Yöntem makalesi

Asma Micron / Sub-mikron Ölçeği Fiber Yapıların 3-D Doğrudan Yazma Robotik Dağıtım Sistemi aracılığıyla Prescribed

9.6K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/52834

⸱

12 Haziran 2015

 ,  , 
1Bioengineering Department, University of Louisville

Bu makalede

Özet

Burada, biz 3 eksenli dağıtım sistemi vasıtasıyla otomatik direkt yazma prosedürü yoluyla üretilen özgürce askıya mikron / alt mikron ölçekli polimer lifler ve "web-like" yapılar imal etmek için bir protokol mevcut.

Özet

Dağıtım yazılımı aracılığıyla başlangıç ve sonlandırma fiber konumlarını ve yörüngesini kontrol etmek için 3 eksenli bir dağıtım sistemi kullanılır. Polimer elyaf uzunluğu ve oryantasyonu, dağıtım sistemi 3 eksenli aşamaların uzamsal konumlandırılması ile tanımlanır. Elyaf çapı, dağıtım sistemi valfinin öngörülen dağıtım süresi, besleme hızı (aşamanın bir başlatma konumundan sonlandırma konumuna geçme hızı), dağıtım ucunun gösterge çapı, polimer çözeltisinin viskozitesi ve yüzey gerilimi ve programlanan çekme uzunluğu ile tanımlanır. Aşama besleme hızı, polimer çözeltisinin buharlaşma hızını ve filamentlerin kılcal parçalanmasını etkiler. Dağıtım sistemi, bir pnömatik valf kontrolörü, bir damlacık dağıtım valfi ve bir dağıtım ucundan oluşur. Faktörlerin optimum kombinasyonunu belirlemek için doğrudan yazma işleminin karakterizasyonu, istenen fiber çapı aralığının tekrar tekrar elde edilmesine yol açar. Bu robotik dağıtım sisteminin avantajı, otomatik proses kontrolü ile istenen, programlanmış bir konuma hassas bir mikron/mikron altı elyaf aralığı elde etme kolaylığıdır. Burada, tartışılan kendinden montajlı mikron/mikron altı ölçekli 3D yapılar, mikron/mikron altı akışkan cihazlar ve biyomühendislik iskeleleri oluşturmak için asılı yapıları imal etmek için kullanılmıştır.

Giriş

Son birkaç on yıl gibi ıslak eğirme, kuru eğirme ve elektrospinning olarak fabrikasyon teknikleri, çeşitli boyunca, çeşitli ve biyolojik sağlam, kimya, elektrik ve mekanik özelliklere sahip yeni polimer 1-12 lif yapılarını oluşturmak için istihdam edilmiştir. Bu eğirme teknikleri üç boyutlu lifler süspansiyon üretme yeteneğine sahiptir, ancak, bunlar, bu işlemler vasıtasıyla elyaf birikim doğada rastgele olduğundan tam olarak üç boyutlu lif yönünü kontrol etmek için yetenekleri açısından sınırlıdır. Buna ek olarak, bu teknikler, elyaf üretimi için boyutsal aralığında sınırlıdır; nanometre onlarca tek mikron ila 13 arasında değişen çaplara sahip verim fiberleri Elektrospinning ise özel olarak ise, kuru ve ıslak eğirme ile üretilen elyaf, onlarca mikron yüzlerce çapı değişebilir.

3 boyutlu uzayda lif oryantasyonu daha hassas kontrol sağlamak için, bizim grup kendini geliştirdi-assemble veya doğrudan daha sonra içi boş kılcal dışında bir polimerik malzeme çıkarır ve "doğrudan-yazma" lif üretim süreci yüzey gerilimi odaklı akışkan mekaniği 14 sömürerek öngörülebilir lif çapları içine katılaşmaya ince ve bireysel filamentler çizer. Lif konumu ve çapı kontrol seviyesini artırmak için Bizim ilk doğrudan yazma sistemi Ultra Yüksek Hassas micromilling Makinası (Şekil 1) yapılmış bir özel başkanına bağlı bir özel fabrikasyon yaylı şırınga dağıtım sistemi oluşuyordu. UHPMM X ve Y yönlerinde 1.25 nm ve programlı mikron ve alt mikron ölçekli teller ve yapılar oluşturmak için kontrol edildi Z yönünde 20 nm'lik bir konumsal çözünürlüğe sahip bir sahne vardı. Bu özel direkt yazma sisteminin bir sınırlama iğne ucu sayesinde polimer çözeltisinin akış kontrol eksikliği oldu. Yaylı dağıtma sistemi başarıyla sabit flo oluşturulan rağmenucundan w, polimer çözeltisinin sürekli genişleyen küresel boncuk çevresel koşullara bağlı olarak boyut ve hacim olarak değiştirilebilir şırınga ucu, bir çıkış oluşturulmuştur.

