Summary
يمكن توجيه سوائل متجاورة تمر عبر قناة ميكروفلويدية مخدد لتشكيل غمد حول جوهر ما قبلpolymer؛ وبالتالي تحديد الشكل والمقطع العرضي. البلمرة الضوئية ، مثل كيمياء النقر على ثيول ، مناسبة تماما لترسيخ السائل الأساسي بسرعة في الألياف الدقيقة ذات الحجم والشكل المحددين مسبقا.
Abstract
يمكن توجيه سائل "غمد" يمر عبر قناة microfluidic عند انخفاض عدد رينولدز حول تيار "أساسي" آخر واستخدامه لإملاء الشكل وكذلك قطر تيار أساسي. تم تصميم الأخادير في الجزء العلوي والسفلي من قناة microfluidic لتوجيه السائل غمد وتشكيل السائل الأساسي. من خلال مطابقة لزوجة وهيدروفيليا الغمد والسوائل الأساسية ، يتم تقليل الآثار بين البينية ويمكن تشكيل أشكال السوائل المعقدة. تحديد معدلات التدفق النسبي للغماد والسوائل الأساسية يحدد المنطقة المقطعية من السائل الأساسي. وقد تم إنتاج الألياف بأحجام تتراوح بين 300 نانومتر إلى ~ 1 ملم، ويمكن أن تكون الألياف العرضية مستديرة أو مسطحة أو مربعة أو معقدة كما هو الحال مع ألياف المرساة المزدوجة. البلمرة من السائل الأساسية المصب من المنطقة تشكيل يقوي الألياف. الكيمياء فوق فوتونيتييد هي مناسبة تماما لبوليمرة السريع للسائل الأساسية عن طريق التشعيع مع الأشعة فوق البنفسجية. وقد تم إنتاج الألياف مع مجموعة واسعة من الأشكال من قائمة من البوليمرات بما في ذلك بلورات السائل، بولي (ميثيل ميثيلهاكريلات)، ثيول-ene وراتنجات ثيول-ين، غليكول البولي ايثيلين، ومشتقات هيدروجيل. الحد الأدنى من القص خلال عملية تشكيل وظروف البلمرة خفيفة أيضا يجعل عملية التصنيع مناسبة تماما لتغليف الخلايا والمكونات البيولوجية الأخرى.
Introduction
سقالاتالأنسجة 1 ، المواد المركبة2، الاتصالات البصرية3، والمواد الهجينة موصل4 هي مجالات البحث باستخدام ألياف البوليمر المتخصصة. وتشمل الطرق التقليدية لتصنيع الألياف البثق تذوب، والغزل، والرسم، الصب و electrospinning. معظم ألياف البوليمر التي تنتجها هذه الأساليب تظهر المقاطع العرضية المستديرة الناتجة عن التوتر السطحي بين البوليمر والهواء أثناء التصنيع. ومع ذلك، قد الألياف مع المقاطع العرضية غير الالتفافية تعزيز الخصائص الميكانيكية للموادالمركبة 5،6،وزيادة مساحة السطح إلى حجم النسب، والسيطرة على التبول أو فتل7،وتستخدم كممرموجي 8 أو المستقطبات9.
إنتاج ألياف البوليمر المتخصصة من قبل أنظمة microfluidic توظيف تيار واحد (تدفق غمد) لمحاصرة وتشكيل تيار آخر (تدفق الأساسية) جذابة بسبب ظروف خفيفة والقدرة على الإنتاج المستمر للألياف قابلة للاستنساخ للغاية. أنتجت التجارب الأولية ألياف مستديرة بأحجام تعتمد على معدلات التدفق النسبي لسوائل prepolymer وs غمد10-12. اكتشاف أن الأخادير في الجزء العلوي والسفلي من قناة microfluidic يمكن أن ينحرف غمد لإنتاج شكل محدد سلفا للتيار الأساسية13،14 أدى إلى التكنولوجيا لتوليد أشكال الألياف أكثر تعقيدا10-12،15-17.
وقد أظهرت المحققين NRL الميزات التقنية الحرجة التالية13-21:
- يمكن استخدام مجموعة متنوعة من ميزات التشكيل لتوجيه سائل الغمد لتشكيل التيار الأساسي: يمكن تكوين الأخادير أو التلال كخطوط أو شيفرونات أو عظام الرنجة.
- يمكن تعيين مربع أدوات لهذه الميزات إلى نتيجة التدفق المطلوبة.
