Önceden Tasarlanmış Boyut ve Şekle Sahip Polimerik ve Biyohidred Elyafların Mikroakışkan İmalatı

Doku iskeleleri^1,kompozit malzemeler^2,optik iletişim³ve iletken hibrid malzemeler⁴ özel polimer lifleri kullanarak araştırma alanlarıdır. Lif üretimi için geleneksel yöntemler arasında eriyik ekstrüzyon, iplik, çizim, döküm ve elektrospinning sayar. Bu yöntemlerle üretilen polimer liflerinin çoğu, imalat sırasında polimer ve hava arasındaki yüzey geriliminden oluşan yuvarlak kesitler sergiler. Bununla birlikte, yönlendirilmemiş kesitlere sahip lifler kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini^{artırabilir 5,6}, yüzey alanı-hacim oranlarını artırabilir, ıslatma veya fitilleme^7'yikontrol edebilir ve dalga kılavuzları⁸ veya polarizatörler⁹olarak kullanılabilir.

Başka bir akışı (çekirdek akışı) çevrelemek ve şekillendirmek için bir akış (kılıf akışı) kullanan mikroakışkan sistemler tarafından özel polimer liflerin üretimi, yüksek oranda tekrarlanabilir liflerin sürekli üretimi için hafif koşullar ve kapasite nedeniyle çekicidir. İlk deneyler, prepolimer ve kılıf sıvılarının bağıl akış hızlarına bağlı boyutlara sahip yuvarlak lifler üretti^10-12. Mikroakışkan kanalın üst ve alt kısmındaki olukların, 13,14 çekirdek akışı için önceden belirlenmiş bir şekil üretmek için kılıfı saptırabileceğinin keşfi,^10-12,15-17daha karmaşık lif şekilleri üretmek için teknolojiye yol açtı.

NRL araştırmacıları aşağıdaki kritik teknik özellikleri göstermiştir^13-21:

1. Kılıfi sıvısını çekirdek akışını şekillendirmeye yönlendirmek için çeşitli şekillendirme özellikleri kullanılabilir: oluklar veya sırtlar çizgili, köşeli çift ayraç veya herringbon olarak yapılandırılabilir.
2. Bu özelliklere sahip bir araç kutusu istenen akış sonucuyla eşlenebilir.
3. Mikrokanetler litografi, kalıplama, frezeleme veya baskı teknikleri kullanılarak oluşturulabilir. Substrat malzemeler prepolimer veya kılıf çözeltilerinde çözülmemeli veya aşındırılmamalı ve fotoinitiated polimerizasyonlar için dış katmanlar ultraviyole ışığa şeffaf olmalıdır.
4. Tek bir şekillendirme özelliği kümesi tarafından oluşturulan şekil, kanal üzerinden akış hızları değiştirilerek değiştirilebilir. COMSOL Mikrokanellerdeki sıvı akışının multifizik simülasyonları, elde edilen sıvı ve lif şekillerini tahmin edebilir.
5. Kılıf ve çekirdek sıvılarının viskozitesi ve fazının (hidrofiliklik) eşleşmesi, sıvı arayüzü boyunca kesme suşundaki değişimden kaynaklanan bükülme tipi kararsızlığını önlemek için kritik öneme sahiptir. Büyük bir viskozite veya faz uyuşmazlığı varsa viskoz bükülme meydana gelebilir, muhtemelen son lif şeklini deforme edebilir veya hatta mikrokananı tıkayabilir.
6. Lifler döküm veya polimerizasyon ile oluşturulabilir, ancak polimerizasyon şekil üzerinde daha fazla kontrol sağlar.
7. Polimerizasyon (çekirdek sıvının katılaşması) mikrokanalden çıkmadan önce gerçekleşmelidir. Bununla birlikte, kanal içindeki daha yavaş polimerizasyon viskozitede bir artışa, lif şeklinin artmasına ve hatta kanalın tıkanmasına neden olabilir. Polimerizasyon olaylarının zamanı ve yeri dikkatle kontrol edilmelidir.
8. Hızlı reaksiyon kinetiği nedeniyle, fotoğraf kaynaklı serbest radikal polimerizasyonları, özellikle tiyol bazlı tıklama kimyaları, özellikle lif üretimi için çok uygundur.
9. Göreli akış hızları, nonuniform fiber çapları oluşturmak için imalat sırasında değiştirilebilir.
10. Aşağıdaki nedenlerden dolayı birden fazla şekillendirme özelliği grubu tek bir kanala entegre edilebilir:
    1. Şekillendirme ve boyutlandırma işlevlerini ayırmak için
    2. Çok katmanlı veya içi boş lifler oluşturmak için
    3. Tek bir mikroakışkan kanaldan birden fazla lif üretmek için
11. Polimere çok düşük konsantrasyonlarda dahil edilen sıvı kristal mezojenler polarize ışık altında birefringence gösterir, bu da polimer moleküllerinin liflerin ekseni boyunca hizalanabileceğini düşündürmektedir.
12. Hücreler biyouyumlu hidrojel prepolimerlere dahil edilebilir ve yüksek canlılık ile imalat sürecinde hayatta kalabilir²².