figure-introduction-1
Şekil Ultra Yüksek Hassasiyetli micromilling Makine 1. Resim:. Mikron / mikronaltı ölçekli yapılarını imalatı kullanılan ilk doğrudan yazma sistemi bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Bu kaynak boncuk tutarsızlığı art arda reçete çapta telleri imal sistemin yeteneğini etkiledi. Yapıların başarılı bir şekilde, bu doğrudan yazma işlemi kullanılarak elde edilmiştir de olsa, polimer çözeltisinin akış kontrol artırarak sürecinin artırılması fazla taşlı izin verecektirse, şırınga ucunda boncuk boyutu düzenlenmesi yoluyla lif çapları reçete. Böylece, bu çalışma tam reçete oluşturmak için polimer çözelti akış hızı ve uç boncuk boyutunu kontrol etmek için pnömatik olarak çalıştırılan dağıtıcı vana, mikron / alt-mikron asılı yapılar ile 3 eksenli otomatik dağıtım sisteminin uygulanmasını açıklar.

Protokol

1. Ekipman Set-up

  1. 2.45 ul / dk'lık bir akış oranında, iğne ucundan polimer çözeltisinin dağıtılması için 15 psi basıncı ayarlamak için, bir basınç regülatörü aracılığıyla dağıtım sistemi kurma ve pnömatik kaynağına valf kontrolörü ve şırınga haznesinin bağlayın.
  2. Istikrarlı bir çalışma ortamı (Şekil 2) sağlamak için termal kasasına 3-eksenli robot ve dağıtma sistemi takın.
  3. Sistem üreticisi tarafından sağlanan Ortak Robot Kontrol Noktaları (JR-C Points) yazılımı yükleyin ve seri haberleşme portu üzerinden bilgisayara 3-eksenli robot bağlayın.
  4. 3-eksenli robot vana dağıtımı monte edin ve vananın üzerine iğne ucu takın.
  5. Valf ucu 15 yüksekliğine göre düzlüğü sağlamak için üreticinin talimatlarına göre robotik sahne plakasını Seviye.
  6. Çevre denetimi eklemek için muhafaza içinde bir geri besleme kontrollü ısıtıcı monte edin.
içerik "fo: keep-together.within sayfa =" always "> figure-protocol-1
Şekil 2. (A) bir muhafaza içinde bulunan gerekli aksesuarlarla robotu dağıtım 3-Eksen; ve, (B) görselleştirme için takılı USB mikroskop ile dağıtım vanasının görüntüyü kapatın. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

