末床を通る流体の流れをリアルタイムで画像化する機能が非常に必要です。これは、研究者が特性評価技術として、また流体と粉末のさまざまな組み合わせのスクリーニング方法として含める強力なツールになることを約束します2,3,4、および粒子床法を利用するコンクリート3D印刷システムなどのより複雑なシステム。
ナノ粒子を含む分子およびコロイド輸送の新しいイメージング技術の開発は、マイクロ流体およびミリ流体研究における活発な研究分野です。イメージング技術による分子間相互作用の調査は、不飽和および非定常流体の流れの条件下でこれらのタイプの相互作用を調べるための研究がほとんど行われていないため、困難な場合があります。文献で報告されている研究の多くは、ガラスビーズ5,6,7,8,9,10,11,12および土壌13,14,15,16,17,18などの飽和した、事前に濡れた多孔質媒体に焦点を当てています。.この技術は非侵襲的アプローチを提供し、高い時間的および空間的分解能をもたらす2、3、4、19。さらに、開発した技術は、ポリマー粉末に焦点を当て、さまざまな多孔質媒体中のナノスケールおよびミクロンスケールの粒子輸送を特徴付けおよび定量するための新しい方法を提供します。
提案された技術は、モバイルデバイスを利用して、流体粉末床融合技術を利用する3D印刷システムで使用される粉末を代表する粒子寸法の多孔質高分子媒体を介した不飽和で非定常な流体輸送を記録します。この技術は、フローセルが費用効果が高く、再利用可能で、小型で取り扱いが容易であり、質素な科学の支配的な側面を示しているため、有利です。これらの簡単な実験をフィールドスタディに実装する機能は非常に簡単で、光学顕微鏡で必要とされる複雑さ、コスト、および時間を排除します。セットアップの作成の容易さ、迅速な結果へのアクセス、および最小限のサンプル要件を考えると、この手法は診断スクリーニングに最適なプラットフォームです。
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Protocol
1. マイクロ流体フローセルの準備
注:このプロトコルでは、市販のマイクロ流体フローセルが使用されます。光学顕微鏡からの光透過用に設計された市販製品を使用することにより、媒体の明視野照明に関する課題が最小限に抑えられます。
- 出口をパラフィルムで覆い、チャネルの一端をシールして、空のフローセルにポリマー粉末を充填できるようにすることで、マイクロ流体フローセルの準備を開始します。実験を開始する前に、マイクロ流体チャネルが清潔で乾燥していることを確認してください。
- メートル法の用紙定規を流路の真下にテープで留めます。
- パラフィルムと定規を取り付けた状態でマイクロ流体フローセルの重量を量ります。フローセルの質量は、開梱されたフローセルの質量(mu)です。
2.粉末をチャネルに梱包します
- 粉末を梱包するときは、プラスチック製のピペットを使用して粉末を移します。粒子がピペットチップの外側に付着する可能性があることに注意してください、これは摩擦帯電の結果です。
- 粉末をチャネルに導入しながら、フローセルを少なくとも5回タップして粉末を圧縮します。粉末が流路の開口部の先頭に達するまで梱包を続けます。
注:タッピングは、再現性のある診断ツールを提供することを目的として、チャネル内の粉末を圧縮します。特定のアプリケーションでは、この努力は、対象のアプリケーションで観察される圧縮よりも高い、低い、または同等のレベルの粉末圧縮になる可能性があります。アプリケーション内のタッピングまたはパッキンパウダーの再現性に問題がある場合は、ASTM D7481-1820の実行を検討してください。 - フローセルの外面に存在する粉末をアルコールに浸したワイプで取り除きます。
注意: 一部の種類の粒子は疎水性である可能性があるため、水は粒子をうまく除去できない場合があります。
- 粉末をチャネルに導入しながら、フローセルを少なくとも5回タップして粉末を圧縮します。粉末が流路の開口部の先頭に達するまで梱包を続けます。
- 粉末が充填されたら、フローセルに緩く充填された粉末がないか目視検査します。フローセル内の粉末がゆるく詰まっているように見える場合(図1)、フローセルをさらに5回タップします。粉末充填剤が一貫してコンパクトに見える場合は、フローセルを秤量してポリマー粉末の質量を測定します(mp− mu; 式1を参照)。
- 開梱(mu)と充填フローセル質量(mp)の差を使用し、フローセルの体積で割ったバルク充填密度(ρ)を計算します。フローセルの体積は既知である[長さ(l):50mm、幅(w):5mm、チャネル深さ(h):0.8mm]。
式 1 - 充填密度がポリマー粉末2,3,4,21の0.45 g / mLから0.55 g / mLの典型的な範囲にあることを確認します。ステップ3と4が完了するまで、フローセルをドラフトに入れたままにします。