- يمكن إنشاء القنوات الدقيقة باستخدام تقنيات الطباعة الحجرية أو صب أو الطحن أو الطباعة. يجب ألا تذوب مواد الركيزة أو تتآكل في حلول ما قبل البوليمر أو الغمد ، وبالنسبة للبلمرة الضوئية ، يجب أن تكون الطبقات الخارجية شفافة للأشعة فوق البنفسجية.
- يمكن تغيير الشكل الذي تم إنشاؤه بواسطة مجموعة واحدة من ميزات التشكيل عن طريق تغيير معدلات التدفق عبر القناة. COMSOL المحاكاة المتعددة الفيزياء لتدفق السوائل في القنوات الدقيقة قادرة على التنبؤ بالسوائل الناتجة والأشكال الألياف.
- مطابقة اللزوجة والمرحلة (hydrophilicity) من غمد والسوائل الأساسية أمر بالغ الأهمية لتجنب عدم الاستقرار نوع التواء، الناشئة عن الاختلاف في سلالة القص عبر واجهة السوائل. إذا كان هناك لزوجة كبيرة أو مرحلة عدم تطابق التواء لزج يمكن أن يحدث، وربما تشوه شكل الألياف النهائي أو حتى انسداد القنوات الدقيقة.
- يمكن تشكيل الألياف عن طريق الصب أو البلمرة ، ولكن البلمرة توفر المزيد من التحكم في الشكل.
- يجب أن تحدث البلمرة (تدليس السائل الأساسي) قبل الخروج من القناة الدقيقة. ومع ذلك، قد يؤدي بطء البلمرة داخل القناة إلى زيادة في اللزوجة، مما يؤثر على شكل الألياف أو حتى انسداد القناة. يجب التحكم بعناية في وقت وموقع أحداث البلمرة.
- نظرا لحركية التفاعل السريع ، فإن البلمرة الحرة الناجمة عن الصور ، وخاصة كيمياء النقر المستندة إلى ثيول ، مناسبة تماما لإنتاج الألياف.
- يمكن تغيير معدلات التدفق النسبي أثناء التصنيع لإنشاء أقطار ألياف غير قابلة للانسيابية.
- يمكن دمج مجموعات متعددة من ميزات التشكيل في قناة واحدة للأسباب التالية:
- لفصل وظائف التشكيل والتحجيم
- لإنشاء ألياف متعددة الطبقات أو مجوفة
- لإنتاج ألياف متعددة من قناة واحدة microfluidic
- البلورات السائلة mesogens أدرجت في البوليمر بتركيزات منخفضة جدا تظهر birefringence تحت الضوء المستقطب، مما يشير إلى أن جزيئات البوليمر يمكن أن تكون محاذاة على طول محور الألياف.
- يمكن دمج الخلايا في prepolymers هيدروجيل متوافقة بيولوجيا والبقاء على قيد الحياة عملية التصنيع مع قابلية عالية للحياة22.
عند تصنيع ألياف البوليمر باستخدام التركيز الهيدروديناميكي من خلال تيار غمد لتشكيل تيار ما قبل البوليمر ، واختيار مواد البوليمر هو خطوة أولى عملية. يجب تحديد البوليمرات المناسبة، وكيمياء البادئ المقابلة، وسوائل الغمد ضمن المبادئ التوجيهية التالية:
- البوليمر وسوائل غمد هي miscible وهي من لزوجة مماثلة. على سبيل المثال، يمكن لمحلول أحادي المائية استخدام الماء كسائل غمد قابل للتطبيق، ولكن لا يمكن استخدام الهيكسان كسائل غمد.
- يجب أن يكون لآلية البلمرة حركية سريعة بما يكفي لترسيخ السائل الأساسي بعد تشكيلها وقبل خروج الألياف مباشرة من القناة.