Bir prepolimer akışını şekillendirmek için bir kılıfiz akışı ile hidrodinamik odaklama kullanarak polimer lifleri imal ederken, polimer malzemelerin seçimi pratik bir ilk adımdır. Uygun polimerler, karşılık gelen başlatıcı kimyalar ve kılım sıvıları aşağıdaki kılavuzlar içinde tanımlanmalıdır:

1. Polimer ve kılıfet sıvıları yanılgıya kaptır ve benzer viskoziteye sahip. Örneğin, sulu bir monomer çözeltisi suyu canlı bir kılım sıvısı olarak kullanabilir, ancak kılım sıvısı olarak heksanı kullanamaz.
2. Polimerizasyon mekanizması, şekillendirdikten sonra ve lif kanaldan çıkmadan hemen önce çekirdek sıvıyı katılaştıracak kadar hızlı oranlı kinetiklere sahip olmalıdır.

Malzemeler seçildikten sonra, istenen lif şeklini ve boyutunu oluşturmak için bir mikrokanel tasarlanmalıdır. Gerekli şekillendirme özelliklerini (şeritler, herringbones, köşeli çift ayraçlar) belirlemek için, akışkan akışkan akış modellerini tahmin etmek için hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımı kullanılabilir. Şekillendirme özellikleri kılım sıvısını çekirdek sıvısının etrafına taşır. Genel olarak, şeritler kılım sıvısını kanalın üst ve alt kısmı boyunca bir taraftan diğerine taşırken, herringbonlar ve şeritler sıvıyı yanlardan kanalın üst ve/veya altına doğru uzaklaştırır ve daha sonra doğrudan yapının noktasının altındaki kanalın merkezine doğru geri döner. Kanalın üst ve alt kısmındaki tekrarlayan olukların sayısı kılım sıvısının yönlendirilme derecesini etkiler. Çekirdek ve kılım sıvısının akış hızlarının oranı da etkiye aracılık eder. COMSOL Multiphysics yazılımını kullanan simülasyonlar, kesit şeklini tahmin etmek için şekillendirme özelliklerinin ve akış hızı oranlarının etkileşimlerini değerlendirmede güvenilir olduğunu kanıtlamıştır. Bu simülasyonlar ayrıca, önerilen kanalın boyutu, viskozite ve akış hızları ile çekirdek ve kılıf arasındaki solutların yayılması hakkında yararlı bir içgörü sağlar.

Boyd ve ark.'da açıklanan "çift çapa" gibi karmaşık bir şekil isteniyorsa. ²³, şekillendirme ve boyutlandırma işlevlerini ayırmak yararlıdır. Karmaşık bir şekil, bir dizi özellik ile oluşturulabilir ve daha sonra ikinci bir kılım akışının girişine yerleştirilen stratejik olarak yerleştirilmiş tek kanallı bir yapı, şeklini önemli ölçüde değiştirmeden polimerize edilebilir akışın kesit alanını azaltmak için kullanılabilir.

Karmaşık mikrokanel tasarımının başka bir örneği çok katmanlı lifler üretebilir. Bu tasarımda, sıralı şekillendirme özellikleri setleri ve ek kaplama sıvıları tanıtılmıştır. Bu eşmerkezli akışlar katı çekirdek kaplama liflerine veya içi boş borulara katılaştırılabilir. Bu cihazın bir örneği aşağıda sunulacaktır.