注意: 直径10μm未満の粒子は、肺に浸透して血流に入る可能性があり、肺および心臓血管系に関連する健康上の問題を引き起こす可能性があります。本実験で使用したポリマー粉末の粒子径は約50μmである。したがって、粒子の吸入は健康上の問題を引き起こす可能性は低いが、狭い粒度分布でもより小さな粒子が存在する。最も安全な環境のために、フローセルの準備はヒュームフードで行われるべきです。
- 開梱(mu)と充填フローセル質量(mp)の差を使用し、フローセルの体積で割ったバルク充填密度(ρ)を計算します。フローセルの体積は既知である[長さ(l):50mm、幅(w):5mm、チャネル深さ(h):0.8mm]。
式 13.溶剤の準備
- 水中のエタノールの75重量%溶液を調製する。溶媒は、この原稿の残りの部分では流体と呼ばれることに注意してください。
注意: 界面活性剤は結果に影響を与えるため、溶液の調製に使用するビーカーに界面活性剤が含まれていないことを確認してください。
4.白色光テーブルの準備
- 検出器(カメラ)があまりにも多くの光であふれるのを防ぐために、黒いポリ乳酸(PLA)フィラメントの3Dプリントカバーなどの不透明な材料でライトテーブルを覆います(補足図1)。材料に、光が粉末を照らすことができるように、マイクロチャネルのサイズ(5 mm x 55 mm)の開口部があることを確認してください。
注意: 光が多すぎると、カメラの画面またはモニターが白く表示され、マイクロチャンネルが見えなくなります。したがって、検出器はマイクロチャネルにレンズを集中させることができません。 - モバイルデバイスのカメラがウェットパウダーとドライパウダーのコントラストを確実にキャプチャできるようにするには、ライトテーブルを低から中程度の光強度で使用します。
注意: 高い光強度は100%です。他の2つの設定は、高い光強度に関連しています。低光強度の設定は~30%、中光強度は~65%です。 - モバイルデバイスのカメラをライトテーブルの真上に合わせます。カメラがライトテーブルの上部に対して垂直であることを確認します(図2)。
- モバイルデバイスの長軸がフローセルの最長軸に揃うように、モバイルデバイス上のカメラを向けます。
5. 実験の開始
- フローセルをライトテーブルに置き、フローチャネルのモバイルデバイスにカメラの焦点を合わせます。
注意: 最適な結果を得るには、通常、記録スペースを暗くする(オーバーヘッド照明を減らす)と、画像の解像度が向上します。暗いスペースが利用できない場合は、記録中のオーバーヘッド照明の変化(ライトのオン、オフ、または暗さ)を最小限に抑えることで、グラフィック信号が改善され、実験での望ましくないノイズを最小限に抑えることができます。 - モバイルデバイスにカメラの焦点を合わせた後、録画ボタンを選択します。ピペットを使用して、マイクロチャネルの開いた入口に125 μLの液体を追加します。
- 2分間、またはすべての粉末が目に見えて濡れるまで流れを記録します。
6. データの分析
- 簡単にアクセスできるように、モバイルデバイスからコンピューターにビデオファイルを転送します。ファイルサイズが大きすぎる可能性があるため、現時点では2分を超えるビデオがソフトウェアに読み込まれない場合があります。
- Physletsのウェブサイトから無料のソフトウェアであるトラッカーをダウンロードしてください 22.このソフトウェアは、次のビデオファイルの位置、速度、および加速度を追跡できます:.mov、.avi、.mp4、.flv、.wmvなど。以下の手順については、 補足ファイルを参照してください。
注意: Macユーザーの場合、ソフトウェアが正しく機能するように最新バージョンのソフトウェアをインストールしてください。さらに、Macユーザーは、ビデオエンジン(Xuggle)、アニメーションGIFファイル(.gif)、または1つ以上のデジタル画像(.jpg、.png、またはクリップボードから貼り付けられた)で構成される画像シーケンスを必要とする場合があります。 - ソフトウェアがインストールされたら、トラッカーソフトウェアを開きます。[ ファイル ]メニューから[ ファイルを開く ]を選択して、手順6.1で転送したビデオファイルをコンピューターのデスクトップにロードします。
- フィルムストリップのような クリップ設定 アイコンをクリックして、 開始フレーム と ステップサイズを定義します。
メモ: アイコンの上にマウスを置くと、アイコンが識別されます。- 開始フレームを定義します。開始フレームは、最初のコントラスト(ウェットパウダーとドライパウダーのコントラスト)が観察されるフレームとして定義されます。
- ステップサイズを設定します。ステップサイズとは、ソフトウェアが分析するフレームステップサイズを指します。以前の実験から、最適なステップサイズは10です。