2. Deneysel Malzemeler ve Kontrol Faktörler

  1. Faktörleri ve bunların kombinasyonunu kontrol eder.
    1. JR C-Puan yazılım tarafından,% 100 (500 mm / sn) kadar% 1 hızında (5 mm / sn) den besleme hızı değişir. Bu uygulama için, imal etmek% 2 hızı (10 mm / sn) kullanın lif yapıları bu çalışmada sundu.
    2. Gerekli olan belirli viskozite, yüzey gerilimi ve oynaklık parametrelerini elde etmek için polimer çözeltisi konsantrasyonunu Varyistenen uygulama için. Bu uygulama için, bu çalışmada sunulan elyaf yapıları imal etmek için Klorobenzen çözeltisi içinde% 24 polimetilmetakrilat (PMMA) kullanın.
    3. Pnömatik hava yoluyla çözüm çıkartmak için 0.02 sn sn 1 ila kontrol vanası dağıtım süresini Vary. Bu uygulama için, bu çalışmada sunulan fiber yapıları imal etmek için 0.02 sn kullanın.
    4. Polimer çözümleri dağıtmak için yüksek hassasiyetli iğne uçları bir göstergesi boyutunu seçin. Bu uygulama için, bu çalışmada sunulan fiber yapıları imal etmek için bir 30 G (iç çapı (ID) = 152.4 mikron) ucu kullanın.
    5. Polimer numunesi sabit bir buharlaşma oranı sağlamak için, termal olarak yalıtılmış kutuda 100 ° F ile 70 ° F arası sıcaklık aralığı ayarlayın. Bu uygulama için, bu çalışmada sunulan elyaf yapıları imal etmek için 70 ° C arasında bir sıcaklık kullanılır.
  2. Polimer çözeltilerinin hazırlanması.
    1. Karıştırmakpolimetil metakrilat polimer reçineleri (PMMA; 0.72 g), bir kimyasal sıvı başlık altında çözücünün klorobenzen (2.28 g) eklenmiştir.
    2. Çözelti içinde polimer arzu edilen konsantrasyonu sağlamak için polimer (PMMA) ve bir çözücü (klorobenzen) ağırlığını hesaplamak. Bu uygulama için, bu çalışmada sunulan elyaf yapıları imal etmek için Klorobenzen çözeltisi içinde% 24 polimetilmetakrilat (PMMA) kullanın.
    3. Bu uygulama için. Polimer tozu / cam şişenin içine reçine istenilen miktarda yerleştirin PMMA ve% 24 oranında bir konsantrasyon elde etmek için PMMA reçine 0.72 g kullanın.
    4. 3 g toplam ağırlık elde edilinceye kadar pipetle şişe içindeki polimer üzerine solvent aktarın.
    5. Bir vorteks karıştırıcı kullanılarak 1 dakika için karıştırın ve şişeye ultrasonik tamamen polimer tozu / reçine çözmek için 5 saat boyunca bunları işlemek.
    6. Berrak kadar ses dalgalarına maruz devam numuneye herhangi bulutluluk veya opaklık varsa, çözümlerin şeffaflık kontrol ediniz.
  3. Polimer çözeltilerinin viskozitesi ölçümü.
    1. Koni ve plakalı viskometre ile Ölçü çözeltisi viskoziteleri (ör LVDV-II ve RVDV-II +), 16.
    2. Yük viskozite ölçümlerinden hataları en aza indirmek için viskometre kalibre viskometre üreticisi tarafından sağlanan bilinen viskozitesi, standart numune (bir gliserin bazlı ve su karışımı), 0.5 mi. Üretici viskozimetre kalibre etmek için standart numunelerin çeşitli sağladı. 100,000 cP viskoziteye sahip gliserin bazlı standart numune kullanılır.
    3. Sabit bir çalışma sıcaklığında deney sıvısını korumak için Viskozimetre su ceketi bağlayın.
    4. Milin dönüşünü başlatmak için Açık konumuna On / Off anahtarı hareket ettirerek test sıvısı ölçümü başlatın. Gösterge panelinde tork değeri stabilize edildikten sonra, tork kaydetmek ve milin 1 tork, iğ çarpan sabiti ve hızı arasındaki ilişkiyi kullanarak nihai viskoziteye hesaplamak6
      figure-protocol-2
      viskozite nerede, RPM koni yapıştırılmış mili hızı, TK (LVDV-II +, RVDV-II + için 1 için 0,09373) tork olduğunu, SMC viskozitesi sırasında kullanılan belirli mili bağlıdır mili çarpan sabiti ölçümü. Bu çalışma için, CP-52 mili 9,83 spindle çarpanı sabit olan kullanılmıştır.
  4. Polimer çözeltilerinin yüzey gerilimi ölçümü.
    1. Ölçüm yöntemi Wilhelmy tekniğidir. 14
    2. Yüksek çözünürlüklü dengesi (ölçek çözünürlük = 0.001 g) üzerinde, bir cam şişe içinde, 1 ml test çözeltileri yerleştirin. Test çözeltileri, bilinen bir çapa sahip bir cam çubuk batırın.
    3. Yüzeye dokunmamaya ve kısmen sıfır temas test çözümlerine sokmak için bir servo veya step kontrollü lineer aktüatör aracılığıyla çubuk pozisyonunu kontrol edin.
    4. Monitör ve zaman dengesine kitle ölçüm değişikliği kaydetmekÇözelti yüzeyinden çubuk çıkarılması.
    5. Kuvvet değişikliği, çubuk üzerinde sıvı çubuk ve temas açısı çevresi ile yüzey gerilimini hesaplayınız.
      figure-protocol-3
      , θ sıvının temas açısı çubuk üzerinde çubuğun ıslatılmış çevre (L = çapı 10.05 mm = 3.2 mm) olduğu yerde, K çubuğun ucu üzerine deney akışkanının yüzey gerilimi nedeniyle güç değişimdir.
  5. Çözeltilerinin kütle transfer katsayısı ölçümü.
    1. Termogravimetrik analiz ile polimer çözeltilerinin kütle transferi katsayılarını ölçün. 14
    2. Denge darası önce bir platin plaka üzerine% 24 (ağırlık olarak), PMMA, polimer çözeltisinin yük 30 ul.
    3. Bölme, programı hedef çözümleri kitle izlemek için 2 saat süreyle istenen çalışma sıcaklığına (70 ° F) çalıştırmak için cihazı havalandırın.
    4. Solüsyonun kütle değişikliklerden kütle transferi katsayılarının hesaplayın,çözelti / hava ara-yüzü ve yoğunluk alanı.
      figure-protocol-4

      m (t), PMMA çözeltilerinin kütle olduğu, bir çözelti / hava ara alanı (standart plaka için 78.5 mm 2 eşittir), mPOLYMER çözelti içinde polimer kütlesi olup çözeltisinin yoğunluğudur.

