Sparsam avbildningsteknik för kapillärflöde genom tredimensionella polymertryckpulver
Summary
Den föreslagna tekniken kommer att ge ett nytt, effektivt, sparsamt och icke-invasivt tillvägagångssätt för att avbilda fluidiskt flöde genom en packad pulverbädd, vilket ger hög rumslig och tidsmässig upplösning.
Abstract
Utvecklingen av nya avbildningstekniker för molekylär och kolloidal transport, inklusive nanopartiklar, är ett område för aktiv undersökning i mikrofluidiska och millifluidiska studier. Med tillkomsten av tredimensionell (3D) utskrift har en ny materialdomän uppstått, vilket ökar efterfrågan på nya polymerer. Specifikt upplever polymerpulver, med genomsnittliga partikelstorlekar i storleksordningen en mikron, ett växande intresse från akademiska och industriella samhällen. Att kontrollera materialets tunbarhet vid mesoskopiska till mikroskopiska längdskalor skapar möjligheter att utveckla innovativa material, såsom gradientmaterial. Nyligen har ett behov av polymera pulver i mikronstorlek ökat, eftersom tydliga applikationer för materialet utvecklas. Tredimensionell utskrift ger en process med hög genomströmning med en direkt koppling till nya applikationer, vilket driver undersökningar av fysiokemiska och transportinteraktioner på mesoskala. Protokollet som diskuteras i den här artikeln ger en icke-invasiv teknik för att avbilda vätskeflödet i packade pulverbäddar, vilket ger hög tidsmässig och rumslig upplösning samtidigt som man utnyttjar mobil teknik som är lättillgänglig från mobila enheter, till exempel smartphones. Genom att använda en vanlig mobil enhet elimineras de bildkostnader som normalt skulle vara förknippade med ett optiskt mikroskop, vilket resulterar i ett sparsamt vetenskapligt tillvägagångssätt. Det föreslagna protokollet har framgångsrikt karakteriserat en mängd olika kombinationer av vätskor och pulver, vilket skapar en diagnostisk plattform för snabb avbildning och identifiering av en optimal kombination av vätska och pulver.
Introduction
Bläckstrålebaserad bindemedelssprutning i pulvermedia representerar en viktig teknik inom additiv tillverkning (3D-utskrift). Bindemedelssprutningsprocessen börjar med avsättning av funktionella vätskor i pulvermedia med hjälp av en skanningsbläckstråleutskriftsprocess. Specifikt översätts ett bläckstråleskrivhuvud över pulverytan, avsätter vätskebindemedlet på en pulveryta och bildar därigenom en fast del lager för lager1. Bläckstrålebaserad bindemedelsjettingteknik inkluderar i allmänhet sand, metallpulver och polymerpulver. För att utöka materialens utrymme vid bindemedelssprutning krävs dock ett grundläggande tillvägagångssätt för att undersöka interaktioner mellan vätska och pulver och pulver, tribologi, pulverpackningstäthet och partikelaggregering. Specifikt, för fluid-pulverinteraktioner, finns ett kritiskt behov av förmågan att avbilda vätskeflödet genom pulverbäddar i realtid. Detta lovar att bli ett kraftfullt verktyg för forskare att inkludera som en karakteriseringsteknik och potentiellt som en screeningmetod för olika kombinationer av vätskor och pulver 2,3,4, liksom mer komplexa system, såsom konkreta 3D-utskriftssystem som använder partikelbäddsmetoder.
Utvecklingen av nya avbildningstekniker för molekylär och kolloidal transport, inklusive nanopartiklar, är ett aktivt forskningsområde inom mikrofluidiska och millifluidiska studier. Att undersöka intermolekylära interaktioner genom avbildningstekniker kan vara utmanande, eftersom lite arbete har gjorts för att undersöka dessa typer av interaktioner under förhållandena med omättat och ostadigt vätskeflöde. Många av de studier som redovisas i litteraturen har fokuserat på ett mättat, förfuktat, poröst medium, såsom glaspärla 5,6,7,8,9,10,11,12 och jordar 13,14,15,16,17,18 . Denna teknik ger ett icke-invasivt tillvägagångssätt, vilket resulterar i hög tidsmässig och rumslig upplösning 2,3,4,19. Dessutom ger den utvecklade tekniken en ny metod för att karakterisera och kvantifiera partikeltransport i nanoskala och mikronskala i en mängd olika porösa medier, med fokus på polymera pulver.
Den föreslagna tekniken använder en mobil enhet för att registrera omättad, ostadig fluidisk transport genom porösa polymera medier med partikeldimensioner som är representativa för de pulver som används i 3D-utskriftssystem som använder fluidisk pulverbäddfusionsteknik. Denna teknik är fördelaktig eftersom flödescellerna är kostnadseffektiva, återanvändbara, små och lätthanterade, vilket illustrerar de dominerande aspekterna av sparsam vetenskap. Möjligheten att implementera dessa enkla experiment i en fältstudie är mycket enkel, vilket eliminerar komplikationer, kostnader och tid som krävs i optisk mikroskopi. Med tanke på hur enkelt det är att skapa installationen, tillgången till snabba resultat och det minimala antalet provkrav är denna teknik en optimal plattform för diagnostisk screening.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollet som tillhandahålls är starkt beroende av materialegenskaperna hos de partiklar som väljs. Materialegenskaper som påverkar flödet inkluderar partikelstorleksfördelning 2,3,4,5,11,21, partikelytans ytjämnhet 11, kemiska egenskaper vid partikelytan 2,3,4,5,11,16,21,23<sup …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ingen.