- [クリップ設定]ボタンの右側にある青い定規の付いたアイコンであるキャリブレーションツールをクリックします。新規から、キャリブレーションスティックを選択します。
- ビデオのルーラーを拡大するには、拡大する領域を右クリックして、リストから [ズームイン ]を選択します。適切に拡大したら、マイクロチャネルにテープで固定された定規で1 mmの開始と終了を定義し、1 mm と入力して距離を定義します。
- キャリブレーションツールの右側にある紫色のアイコンである座標軸ツールをクリックします。x軸とy軸の原点を設定し、この手順の実行中に開始フレームを使用します。
- 解析の始点を定義するには、 点質量を作成します。[ 作成]をクリックし、[ ポイント質量]を選択します。 Shift + Control を使用して、四角形のサイズを変更します。最初のポイントは、入口とチャネルが接続する場所です。
メモ: 長方形は、ユーザーが定義したドメインを示し、ソフトウェアがスキャンして対照的なウェットパウダーとドライパウダーを見つけます。境界により、ユーザーは始点が観測される領域を定義できます。- [ 次を検索 ]を数回クリックして、ソフトウェアが正しい領域を分析していることを確認します。ソフトウェアが正常に機能している場合は、[ 検索 ]をクリックして、ソフトウェアがビデオの分析を終了するのを待ちます。前のフレームから現在のフレームに一致する画像強度を自動的に検出できない場合、ソフトウェアは停止し、ユーザーが検索領域を再定義するのを待ちます。
注:再現性と異なる実験結果を比較する機能のために、すべてのサンプルについて、流体フローフロント(接液粉末と乾燥粉末のコントラスト領域)の最速点または最も遅い点を選択してください。 - トラッカー画面の右側にあるライブプロットデータに分析エラーが観察された場合は、エラーデータポイントの前のステップで データポイント を一度クリックします。メイン画面で、赤い長方形の検索領域の場所を変更して関心領域を検索し、手順6.8.1を繰り返します。
注: エラーが存在する場合は、不正確なデータ ポイントを右クリックし、ポイントの選択を解除してさらに分析します。
- [ 次を検索 ]を数回クリックして、ソフトウェアが正しい領域を分析していることを確認します。ソフトウェアが正常に機能している場合は、[ 検索 ]をクリックして、ソフトウェアがビデオの分析を終了するのを待ちます。前のフレームから現在のフレームに一致する画像強度を自動的に検出できない場合、ソフトウェアは停止し、ユーザーが検索領域を再定義するのを待ちます。
- 分析が完了したら、結果をコピーしてスプレッドシートに貼り付けます。スプレッドシートに保存された結果は、距離と時間のデータで構成されます。
- コピーしたデータをスプレッドシートに、粉末床を通る流体輸送の距離を時間の関数としてプロットします。
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Representative Results
データの分析に関するセクションでは、 図3 のタイムラプス画像のデータは、ポリカーボネート(PC)粉末に浸透した75重量%エタノール溶液を示しています。フルオレセインを溶液に添加し、この出版物の画質を向上させた。タイムラプス画像では、流体が入口に追加されると、時間分解プロセスが開始されます。時間 tは、流体がチャネルに浸透し始めるとすぐに始まります。一連の画像は、流体とフルオレセインの進行を示しています。PCでは、流体とフルオレセインは同じ流量で輸送されます。 図4 のプロット上の白い赤い円は、 表1にまとめられた情報の正確な時間と距離を表しています。粉末床への流体の浸透と増分時間ステップ(赤い円)の組み合わせは、 図3に視覚的に表されています。
1秒から2秒の間に、流体の移動距離は2倍になりました。2秒から5秒の間に、流体が移動した距離も2倍になります。5秒から10秒まで、流体はまだ速く動いています。ただし、15秒後、流量は5秒ごとに約2mmの速度に減速しています。単一の粉末と流体の組み合わせの場合、5つのテストが1つのグループで実行されます。合計テストの数は、グループごとに異なる場合があります。たとえば、5 つの実験のいずれかが失敗した場合、失敗したテストの代わりに新しいパックされたマイクロチャネルが分析されます。故障は、一貫性のない粉末充填に起因するチャネルに気泡が形成されるために、粉末床に浸透しない、または部分的にしか浸透しない流体として定義されます。グループ内の一連のテスト間の標準偏差を観察するには、Donovan 21、特に図19と図21を参照してください。