Mikroakışkan cihazın tasarımı seçildikten sonra, mikrokanel imalat süreci başlayabilir. Kullanılabilecek imalat aletleri arasında yumuşak litografi, CNC frezeleme, sıcak kabartma ve 3D baskı bulunur. Kullanılan aletlerden bağımsız olarak, mikroakışkan kanalın duvarına yanlışlıkla sokulan özelliklerin kılıf akışını da yönlendireceğini ve bu cihaz kullanılarak yapılan tüm liflerin kesit şeklinde yüksek oranda tekrarlanabilir sapmalara neden olabileceğini fark etmek önemlidir. Mikro kanal substrat malzemeleri de fiziksel olarak sağlam, kimyasal olarak hareketsiz ve UV hasarına dayanıklı olacak şekilde dikkatlice seçilmelidir. Örneğin, polidimetilsiloksan (PDMS) kolayca dökilebilir, conta benzeri contalar sağlar ve UV şeffaftır; PDMS, kanalın şeffaf üst kısmı için yararlıdır, ancak daha sertliğe ihtiyaç duyan kanalın kenarları ve alt kısmı için kullanışlı değildir.

Sonuç olarak, sıvı dinamiği simülasyonları tarafından tahmin edilen akış hızlarında uygun şekilde seçilmiş çekirdek ve kılıma sıvılarını tanıtarak, şekillendirme özellikleri uygun akışkan profilini oluşturacak ve aşağı akış UV kürleme lambası tasarlanan polimer liflerini katılaştıracaktır. Polimerize elyafların kanaldan sürekli ekstrüzyonu, sadece sıvı rezervuarlarının hacmi ile sınırlı uzunluklarda tekrarlanabilir lifler sağlayabilir.

Bu protokol, fotoinitiated thiol-yne tıklama kimyası kullanılarak içi boş bir lifin imalatını açıklar. Mikrokanet, kanalın altındaki ve üstündeki şekillendirme özellikleri olarak köşeli çift ayraç oluklarına veya "çizgilere" sahiptir (Şekil 1). Üç sıvı tanıtılır ve eşmerkezli akışlara yönlendirilir; içten dış sıvı akışlarına kadar, bunlar çekirdek, kaplama ve kılım sıvısı olarak adlandırılır. Sadece kaplama akışı içi boş lifi oluşturmak için polimerize edilir. Seçilen malzemeler şunlardır:

1. Çekirdek Sıvısı: PEG (M.W. = 400), ~100 mPa^. sn (20 ºC)
2. Kaplama Sıvısı: Thiol-yne Polimer (PETMP + ODY), Başlatıcı (DMPA)
3. Kılım Sıvısı: PEG (M.W. = 400), ~100 mPa^. sn (20 ºC)

Mikrokanel cihazı, CNC frezeleme ve PDMS dökümü ile üretilen alüminyum ve plastik parçalardan monte edilmiştir. Mikro kanaldaki akış üç şırınga pompası tarafından kontrol edildi.

1. Mikrokanel Tasarımı ve Simülasyon

Mikrokanal içinde hem akışkan hızını hem de konveksiyon/difüzyonu hesaplarken, gelen her sıvıya uygun viskozitenin atanması kritik öneme sahiptir.

1. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımına (COMSOL) aktarılmak üzere istenen mikrokanalin bir bilgisayar modelini oluşturun. Şekil 1'deki örnek Autodesk Inventor CAD yazılımı ile oluşturulmuştır. Aşağıdaki adımlar, bir mikro kanal içindeki sıvı akışının hesaplanması için COMSOL Multiphysics kullanımına atıfta bulunmaktadır.
2. Tasarlanan mikrokananın COMSOL'a ithal edildikten sonra, Yinelemeli sıvı akış hızları Navier-Stokes çözücüye sokulabilir.
   1. Program ayarını başlatın ve 3D Laminar Flow+Convection/Difüzyon Denklemleri'ni seçin. Mikrokanellerde üretilen düşük Reynolds sayıları, cihaz içinde tam laminer akış sağlar.
   2. Sayısal hesaplamaların yapılması için sonlu eleman ağı tasarlayın. Mesh, özelliklerin hızla değiştiği alanlarda daha rafine olmalıdır (küçük bölmelere sahip olmalıdır). Ağın hem şekillendirme özelliğinde hem de çıkışta <1 μm yan uzunluğa kadar rafine edilmesi önerilir. Bu, çekirdek kılıma sıvısı arayüzünün "net" görselleştirilmesini sağlar.
   3. Akışkan akışı için giriş malzemesi özellikleri, yani viskozite, difüzyon sabiti ve konsantrasyon. Şu anda, çıkış akışı için sınır koşullarını da ayarlayın. Açık bir çıkışı simüle etmek için sıfır viskoz stres öneriyoruz.
   4. Bir dizi giriş akış hızı boyunca yinelemeli olarak bisiklete binerek akışkan akışı hızı çalışmalarını hesaplayın. Örneğin, çekirdek sıvı = 7,5 μl/dk, kılım sıvısı = 30 μl/dk.
   5. Mikrokanel akışının konveksiyon/difüzyon özelliklerini çözmek için hız alanı çözümlerini başlangıç değerleri olarak içe aktarın. Konveksiyon/difüzyon problemlerinin çözümü, çekirdek kılıf sıvısı arayüzünü gösterecek ve üretilen nihai sıvı akışının ve lifinin şeklini tahmin etmeye yardımcı olacaktır.

Hesaplama sonuçlarından, istenen fiber şekline elde etmek için gerekli sayıda ve şekillendirme özelliklerinin türü tahmin edilebilir. Akışkan akış hızı girişleri, liflerin üretilmesi için gerekli akış hızlarıyla da ilişkili olacaktır. Bu tahminlerle polimer liflerin ekstrüzyonu için bir mikrokanal cihaz imal edilebilir.

2. Kılıt Akış Aparatı Bileşenlerinin İmalatı

Kılıf akış cihazının bileşenlerini oluşturmak için doğrudan mikromilling, sıcak kabartma ve/veya polimer dökümünün bir kombinasyonu kullanılabilir. Kaynaklara bağlı olarak, stratejiyi buna göre seçin. Sunulan örnek, Bilgisayar Sayısal Kodu (CNC) kullanan doğrudan bir frezeleme işlemidir.  Şekil 2: 1'de gösterilen beş katman vardır (yukarıdan aşağıya). Giriş aynası (alüminyum), 2. Sabitleme plakası (alüminyum), 3. Mikrokanal üst tabaka (döngüsel olefin koalimör, COC veya PDMS), 4. Mikrokanal alt tabaka (COC veya polieter eter ketonu, PEEK), 5. Sabitleme plakası (alüminyum). (Doğrudan frezeleme için örnek dosyalar Destek Bilgileri'nde *.stl biçiminde mevcuttur)