Materials
| 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
- Redwood, B., Schoffer, F., Garret, B. . The 3D Printing Handbook. , (2018).
- . Three dimensional printing, Patent ID: 20210087418 Available from: https://uspto.report/patent/app/20210087418 (2021)
- . Three dimensional printing, Patent ID: 20210095152 Available from: https://uspto.report/patent/app/2021009515.2 (2021)
- Three dimensional printing, Patent ID: 20210107216. Available from: https://uspto.report/patent/app/20210107216#C00011 (2021)
- Petosa, A. R., Brennan, S. J., Rajput, F., Tufenkji, N. Transport of two metal oxide nanoparticles in saturated granular porous media: Role of water chemistry and particle coating. Water Research. 46 (4), 1273-1285 (2012).
- Giordano, S. Effective medium theory for dispersions of dielectric ellipsoids. Journal of Electrostatics. 58 (1-2), 59-76 (2003).
- Toloni, I., Lehmann, F., Ackerer, P. Modeling the effects of water velocity on TiO2 nanoparticles transport in saturated porous media. Journal of Contaminant Hydrology. 171, 42-48 (2014).
- Dang-Vu, T., Hupka, J. Characterization of porous materials by capillary rise method. Physicochemical Problems of Mineral Processing. 39, 47-65 (2005).
- Huang, W. E., Smith, C. C., Lerner, D. N., Thornton, S. F., Oram, A. Physical modelling of solute transport in porous media: evaluation of an imaging technique using UV excited fluorescent dye. Water Research. 36 (7), 1843-1853 (2002).
- Zhao, J., Li, H., Cheng, G., Cai, Y. On predicting the effective elastic properties of polymer nanocomposites by novel numerical implementation of asymptotic homogenization method. Composite Structures. 135, 297-305 (2016).
- Seymour, M. B., Chen, G., Su, C., Li, Y. Transport and retention of colloids in porous media: Does shape really matter. Environmental Science and Technology. 47 (15), 8391-8398 (2013).
- Ochiai, N., Kraft, E. L., Selker, J. S. Methods for colloid transport visualization in pore networks. Water Resources Research. 42 (12), (2006).
- Rottman, J., Sierra-Alvarez, R., Shadman, F. Real-time monitoring of nanoparticle retention in porous media. Environmental Chemistry Letters. 11 (1), 71-76 (2013).
- Xing, Y., Chen, X., Chen, X., Zhuang, J. Colloid-mediated transport of pharmaceutical and personal care products through porous media. Scientific Reports. 6 (1), 1-10 (2016).
- Dathe, A., et al. Functional models for colloid retention in porous media at the triple line. Environmental Science and Pollution Research. 21 (15), 9067-9080 (2014).
- Zhang, T., et al. Investigation of nanoparticle adsorption during transport in porous media. SPE Journal. 20 (4), 667-677 (2015).
- Zhang, Q., Karadimitriou, N. K., Hassanizadeh, S. M., Kleingeld, P. J., Imhof, A. Study of colloids transport during two-phase flow using a novel polydimethylsiloxane micro-model. Journal of Colloid and Interface Science. 401, 141-147 (2013).
- Health and environmental effects of particulate matter (PM). EPA Available from: https://www.epa.gov/pm-pollution/health-and-environmental-effects-particulate-matter-pm (2021)
- Bridge, J. W., Banwart, S. A., Heathwaite, A. L. Noninvasive quantitative measurement of colloid transport in mesoscale porous media using time lapse fluorescence imaging. Environmental Science & Technology. 40 (19), 5930-5936 (2006).
- ASTMInternational. Standard test methods for determining loose and tapped bulk densities of powders using a graduated cylinder. ASTMInternational. , (2018).
- Donovan, K. J. . Microfluidic investigations of capillary flow and surface phenomena in porous polymeric media for 3D printing. , (2019).
- . 34;Try Tracker Online." Tracker Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education Available from: https://physlets.org/tracker/ (2022)
- Janssen, P. H. M., Depaifve, S., Neveu, A., Francqui, F., Dickhoff, B. H. J. Impact of powder properties on the rheological behavior of excipients. Pharmaceutics. 13 (8), 1198 (2021).
- Boschini, F., Delaval, V., Traina, K., Vandewalle, N., Lumay, G. Linking flowability and granulometry of lactose powders. International Journal of Pharmaceutics. 494 (1), 312-320 (2015).
- Yablokova, G., et al. Rheological behavior of β-Ti and NiTi powders produced by atomization for SLM production of open porous orthopedic implants. Powder Technology. 283, 199-209 (2015).
- Lumay, G., Fiscina, J., Ludewig, F., Vandewalle, N. Influence of cohesive forces on the macroscopic properties of granular assemblies. AIP Conference Proceedings. 1542, 995 (2013).
- Lumay, G., et al. Effect of relative air humidity on the flowability of lactose powders. Journal of Drug Delivery Science and Technology. 35, 207-212 (2016).