3. Doğrudan yaz Deney Prosedürü

  1. Sistem numune yükleme protokolü Dağıtım.
    1. Yük bir şırınga ağzına polimer çözeltisinin 3 mi tutarsız pnömatik basınç dağılımı ortadan kaldırmak için bir şırınga pistonu yerleştirin.
    2. , Şırınga varil üzerinde giriş hat adaptörünü çevirin kaynak hattı, hava tüpüne bağlayın.
    3. Deney gerçekleştirmek için hassas iğne ucu istenilen ölçü boyutunu seçin.
    4. Dağıtım denetleyici panelinde, devleti tasfiye ve tıklayın geçmek "döngüsü" butonuna yani polimer ile dağıtım vanası doldurmak içindökülmesinden kadar iğne ucundan taburcu edildi.
    5. Programlanmış bir lif yazma prosedürü hazırlanmasında ucundan kalan polimer solüsyonu silin.
  2. 3-eksenli robot ve dağıtım sistemi ile doğrudan yazma polimer lifler.
    1. Reçete mikro / mikronaltı elyaf yapısının başlangıç ​​noktasına varsayılan giriş pozisyonundan dağıtma iğne ucu yeniden konumlandırmak için ofset robot evresini belirlemek çizilecek. Z ekseni boyunca çevirir dağıtma sistemi vana dirsek, bir USB mikroskop (büyütme = 200X) monte edin. El ile tam istenilen yere, prefabrik alt tabakaya ya da cihaza valf ucu konumlandırma asist USB mikroskop odaklanarak düğmeyi ayarlayarak dağıtıcı ucu odaklanın.
    2. İstenen lif yapısı deseni (Şekil 3A, 4A ve 5A) CAD yazılım paketi kullanarak tasarım / oluşturun. Robo Girdi mekansal koordinatları (x, y, z)t JR-Cı CAD programı (Şekil 3B, 4B, 5B) içinde oluşturulan istenilen desen ile ilgili olarak, sıralı bütün başlatma ve bitirme noktası için kontrol yazılımı. 15
    3. JR-C yazılımı 15 içinde Robot menüsü altında "C & T Verileri Gönder" linkine tıklayarak robot bilgisayardan tamamlanmış lif yapısı tasarım programı aktarın.
    4. Yük 3 şırınga varil, boşaltma vanası ve iğne içine bilinen konsantrasyonda (% 24) PMMA çözümü örnek ml set yazılım kontrol vanası kontrolörü ve robot için tüm dağıtım parametreleri.
    5. Robot sahne merdane üzerine prefabrik substrat yerleştirin polimer çözeltisinin kararsız buharlaşmasını uyarabilir ortam hava akışını önlemek için termal muhafaza kapılarını kapatın.
    6. JR-C yazılımı robot menüsünü tıklayıp seçerek alt tabaka üzerine lifleri yazmaya başlayın "test çalışan" 15.
    7. DC püskürtme kaplama altın 2 nm kalınlığında bir tabaka kadar, 2 dakika süre ile iletken bir altın metal tabakası, taramalı elektron mikroskobu liflerin görüntülenmesine olanak vermek üzere çekilen liflerin üzerine yatırılır.
    8. Taramalı elektron mikroskobunda 17 aracılığıyla elyaf çapını yapısı ve ölçün. Mikroskop parametreleri: Yüksek gerilim seviyesi: 2.00 kV; Amaç: InLens, Çalışma Mesafesi (9.0 mm).
  3. Bir kimyasal akış kaputu altında dağıtma sistemi temizleme işlemini gerçekleştirin.
    1. Temizleme işlemi gerçekleştirmek için bir kimyasal akış kaputu dağıtım sistemini yerleştirin.
    2. Üreticinin protokolüne göre iğne valfı ayırın.
    3. Tüm parçaları dalmış kadar behere aseton dökün, bir behere tüm metal parçaları yerleştirin.
    4. Tüm polimer kalıntıları çıkarmak için 30 dakika boyunca ultrasonik bir banyoda behere koyun.
    5. Akan DI su altında tüm parçaları durulayın, daha sonra kuru onları uçurmak için hava tabancası kullanın.
    li>

figure-protocol-5
10 mm x 10 mm çerçeve üzerinde tasarlanmış "dörtlü" web yapısının Şekil 3. (A) Örnek, (B) JR-C noktası yazılımı içine girilen üzere sıralı noktadan-noktaya mekansal talimatları. Bir görmek için buraya tıklayınız Bu rakamın büyük bir sürümü.