1. COMSOL simülasyonlarıyla uyumlu bir tasarım kullanarak, bilgisayar destekli taslak oluşturma (CAD) aracılığıyla sistemin 3D modelini geliştirin. Cihazın her katmanı için ayrı bir CAD dosyası oluşturun.
2. Bir katman doğrudan mikromilling yoluyla üretilecekse, cihazı üretmek için bilgisayar sayısal kontrollü (CNC) freze tarafından yorumlanacak sayısal kod (NC) oluşturmak için CAD modellerini bilgisayar destekli bir işleme uygulamasına içe aktarın.
3. En az 3,2 mm kalınlığında 30,5 cm × 30,5 cm kurbanlık tabaka malzemelerinden oluşan 5 yaprak elde edin.
4. 30,5 cm × 30,5 cm ve 3,2 mm kalınlığında COC, PEEK, alüminyum ve poli (metilasyonacrylate) her biri 1 yaprak alın.
5. 30,5 cm × 30,5 cm ve 9,5 mm kalınlığında 1 yaprak alüminyum elde edin.
6. 2.4-2.5 adımlarındaki sayfaların her birini çift taraflı yapıştırıcı ile 2.3. En fazla 2,5 cm dış bantlanmamış kenarlık olduğundan emin olun. Bant, frezelenirken iş malzemesini yerinde tutmaya ve frezelenmiş parça değirmen döngüsünün sonunda stok malzemesinden kesildikten sonra korumaya yarar.
7. COC + kurban stoğunu CNC Değirmeni'nin masasına sabitleyin, sayısal kodda (NC) belirtilen araçları yükleyin ve aletleri ve stok (iş) malzemelerini x, y ve z olarak kalibre edin.
8. NC kodunu yükleyin ve COC katmanını frezeleyin.
9. Malzeme tabakasını değirmenden çıkarın ve işlenmiş parçayı substrattan dikkatlice çıkarın. Bu işlem sırasında, freze soğutma sıvısı parçayı ve stoğu doyuracaktır. Parçayı hafifçe çıkarmadan önce iyice durulayın. Hafif bir deterjanla yıkayın, ardından% 70 izopropil alkolle yıkayın. Hafif deterjan yağlı kalıntıları giderir ve alkol artık yapıştırıcıyı giderir. Çapaklar mikro mimarisinde sıkışıp kalırsa, onları yerinden çıkarmak için sonication gerekebilir.
10. Kılım akış aygıtını oluşturmak için kullanılacak diğer katmanların her biri için 2.7 ve 2.9 adımlarını yineleyin.
11. PMMA katmanı dışında, bu noktaya kadar hazırlanan katmanların her biri doğrudan cihazda kullanılacaktır. PMMA, 10 parça Sylgard 184 tabanını 1 parça kürleme maddesi ile birleştirerek ve karıştırarak iyice karıştırarak pdms katmanı hazırlamak için kullanılacaktır. Bu bilgiler, COC katmanlarından birini conta benzeri PDMS malzemesiyle değiştirmeyi tercih eder diye sağlanır.
12. Sylgard 184'ü daha önce hazırlanan PMMA kalıp boşluğuna dökerek hava kabarcıklarının ortadan kaldırılmasını sağlayın. Gerekirse, kabarcıklar bir vakumda çıkarılabilir. PDMS oda sıcaklığında 48 saat, 100 °C'de 45 dakika, 125 °C'de 20 dakika veya 150 °C'de 10 dakika kürlenebilir.

3. Kılıt Akış Aparatı Montajı

1. Bir sabitleme plakasını alta, ardından COC katmanını ve ardından diğer COC katmanını ve kalan sabitleme plakasını(Şekil 2)yerleştirerek kılım akış cihazını aşağıdan yukarıya monte edin. Şekillendirme oluklarının kanalın kenarları boyunca birbiriyle hizalanıp hizalanıp COC katmanlarındaki sıvı şekillendirme geometrilerinin mükemmel bir şekilde üst üste geldiğinden emin olun. Hizalamaya yardımcı olmak için bir diseksiyon mikroskobu kullanılabilir.
2. Cıvataları cihazın ortasına yerleştirin ve cihazı birbirine sıkıştırmak için somunları ve cıvataları elle sıkın.
3. Merkezin solundan sağuna değiştirerek, hizalamayı kilitlemek ve sızıntıları önlemek için 3.2 adımını merkezden dışarı doğru tekrarlayın. Montaj deliklerine ulaşıldığında giriş mandrenini ekleyin ve vidaları alternatif bir şekilde monte etmeye devam edin.
4. Kılım akış cihazını kılım sıvısı ve prepolimer çözeltisi içeren boru ve şırınglara arayüz yapmak için standart HPLC bağlantı parçalarını kullanın. El sıkma tüm bağlantılar için yeterlidir.
5. Cihazı bir halka standı ve kelepçe kullanarak dikey olarak monte edin. Cihazın en üstteki bir düzey kullanarak dikey olduğundan emin olun. Kılım akış cihazı dikey değilse, lif mikrokanel duvarına dokunabilir ve tıkanmaya neden olabilir.
6. UV kaynağını kılıf akış cihazının COC yüzünden dik olarak ~1 cm yerleştirin, böylece mikrokanalın son 3-5 cm'si ışınlanır. UV kaynağı ~200 mW/cm²teslim etmek için kalibre edilmelidir.

4. Çözüm Hazırlama

Daha önce de belirtildiği gibi, benzer protokoller ve kılıf akış sistemleri kullanılarak mikrofiber oluşturmak için birçok malzeme kullanılabilir, ancak burada tiyol-yne kimyası kullanılır. Depolamada zamanla oluşabilecek viskozite artışını önlemek için fiber ekstrüzyon işlemine başlamadan hemen önce prepolimer çözeltisini hazırlayın.