بعد اختيار المواد، يجب تصميم قناة صغيرة لتوليد شكل وحجم الألياف المطلوبة. لتحديد ملامح تشكيل المطلوبة (المشارب، الرنجة، شيفرونات)، يمكن استخدام برامج ديناميات السوائل الحسابية للتنبؤ أنماط تدفق السوائل. ملامح تشكيل نقل السائل غمد حول السائل الأساسية. بشكل عام، تتحرك المشارب سائل الغمد عبر الجزء العلوي والسفلي من القناة من جانب إلى آخر، في حين أن عظام الرنجة وال شيفرونات تحرك السائل بعيدا عن الجانبين نحو أعلى و / أو أسفل القناة ومن ثم العودة نحو وسط القناة مباشرة تحت نقطة الهيكل. يؤثر عدد الأخاد المتكررة في أعلى وأسفل القناة على الدرجة التي يتم بها توجيه سائل الغمد. نسبة معدلات تدفق السائل الأساسية وغمد أيضا التوسط في التأثير. وقد أثبتت المحاكاة باستخدام برنامج COMSOL Multiphysics موثوق بها في تقييم تفاعلات ملامح تشكيل ونسب معدل التدفق للتنبؤ الشكل المقطعي العرضي. توفر عمليات المحاكاة هذه أيضا رؤية مفيدة لنشر المذابات بين اللب والأغماد مع حجم القناة واللزوجة ومعدلات التدفق المقترحة.
إذا كان الشكل المعقد مرغوبا فيه ، مثل "المرساة المزدوجة" الموصوفة في Boyd et al. 23، فمن المفيد لفصل وظائف تشكيل والتحجيم. يمكن إنشاء شكل معقد مع مجموعة واحدة من الميزات ومن ثم يمكن استخدام هيكل واحد الأخدود وضعت استراتيجيا عند مدخل تيار غمد الثاني لتقليل المنطقة المقطعية العرضية من تيار polymerizable دون تغيير كبير في شكله.
مثال آخر لتصميم القنوات الدقيقة المعقدة يمكن أن تولد ألياف متعددة الطبقات. في هذا التصميم، يتم تقديم مجموعات متتابعة من ميزات التشكيل وسوائل الكسوة الإضافية. ويمكن تعزيز هذه التدفقات متحدة المركز في ألياف صلبة من الكسوة الأساسية أو أنابيب مجوفة. سيتم تقديم مثال على هذا الجهاز أدناه.
بمجرد اختيار تصميم الجهاز microfluidic ، يمكن أن تبدأ عملية تصنيع القنوات الدقيقة. وتشمل أدوات التصنيع التي يمكن استخدامها الطباعة الحجرية الناعمة، طحن CNC، النقش الساخن والطباعة ثلاثية الأبعاد. بغض النظر عن الأدوات المستخدمة، من المهم أن ندرك أن الميزات التي أدخلت عن طريق الخطأ في جدار القناة microfluidic سوف توجه أيضا تدفق غمد ويمكن أن يؤدي إلى انحرافات قابلة للاستنساخ للغاية في شكل مقطعي لجميع الألياف المصنوعة باستخدام هذا الجهاز. وينبغي أيضا اختيار مواد الركيزة القنوات الدقيقة بعناية لتكون قوية جسديا، خامل كيميائيا، ومقاومة للضرر الأشعة فوق البنفسجية. على سبيل المثال، يمكن إلقاء بوليديمثيلسيل أوكسان (PDMS) بسهولة، ويوفر أختام تشبه طوقا، وهو شفاف للأشعة فوق البنفسجية؛ PDMS مفيدة لأعلى شفافة من القناة، ولكن ليس الجانبين وأسفل القناة، والتي تحتاج إلى مزيد من الصلابة.
في نهاية المطاف ، من خلال إدخال السوائل الأساسية والغماد المختارة بشكل صحيح بمعدلات التدفق المتوقعة من خلال محاكاة ديناميكيات السوائل ، فإن ميزات التشكيل ستولد ملف السوائل المناسب ومصباح معالجة الأشعة فوق البنفسجية المصب سوف يرسخ ألياف البوليمر المصممة. البثق المستمر للألياف البلمرة من القناة يمكن أن توفر الألياف القابلة للاستنساخ في أطوال محدودة فقط من حجم خزانات السوائل.
Protocol
يصف هذا البروتوكول تصنيع ألياف مجوفة باستخدام كيمياء النقر فوق ثيول-yne المهتتة. القنوات الصغيرة والأخاد شيفرون أو "المشارب" كما تشكيل ملامح في الجزء السفلي والعاسم من القناة (الشكل 1). يتم إدخال ثلاثة سوائل وتوجه في تيارات متحدة المركز; من تيارات السوائل الداخلية إلى الخارجية ، ويشار إلى هذه الأساسية ، الكسوة ، والسوائل غمد. فقط تدفق الكسوة هو بوليمر لتشكيل الألياف المجوفة. المواد المختارة هي كما يلي:
- السائل الأساسي: PEG (M.W. = 400)، ~ 100 mPa. ثانية (20 درجة مئوية)
- الكسوة السائل: ثيول ين البوليمر (PETMP + ODY)، البادئ (DMPA)
- غمد السائل: PEG (M.W. = 400)، ~ 100 mPa. ثانية (20 درجة مئوية)
تم تجميع جهاز القنوات الدقيقة من الألومنيوم وقطع البلاستيك المصنعة من قبل طحن CNC والصب PDMS. تم التحكم في التدفق عبر القناة الدقيقة من خلال ثلاث مضخات حقن.