figure-protocol-6
Şekil 10 mm x 10 mm çerçeve üzerinde tasarlanmış "simetrik" web yapısının 4. (A) Örnek, (B), sıralı noktadan noktaya mekansal talimatlar JR-C noktası yazılımı içine girilen edilecek."blank> Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-protocol-7
10 mm x 10 mm çerçeve üzerinde tasarlanmış "ikili zigzag" web yapısı, (B) sıralı noktadan noktaya mekansal talimatlar Şekil 5. (A) Örnek JR-C noktası yazılımı içine girilen edilecek. görmek için buraya tıklayınız Bu rakamın büyük bir versiyonu.

Sonuçlar

Şekiller 3-5a ve yukarıdaki B tanımlanan ilgili tasarımları ve JR Cı-nokta algoritmaları her biri için, 3-eksenli bir robot ve doğrudan yazma yöntemi ile üretilen gerçek yapıları görüntüleri Şekil 6A, 7A ve 8A'da gösterilmiştir. Elde edilen görüntülerde görüleceği üzere, üç-boyutlu, serbest asılı liflerin kesin noktalarını ve kesişme noktalarını sonlandırma / başlatma dahil olmak üzere reçete mekansal konumlara dağıtıcı ucu işleyerek substratlar üzerine başarılı bir şekilde "yazılı" olmuştur. Bu rakamlar takmalar tam 3 boyutlu uzayda lif oryantasyonu (Şekil 6B, 7B ve 8B) kontrol etme sistemin yeteneğini göstermek askıya liflerin, kesişme noktalarını büyütmek.

figure-results-1
Şekil 6 (A) 'Op tek bir çatallı lif (289X büyütme (B) SEM görüntüsünü (Ölçek çubuğu = 1 mm 15X optik büyütme); askıya web yapısı 2 destek lifleri (çapraz) ve 12 çatal dallı PMMA lifleri olan uydurma "quad" nin kortikal görüntü ölçeği bar = 100 um). Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-2
Şekil 7. (A) 1 destek fiber (yatay) ve 11 çatal dallı PMMA lifleri olan uydurma "simetrik" askıya web yapısının Optik görüntü, tek bir çatallı bir (15X optik büyütme ölçek çubuğu = 1 mm), (B) SEM görüntüsü lif (107X büyütme, ölçek çubuğu = 100 mikron).52834fig7large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-3
(; Ölçek çubuğu = 1 mm 15X optik büyütme), (B) tek SEM görüntüsünü Şekil 8. (A) fabrikasyon "ikili chevron" Optik görüntü 1 destek fiber (yatay) ve 22 çatal dallı PMMA lifleri olan web yapısı askıya çatallı lif. (80X büyütme, ölçek çubuğu = 100 mikron) bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 9 görüntüler 3-eksenli robot ve dağıtım sistemi serbestçe asılı web benzeri yapılar üretebilir hangi lif üretimi sıralı noktadan-noktaya düzenin görünümü kadar kapatın. p sayılarla görüntülenen olymer temas noktaları yukarıda Şekil 3B başvurulan JR-C yazılımı programlı başlatılması ve sona noktalara gelmektedir. oklar robot yörüngesini temsil etmektedir. farklı boyutlarda telleri imal doğrudan yazma sistemin becerisini göstermektedir 10 görüntüler mikron ve mikron altı polimer lifler, Şekil.

figure-results-4
Mikron ve mikron altı polimer lifler (29x büyütme, ölçek çubuğu = 200 mikron) çizmek için sıralı noktadan-noktaya imalat siparişi gösteren Şekil 9. SEM görüntüsü. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

2834 / 52834fig10.jpg "/>
Şekil 10. SEM mikron (6.5 mikron) ve alt mikron (555 nm)% 20 konsantrasyon PMMA polimer çözeltisi kullanılarak çizilen liflerin görüntüsü. (2,270X büyütme, ölçek çubuğu = 2 mikron) tıklayınız daha büyük bir versiyonunu görmek için Bu rakam.

Polimer elyaf uzunluğu ve çapı, taramalı elektron mikroskobu kullanılarak ölçüldü. Tablo 1, çatallı dal elyaflar ve destek liflerine karşılık gelen, yukarıda Şekiller 6-8 sunulan her bir eşsiz yapısı için ortalama tel çapı gösterir. Tablo 2'de ölçüldü polimer parametreler Yukarıda belirtildiği yapılar imal etmek yararlanılmıştır% 24 PMMA çözümleri.