1. Kılıf sıvısı olarak hizmet etmek için bir aliquot polietilen glikol 400 (PEG 400) hazırlayın.
2. 1 ml Luer uçlu bir şırınnayı PEG 400 ile doldurarak sulandırılamaz bir çekirdek sıvısı olarak hizmet edin ve kılım sıvısı olarak hizmet etmek için 30 ml Luer uçlu bir şırınnayı PEG 400 ile doldurun.
3. 0.01 mol pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate (PETMP) ve 0.01 mol 1,7-oktadiyne (ODY) içeren bir prepolimer çözeltisi hazırlayın. İki bileşenin deney boyunca iyi karıştığından emin olun, tüm prepolimer reaktiflerin ortam ışığı da dahil olmak üzere UV ışık kaynaklarına maruz kalmasını en aza indirin(örneğin şırınnaları folyo ile sarın).
4. PETMP / ODY çözeltisini 4 x 10^-4 mol 2,2-disetoksi-2-fenilosetophenon (DMPA) fotoinatörü ile destekleyin. Kapları alüminyum folyo ile kaplayarak çözeltilerin iyi karıştırıldığından ve UV ışığına maruz kalmadıklarından emin olmaya devam edin.
5. 5 ml alüminyum folyo sarılı, Luer uçlu şırınnayı prepolimer çözeltisi ile yükleyin.

5. Mikrofiber Üretimi (Video Odağı)

1. Mikroakışkan kanalın çıkışının toplama banyosundaki bir çözelti ile temas halinde olduğundan emin olun (Şekil 3). Karmaşık yapılar için, toplama banyosundaki çözelti, çekirdek ve kılıfet sıvılarıyla viskozite ile eşleştirilmelidir, ancak basit içi boş lifler için su yeterlidir.
2. Çekirdek, kaplama ve kılıf sıvı şırınna pompalarını sırasıyla 1, 30 ve 120 μl/dak'a demlenmeye ayarlayın. İlgili şırınd çaplarının şırınna pompalarına düzgün bir şekilde girilmiş olduğundan emin olun.
3. Şırınnaları ilgili şırınna pompalarına monte edin ve UV koruyucu Tygon boru ile kılıt akış cihazına bağlayın.
4. Kılım akış cihazını astarlamak ve sistemdeki havayı ortadan kaldırmak için kılım sıvısını başlatın. Mikrokanalı görsel olarak inceleyin, bir sonraki adıma geçmeden önce mikro kanal içinde hava kabarcıklarının kalmamasını sağlayın. Çizgilere özellikle dikkat edin. Mikrokanel muayenesine yardımcı olmak için bir diseksiyon mikroskobu kullanılabilir. Hava kabarcıkları varsa, hava kabarcıklarını cihazdan temizlemek için akış altındayken hafifçe döndürerek ve/veya dokunarak cihazı ajite edin.
5. Kaplama sıvısını başlatın, ayrıca akışın stabilize olmasını sağlar. Bir sonraki adıma geçmeden önce mikro kanal içinde hava kabarcıklarının kalmadığından emin olun. Şekillendirme oluklarına özellikle dikkat edin. Hava kabarcıkları varsa, hava kabarcıklarını cihazdan temizlemek için akış altındayken cihazı ajite edin.
6. Son olarak, çekirdek sıvısını başlatın; yine, kabarcıkların sistemde bulunmadığından emin olun.
7. UV kaynağını açın ve kılıf sıvısı ile dışarı atıldığı için içi boş mikrofiberin(Şekil 4A)sürekli üretimi için toplama banyoyu gözlemleyin. Değiştirilmiş bir spatula veya aşılayan bir döngü kullanarak toplama banyosundan lifi alın ve sürekli lifin motorlu bir makadırda toplanmasına izin verin (Şekil 3).

İçi boş lifler oluşturmak için şekillendirme olukları ve üç çözelti girişi kullanılarak basit bir 2 aşamalı tasarım kullanılmıştır (Şekil 1). COMSOL simülasyonları, istenen kesit boyutunu elde etmek için uygun akış hızı oranlarını belirlemek için kullanılmıştır (Şekil 1, ESI Video). Frezeleme ve kalıplama kombinasyonu, lifleri imal etmek için kılı kılıba akış tertibatı için bileşenler üretti (Şekil 2). Komple montaj kılıfta akış cihazı, fiber optik bağlantılı UV lazer, üç şırıng pompası, bir toplama banyosu (beher) ve bir fiber toplama makarası(Şekil 3)içeriyordu.