図1:マイクロ流体フローセルに緩く詰め込まれたポリマー粉末は、対処しないと実験が失敗する可能性があります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:実験セットアップの漫画表現。 このイメージは縮尺どおりに描画されません。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:1回の実験からの代表的なタイムラプス一連の画像。 左から右への画像は、充填された多孔質床を通る溶媒(視覚化のために蛍光色素で強化)の流れを例示しています。先行フロントは均一ではないため、通常は伝播フロントの平均距離が使用されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:流体が充填された粉末床に浸透するときの平均伝播距離(Δl)対時間(t)の定量的表現。赤い円は、図 3 に示す各時間増分のデータ ポイントを表します。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
| 時間 (秒) | 距離(ミリメートル) |
| 0 | 0 |
| 1 | 2.1 |
| 2 | 4.1 |
| 5 | 8.3 |
| 10 | 12.8 |
| 15 | 15.8 |
| 20 | 17.9 |
| 25 | 20.1 |
| 30 | 22.1 |
表 1: 図 4 に示す赤い点の距離と時間の値。
補足図1:黒いポリ乳酸(PLA)フィラメントの不透明な3DプリンターカバーのCAD図面。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル: 追跡ソフトウェアを使用したデータ分析に関連する手順のスクリーンショット。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
提供されるプロトコルは、選択される粒子の材料特性に大きく依存します。流動に影響を与える材料特性には、粒度分布2、3、4、5、11、21、粒子表面粗さ11、粒子表面2、3、4、5、11、16、21、23での化学的性質、24,25、分子双極子モーメント、粒子形状11、粒子間相互作用2,3,4,5,11,16,23,24,25,26,27 .これらの特性は、マイクロ流体チャネル内の粉末の充填密度に直接影響し、その結果、粒子2、3、4、5、7、8、14、15を濡らすときの流体の毛細管流動挙動に直接影響します。
粉末充填密度は、この技術において非常に重要な役割を果たします。粉末が十分に密に充填されていないと、イメージング中に気泡の形成や粉末の偏析が発生し、再現性のあるサンプルが妨げられる可能性があります。したがって、粉末を充填しながらマイクロ流体チャネルをタップする(ステップ2.1.1)ことは非常に重要なステップです。 図1 は、流体がチャネル全体に浸透した後の一貫性のない充填粉末を有するマイクロ流体フローセルを表す。粉末の偏析は、チャネルの入力に向かって見ることができます。細胞が充填されたら、実験を実行する前に、ライトボックスの粉末充填密度を確認することは、これらのタイプの実験の失敗を回避するのに役立つ方法です。このプロトコルで提示されている粉末は、標準化されたタップ密度試験、特にASTM D7481-18を利用して分析され、タップ20の関数としてバルクパッキング密度を報告しています。提案されたプロトコルを完了するためにASTM D7481-18を実施する必要はありませんが、ASTMは粉末に関する補足情報を提供します。
測定可能な特性である粒度分布は、バルク充填密度に直接影響します23、24、25。充填システムでは、大きな粒子は大きな空隙空間を作り、小さな粒子が沈降する位置を提供します。大きな粒子と小さな粒子の比率を測定することで、流体が粉末に浸透するための空隙空間の体積を把握できます。実験のためにマイクロ流体フローセルを充填するとき、すべての小さな粒子は、大きな粒子によって作られた空隙空間を埋めます。利用可能なボイドスペースを最小限に抑えることは、流体輸送に影響を与えるだけでなく、分子および粒子の保持が発生するサイトを増やします。さらなる技術改善のためには、類似したサイズの粒子(例えば、60μmから65μmまでの粒子)をさらに調査して、この技術がわずか数ミクロンの平均粒径差を有する粒子を区別する感度を有するかどうかを判断する必要がある。
かさ密度は、材料の取り扱い方法に大きく依存するため、粉末の本質的な特性ではありません26。粉末が社内で製造されたか、飛行機、電車、または車で輸送されたかは、バルクパッキング密度の値に大きな影響を与え、粒度分布に影響を与える可能性があります。粉末サンプルが容器の上部から選択されるか下部から選択されるかも、結果に影響を与える可能性があります。シリアルの箱を開けることを想像してみてください。上部の材料はすべての大きな部分で構成され、ボックスの下部の材料はすべての小さな部分で構成されています。同様に、移動による応力(振動)を受けた粉末は、容器全体に粒子サイズ勾配があります。