Şekil 6'da yapı çapı Şekil 7'de yapı çapı Şekil 8'de yapı çapı
Destek lifler 8.65 ± 1.43 mikron 9.39 ± 1.23 mikron 9.31 ± 1.65 mikron
Şube lifler 20.96 ± 3.35 mikron 15.92 ± 1.44 mikron 12.24 ± 5.42 mikron

% 24 PMMA çözümü için Şekil 6-8 gösterildiği asılı destek ve şube liflerin Tablo 1. Ortalama çapları.

% 24 PMMA
Viskozite (Pa * sn) 35.19
Yüzey Gerilimi (mN / m) 262,01
Kütle Transferi Katsayısı (m / sn) 8.59 x 10 -8

Bu çalışmada sunulan fiber yapıları imal etmek yararlanılmıştır% 24 PMMA çözümleri Tablo 2. Polimer parametreleri.

Tartışma

Her bir deneme başlamadan önce, polimer çözeltilerinin viskozitesi, kütle transferi katsayıları ve yüzey gerilimi testi doğru robotu ve dağıtma sistemi istenen polimeri işleme kapasitesine sahip olup olmadığını tespit etmek amacıyla ölçülebilir kritik öneme sahiptir. Bizim grubu ile, daha önce tarif edildiği gibi, polimer çözeltileri, yeterli muhafaza etmelidir: 1) yüzey gerilimi mikron / alt-mikron yapılarına sıvı filaman oluşumunu sağlamak için; 2) viskozite kılcal kırmak dayanacak şekilde; ve, 3) buharlaşma oranı lif katılaşma 18 artırmak için. Bu parametreler arasındaki sinerji başarılı çap belirlenen bir aralık içinde elyafın üretilmesi için bir anahtardır. Aynı zamanda, bu parametrelerin bir istikrarsızlık mikron / alt mikron çaplı elyafların oluşmasını engeller. Lif imalat sırasında bu parametreler arasındaki sinerjiyi korumak için, iğne ve iğne vana iyice doğrudan-yazma s sonra temizlenir sağlamak için önemlidirönlemek için Ession: çözeltinin 1) kirlenmesi; 2) iğne boyunca bir polimer çözelti akış hızında bir azalma; ve iğne ucu polimer boncuk, 3), aşırı büyümesi. Buna ek olarak, ısıtıcı sıcaklık kontrol cihazı, bir polimer çözeltisinin sürekli bir buharlaşma oranını korumak için istenen sıcaklığa ayarlanmış olması gerekir.

çatallı kol lifler, Şekil 6-8 destek yapıları daha çapı% 41,% 24 daha büyük,% 59, sırası ile,% 24 PMMA çözeltisi kullanılarak. Bu lifler çizilir hangi mesafeye öncelikle kaynaklanmaktadır. Özellikle, destek yapıları alt-tabakanın tüm eni boyunca çizilen (X ve Y yönlerinde 10.0 mm; çapraz 14.4 mm). Bunun bir sonucu olarak, bu genel olarak süspanse yapıların uzun elyaflardır. çatallı dal yapıları aşağı 2,5 mm 7 mm maksimum uzunluk arasında değişen ölçüde kısadır. Bu kısa elyaf çekme uzunluğu hayır yokt etkin küçük çaplı elyafları üretmek için fiber inceltme işlemi sırasında gerekli olan elyaf suşu neden olur. Öte yandan, daha büyük çaplı teller etkin bir çatallı dal çekme işlemi sırasında uyarılan römorkörcülük ve deformasyon sürdürmek için destek lifleri olarak hizmet için gereklidir. Çatallanma dalları destek lifleri boyunca çizilir gibi, destek lif geometrisinin bir biçimlenme nedeniyle solvent mevcut çizim güçlerinin yanı sıra destek arasındaki arayüzde PMMA polimer lokalize çözülme ve dallı lifleri oluşabilir Polimer çözeltisi. Bu nedenle, bazı durumlarda, destek elyaflar daha büyük bir çapa ve mekanik olarak daha güçlü elyafın üretilmesi için bir polimer, daha yüksek bir konsantrasyon içeren bir polimer çözeltisinden imal edilmesi gerekebilir.