Kaplama malzemesinin polimerizasyonu UV ışık kaynağı tarafından başlatıldı ve içi boş lifler mikrokanaldan toplama banyosuna ekstrüde edildi. Lif oluştu ve UV ışığı kapatılana kadar sürekli toplandı. Lif üretimi dakikalarca devam etti ve bir metre uzunluğunda tek bir lif üretti. Bu koşullar altında yapılan liflerin çapı yaklaşık 200 μm'dir. Fiberlerin yapısı optik ve elektron mikroskopisi kullanılarak görselleştirildi. Lifler içi boş bir çekirdeğe sahip oval bir şekle sahipti. Kılcal etki, lifin iç kısmına sıvı ve kabarcıklar sokmak için kullanıldı ve içi boş yapının lifin uzunluğu üzerinde sürekli olduğunu doğruladı (Şekil 4A).

Şekil 1. Kılıfet akış cihazı tasarımı ve COMSOL verileri. Düz oluklu iki bölümlü imalat cihazı, içi boş bir lif üretmek için seçildi (x ekseni 45 ° etrafında döndürüldü). Soldaki COMSOL simülasyonları, çekirdek:kaplama:kılıma akış hızı oranlarının (her simülasyonun altındaki sayılar) içi boş liflerin son boyutunu nasıl etkilediğini gösterir. Mikrokanel kesiti 1 mm x 0,75 mm'dir ve şeritler 0,38 mm genişliğinde ve 250 μm derinliğindedir. Şeritler kanala göre ∠45° seviyesindedir.

Şekil 2. Kılıfi akış tertibatının patlatılmış görünümü. Yukarıdan aşağıya, (A) giriş mandreni, (B) sabitleme plakası, (C) mikrokanel kapağı, (D) mikrokanel tabanı, (E) sabitleme plakası. Bileşenler sırasıyla alüminyum, alüminyum, COC (veya PDMS), COC (veya PEEK) ve alüminyumdan üretilmiştir. Düzenli aralıklı delikler montaj vidalarını barındırır.

Şekil 3. Düzen fotoğrafı ve şematik genel bakış. Kurulum, su banyosu içeren beher üzerine dikey olarak sabitlenmiş kılım akış tertibatı, fotopolimerizasyon için fiber optik lazer, üç şırıngam pompası ve polimer lifleri toplamak için mil içerir. Inset, UV aydınlatmalı imalat tertibatlarını gösterir. (A) Kılıf ve çekirdek girişleri, (B) mikroakışkan kanal, (C) UV ışığı, (D) toplama rezervuarı, (E) polimerize lif toplanmaktadır.

Şekil 4. Hidrodinamik odaklama kullanılarak yapılan liflerin optik ve taramalı elektron mikrografi görüntüleri. Lifler hidrodinamik odaklama kullanılarak aşağıdaki şekillerde imal edilmiştir: (A) İçi boş tüpler, (B) Dikdörtgen şeritler, (C) İnce elastik kurdeleler, (D) Üçgenler, (E) Barbunyalar, (F) İnci dizisi, (G) Gömülü karbon nanofiberli yuvarlak lif ve (H) Çift bağlantılı şekilli. Lifler akrilatlar, metakrilatlar ve tiyol-enes dahil olmak üzere çeşitli malzemelerden yapılmıştır.

ESI Video. COMSOL Multiphysics'te üretilen dilim çizimi, mikrokanallerin bir yarısını çekirdek, kaplama ve kılıf sıvılarının cihaza girdiğini ve iki aşamalı akış değiştiren çapraz şeritli oluklardan geçiş yaptığını tasvir eder. Simüle edilen çekirdek, kaplama ve kılım akış hızları sırasıyla 1, 28 ve 256 μl/dk'dır. Video gerçek zamanlı olarak ~6 sn'yi temsil eder, açıklayıcı amaçlar için 6 kat yavaşladı.

Referanslarda listelenen patentler Deniz Kuvvetleri Bakanlığı'ndan(http://www.nrl.navy.mil/doing-business/tech-transfer/)lisans alınabilir.