1. تصميم ومحاكاة القنوات الصغيرة
عند حساب كل من سرعة السوائل والحراجة / الانتشار داخل القناة الدقيقة ، من المهم تعيين اللزوجة المناسبة لكل سائل وارد.
- إنشاء نموذج كمبيوتر من القنوات المصغرة المطلوب استيرادها إلى برنامج ديناميات السوائل الحسابية (COMSOL). تم إنشاء المثال في الشكل 1 مع برنامج AUTOdesk المخترع CAD. الخطوات التالية هي في إشارة إلى استخدام COMSOL Multiphysics لحساب تدفق السوائل داخل قناة صغيرة.
- بعد استيراد القنوات الصغيرة المصممة إلى COMSOL ، يمكن إدخال معدلات تدفق السوائل التكرارية إلى حلال Navier-Stokes.
- تهيئة إعداد البرنامج واختيار 3D Laminar Flow +Convection/Diffusion المعادلات. تسمح أرقام رينولدز المنخفضة المتولدة في القنوات الدقيقة بتدفق صفح كامل داخل الجهاز.
- تصميم شبكة محدودة العناصر للقيام بالحسابات العددية. وينبغي أن تكون الشبكة أكثر دقة (لديها أقسام صغيرة) في المناطق التي تتغير فيها الخصائص بسرعة. ويقترح لصقل شبكة في كل من تشكيل ميزة والخروج إلى <1 ميكرومتر طول الجانب. وهذا يوفر التصور "هش" من واجهة السائل الأساسية غمد.
- خصائص المواد المدخلة لتدفق السوائل، أي اللزوجة، ثابت الانتشار، والتركيز. في هذا الوقت، قم أيضا بتعيين شروط الحدود لتدفق الخروج. نقترح الإجهاد اللزج صفر لمحاكاة منفذ مفتوح.
- حساب دراسات سرعة تدفق السوائل عن طريق ركوب الدراجات تكراريا من خلال سلسلة من معدلات تدفق المدخلات. على سبيل المثال، السائل الأساسي = 7.5 ميكرولتر/دقيقة، سائل غمد = 30 ميكرولتر/دقيقة.
- استيراد حلول حقل السرعة كقيم أولية لحل خصائص الحمل الحراري / الانتشار لتدفق القنوات الدقيقة. والحل لمشاكل الحمل الحراري / نشر توضيح واجهة السائل الأساسية غمد والمساعدة في التنبؤ شكل تدفق السوائل النهائية والألياف المنتجة.
من النتائج الحسابية، يمكن التنبؤ بالعدد المطلوب ونوع ملامح تشكيل لتحقيق شكل الألياف المطلوبة. كما ترتبط مدخلات معدل تدفق السوائل بمعدلات التدفق المطلوبة لتوليد الألياف. مع هذه التنبؤات ، يمكن تصنيع جهاز القنوات الدقيقة لقذف ألياف البوليمر.
2. تصنيع مكونات جهاز تدفق غمد
يمكن استخدام مزيج من الميكروميلينج المباشر ، النقش الساخن ، و / أو صب البوليمر لإنشاء مكونات جهاز تدفق الغمد. اعتمادا على الموارد، اختر الاستراتيجية وفقا لذلك. المثال المقدم هو عملية الطحن المباشر الذي يستخدم رمز رقمي الكمبيوتر (CNC). هناك خمس طبقات يجب صنعها (من الأعلى إلى الأسفل)، والتي يتم تصويرها في الشكل 2: 1. مدخل تشاك (الألومنيوم)، 2. لوحة الربط (الألومنيوم)، 3. الطبقة العليا من القنوات الدقيقة (أوليفين كوبوليمر دوري، COC أو PDMS)، 4. الطبقة السفلية للقنوات الدقيقة (COC أو كيتون إيثر متعدد الألوان، PEEK)، 5. لوحة الربط (الألومنيوم). (ملفات المثال الطحن المباشر متوفرة بتنسيق *.stl في معلومات الدعم)
- باستخدام تصميم متوافق مع محاكاة COMSOL ، قم بتطوير نموذج ثلاثي الأبعاد للنظام عبر الصياغة بمساعدة الكمبيوتر (CAD). إنشاء ملف CAD منفصل لكل طبقة من الجهاز.