Bir desteğin daha geniş ve dallı lif üretmek için mevcut protokol değiştirerek öncelikle üç etkili yöntemler vardırçapları: 1) başlangıçta büyük bir iğne ucundan polimeri dağıtmak (örneğin, 25 G; Kimliği = 254 mikron) desteği lifleri oluşturmak ve daha sonra küçük bir iğne ucu (örneğin, 32 G alışverişi, kimliği = 101.6 mikron) imal etmek Daha küçük dallı lifler; Yukarıda belirtildiği gibi 2), birden fazla polimer konsantrasyonlarının kullanılması; ve yani / veya, 3) ayarlamak ilerleme hızı, besleme hızı küçük çaplı lifleri üreten artırılması ve besleme hızı azalan nerede sahne, erişir hangi hızda geniş çaplı lifleri oluşturur. Bugüne kadar, başarılı bir şekilde 90 nm kadar küçük lifleri imal etmek mümkün olmuştur; Ancak, bu boyutta fiber verim nedeniyle kılcal dağılmasından düşüktür.

Otomatik doğrudan yazma işleminin bir sınırlama polimer çözeltisinin sadece bir konsantrasyonu, bir anda tevzi edilebilir olmasıdır. Bu gerek kalmadan geliştirilecek askıya yapıların karmaşıklığı düzeyi kısıtlar: 1) robota ikinci bir dağıtım vanası ekleyin;veya, 2) Mevcut valfini çıkarın ve ek zaman alır ikinci polimer solüsyonu, dağıtım öncesi temizlik protokolü (Kısım 3.4) gerçekleştirin. İkinci sınırlama sistemi ulaşma yeteneğine sahiptir maksimum ilerleme hızı 500 mm / sn olan ilerleme hızı (ya da baskı hızı) 'dir. Ancak, besleme hızı ve lif oluşumu arasında bir tercih söz konusudur. Atalet kuvvetleri (besleme hızına bağlı kuvvetleri) yüzey gerilimi kuvvetlerinin ve polimer çözeltisinin bir buharlaşma hızına daha büyük olan özel olarak, fiber oluşumu oluşmaz. Besleme hızı çok düşükse, diğer yandan, lifler, önce, ve uzama işlemi sırasında aşırı buharlaşma kırılma olacaktır. Üçüncü olarak, elyaf yapısı ve boyutları sırasıyla x, y ve z istikametlerinde robotun aşamasında çalışma aralığında, örneğin, 200 mm, 200 mm ve (10 um konumsal bir doğrulukla) 25 mm ile sınırlıdır. Bununla birlikte, bu süreç (fiber l yüksek en boy oranı oluşmasını sağlayacak yokength: çap) elyafları olabilecektir. Stratejik yüksek karmaşıklık serbestçe asılı yapılarını oluşturmak için yeteneği oluşturma, dağıtma uç boyutu ve daha geniş bir lif çapı aralığı için izin verecek polimer çözeltisi konsantrasyonunu değişen.

Yukarıda belirtilen protokoller izlenerek, mikron ve mikron altı çapı polimer lifleri başka, ıslak, kuru ya da Elektrospinning işlemler ile kontrol edilemez Polimer çözeltilerin yüzey gerilimi tahrik edilen akışkan mekaniği, yararlanarak aralıklı kontrolünün yüksek düzeyde elde edilebilir . Önceki çalışma 8,19, biz bu tekniğin karmaşık mikro / submikron akışkan cihazlar 19 ve biyomühendislik iskeleleri 8 imal etmek için kullanılabilir olduğunu biliyorum. Bu ucuz ve kolay bir tekniktir birçok yönden geleneksel planya fabrikasyon yöntemleri üzerinde kendi avantajları vardır.

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Teşekkürler

Bu çalışma NSF-EPSCoR (hibe #0814194) ve Biyomühendislik Bölümü tarafından desteklenmektedir.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
ROBOT DR2203N 3 EKSEN 200MM X 200MMNordson EFD70231453 Eksenli Robot
Kontrol Cihazı 7100, DAĞITIM VANASINordson EFD7015340Valf Kontrol Cihazı
MİKRODOT VALFNordson EFD7021233Microdot Vana
ROBOT ACC FİKSTÜR PLAKASI 200MMNordson EFD7028276Fikstür Merdane
ROBOT ACC DRN / DSRN NOKTALARI SOFTWARNordson EFD7023144JR-C Yazılımı
ROBOT MONTAJ VANASI UNIVERSALNordson EFD7028273Microdot Valf Montajı
15 PSI BARREL PRESS. REGÜLATÖRNordson EFD7020585Namlu Regülatörü
KİTİ O BRL/PIST 5CC CL/WH 40Nordson EFD70120965CC Pistonlu Variller
ADAPTÖR ASM O 5CC BLNordson EFD7012054Pnömatik Namlu Adaptörü
İPUCU 30GA .006X.25 LAVNDR 50PCNordson EFD701842430 gauge İğne Ucu (0.250 "uzunluk)
Elektrikli Süpürgelik Isıtıcı (500 ve nbsp; W, 30 "uzunluk)Cadet2F500
Zamanlayıcı Kontrol Şirketi ile Isıtıcı Sıcaklık Kontrol130726596Sıcaklık Kontrol Cihazı
eScope USB Mikroskop OiTezDP-M02200X USB Mikroskop
Poli (metil metakrilat)Aldrich182265-500GPMMA Toz
KlorobenzenSigma Aldrich284513PMMA'yı çözmek için çözücü
Cihazı