ポリマー粉末の場合、フローセルの内面が疎水化処理を受けていることを確認することは不可欠です。マイクロ流体フローセルの壁が処理されていない場合、流体輸送を画像化するときに壁効果がしばしば発生します。壁効果は、流体が目的の粉末を通るバルク流体の流れよりもはるかに速く、より遠くに壁に沿って移動する場合に観察されます。壁が疎水性でない場合、形成抵抗が最も少ない経路が可能になり、流体は粉末を通らずにその経路(壁)に沿って流れます。したがって、疎水性細胞を利用することで、多孔質媒体を通る水系の流れのより代表的な研究が可能になりますが、親水性細胞は有機系に利用する必要があります。
いくつかのポリマー粉末の場合、粉末粒子とプラスチックピペットの先端との間に生じる摩擦帯電効果26,27が存在し得る。その結果、ピペットに粉末粒子を装填する際に、粉末がピペット先端の外側に付着する可能性がある。粉末の付着は、粉末または粒子充填物の移送に問題を引き起こしていません。ただし、粒子の付着が問題になる場合は、ピペットに付着する粒子の発生を減らす可能性のあるいくつかの変更を試みることができます。1つのオプションは、ピペットの外側の先端を水で湿らせ、先端を吸い取って乾かして静電気を遮断することです。別のオプションは、プラスチックの代わりにガラスピペットを使用することです。3番目のオプションは、より湿度の高い環境で粉末粒子を移すことです。
この手法は、3D粒子層内の流体侵入長を1次元(1D)測定するための質素な方法です。したがって、この手法では、関心のある方向の優先流路のみを考慮することができます。
現在のプロトコルでは、多孔質媒体を介した流体輸送について説明し、質素なセットアップを利用し、光学顕微鏡の複雑さと費用を排除します。さらに、蛍光種とフォトルミネッセンス種を励起するためのUV透過照明テーブルを使用すると、この手法を使用して、分子およびナノ粒子の運命と輸送を画像化することもできます。この設定では、分子およびナノ粒子システム用に溶媒プロトコルを変更する必要があります。
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Disclosures
著者は開示するものは何もありません。
Acknowledgments
何一つ。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| µ-Slide I Luer | ibidi | 80191 | Microfluidic flow cell |
| Beaker | Southern Labware | BG1000-800 | Glassware |
| CALIBRE 301-58 LT Natural Polycarbonate Resin | TRINSEO LLC | CALIBRETM 301-58 LT | Natural polycarbonate resin |
| Ethanol | Sigma Aldrich | 1.00983 | Solvent |
| Fume Hood | Kewaunee | Supreme Air LV Fume Hoods | Used with 92 FPM at 18" opening |
| iPhone 7 plus | Apple | Camera | |
| Opaque 3D printed material | The CAD drawing is provided in the supplemental file | ||
| ORGASOL 2002 ES 6 NAT 3 | ARKEMA | A12135 | Polyamide powder |
| Pipet | VWR | 10754-268 | Disposable Transfer Pipet |
| Pipette | Globe Scientific Inc. | 3301-200 | Pipette that can hold 125 µL of fluid |
| Polystyrene | Advanced Laser Materials, LLC. | PS200 | Polystyrene for sintering |
| Tracker | Video analysis and modeling tool | ||
| VariQuest 100 White Light Model 3-3700 | FOTODYNE | 3-3700 | White light |
| Water | Distilled water |
References
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