Kaynaklar

  1. Andrew, K. E., Glenn, D. P., Simon, M. C., Dietmar, W. H. Combining Electrospun Scaffolds with Electrosprayed Hydrogels Leads to Three-Dimensional Cellularization of Hybrid Constructs. Biomacromolecules. 9 (8), 2097-2103 (2008).
  2. Cho, S. M., Kim, Y. J., Kim, Y. S., Yang, Y., Ha, S. -C. The application of carbon nanotube-polymer composite as gas sensing materials. Sensors. Proc. of IEEE. 2, 701-704 (2004).
  3. Xu, F., Horak, P., Brambilla, G. Optical microfiber coil resonator refractometric sensor. Optics Express. 15 (12), 7888-7893 (2007).
  4. Dalton, P. D., Joergensen, N. T., Groll, J., Moeller, M. Patterned melt electrospun substrates for tissue engineering. Biomed. Mater. 3 (3), 034109(2008).
  5. Hadjizadeh, A., Doillon, C. J., Vermette, P. Bioactive polymer fibers to direct endothelial cell growth in a three-dimensional environment. Biomacromolecules. 8 (3), 864-873 (2007).
  6. Xu, C. Y., Inai, R., Kotaki, M., Ramakrishna, S. Aligned biodegradable nanofibrous structure: a potential scaffold for blood vessel engineering. Biomaterials. 25 (5), 877-886 (2004).
  7. You, Y. M., Lee, B. L. eeS. J., Lee, T. S., Park, H. In vitro degradation behavior of electrospun polyglycolide, polylactide, and poly(lactide-co-glycolide). J. Appl. Polym. Sci. 95 (2), 193-200 (2005).
  8. Berry, S., et al. Endothelial cell scaffolds generated by 3D direct writing of biodegradable polymer microfibers. Biomaterials. 32 (7), 1872-1879 (2011).
  9. Dalton, A. B., et al. Super-tough carbon-nanotube fibres. Nature. 423, 703(2003).
  10. Dalton, A. B., et al. Continuous carbon nanotube composite fibers: properties, potential applications, and problems. J. Mater. Chem. , 1-3 (2004).
  11. Sperling, L. H. Introduction to physical polymer science. , Wiley. 325-347 (1992).
  12. Harfenist, S. A., et al. Direct drawing of suspended filamentary micro- and nanostructures from liquid polymers. Nano. Lett. 4 (10), 1931-1937 (2004).
  13. Yang, R. R., He, J. H., Xu, L., Yu, J. Y. Bubble-electrospinning for fabricating nanofibers. Polymer. 50 (24), 5846-5850 (2009).
  14. Berry, S., et al. Characterization and modeling of direct-write fabrication of microscale polymer fibers. Polymer. 52 (7), 1654-1661 (2011).
  15. Janome Desktop Robot JR2000N Series Operation Manual. , Janome Sewing Machine Co. Tokyo, Japan. (2007).
  16. Brookfield DV-II+ Programmable Viscometer Operating Manual, Manual No. M/97-164-B299. , Brookfield Engineering Laboratories. Middleboro, MA. (1999).
  17. Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. Scanning and transmission electron microscopy : an introduction. , W.H. Freeman. (1993).
  18. Berry, S. M., Pabba, S., Cohn, R. W., Keynton, R. S. Direct-Write Drawing of Carbon Nanotube/Polymer Composite Microfibers. J. Nanomater. 2012, 1-8 (2012).
  19. Berry, S. M., Roussel, T. J., Cambron, S. D., Cohn, R. W., Keynton, R. S. Fabrication of suspended electrokinetic microchannels from directly-written sacrificial polymer fibers. Microfluid. Nanofluid. 13, 451-459 (2012).

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Doğrudan Yazma İşlemiPolimer Fiber ÜretimiMikron Altı ve Mikron Boyutlu FiberlerÜç Eksenli Sahne SistemleriCAD Yazılımı EntegrasyonuPnömatik Valf KontrolüÇözelti Viskozite KontrolüBesleme Hızı OptimizasyonuTaramalı Elektron Mikroskobu
Asma Micron / Sub-mikron Ölçeği Fiber Yapıların 3-D Doğrudan Yazma Robotik Dağıtım Sistemi aracılığıyla Prescribed
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.