- عندما طبقة هو أن تكون ملفقة عن طريق micromilling مباشرة، استيراد نماذج كندي في تطبيق الآلات بمساعدة الكمبيوتر لتوليد رمز رقمي (NC) التي سيتم تفسيرها من قبل الكمبيوتر التي تسيطر عليها رقميا (CNC) مطحنة لإنتاج الجهاز.
- الحصول على 5 أوراق من 30.5 سم × 30.5 سم مواد طبقة القربان التي لا تقل سمكا عن 3.2 ملم.
- الحصول على ورقة واحدة لكل من COC، PEEK، الألومنيوم، وبولي (ميثيل ميثيلهاكريلات) التي هي 30.5 سم × 30.5 سم و 3.2 مم سميكة.
- الحصول على ورقة واحدة من الألومنيوم التي هي 30.5 سم × 30.5 سم و 9.5 ملم سميكة.
- لصق كل ورقة من الأوراق في الخطوات 2.4-2.5 إلى ورقة من الأوراق المالية التضحية من الخطوة 2.3 مع لاصقة على الوجهين. تأكد من وجود حد خارجي غير مسجل يبلغ 2.5 سم كحد أقصى. الشريط يعمل على عقد مواد العمل في مكان في حين يجري طحن وحمايتها مرة واحدة يتم قطع الجزء المطحون بعيدا عن المواد المخزون في نهاية دورة طاحونة.
- قم بربط مخزون COC + التضحية بجدول مطحنة CNC ، وحمل الأدوات المذكورة في الرمز الرقمي (NC) ، ومعايرة الأدوات ومواد المخزون (العمل) في x و y و z.
- تحميل رمز NC وطاحونة طبقة COC.
- إزالة ورقة من المواد من طاحونة وإزالة بعناية الجزء الماكينة من الركيزة. خلال هذه العملية، سوف المبرد مطحنة تشبع الجزء والأوراق المالية. شطف جيدا قبل إزالة بلطف الجزء. يغسل مع المنظفات خفيفة، تليها غسل مع الكحول isopropyl 70٪. المنظفات خفيفة سوف إزالة المخلفات الزيتية، والكحول سوف إزالة لاصقة المتبقية. إذا حوصرت نتوءات في microarchitectures، سونيكيشن قد يكون من الضروري لطرد لهم.
- كرر الخطوتين 2.7 و2.9 لكل من الطبقات الأخرى التي سيتم استخدامها لإنشاء جهاز تدفق الغمد.
- باستثناء طبقة PMMA، سيتم استخدام كل طبقة من الطبقات التي تم إعدادها لهذه النقطة في الجهاز مباشرة. سيتم استخدام PMMA لإعداد طبقة PDMS عن طريق الجمع بين 10 أجزاء قاعدة Sylgard 184 مع عامل علاج جزء واحد والاختلاط جيدا عن طريق التحريك. يتم توفير هذه المعلومات في حالة واحدة تفضل استبدال واحدة من طبقات COC مع المواد PDMS مثل طوقا.
- صب Sylgard 184 في تجويف العفن PMMA أعدت في وقت سابق، وضمان أن يتم القضاء على فقاعات الهواء. إذا لزم الأمر، يمكن إزالة فقاعات في فراغ. يمكن علاج PDMS في درجة حرارة الغرفة لمدة 48 ساعة، 45 دقيقة في 100 درجة مئوية، 20 دقيقة في 125 درجة مئوية، أو 10 دقائق في 150 درجة مئوية.
3. غمد تدفق جهاز التجمع
- تجميع الجهاز تدفق غمد من أسفل إلى أعلى عن طريق وضع لوحة ربط واحدة في الجزء السفلي، ثم طبقة COC تليها طبقة COC الأخرى، ولوحة الربط المتبقية(الشكل 2). تأكد من أن الأخاد تشكيل محاذاة مع بعضها البعض على طول حواف القناة وأن هندسات تشكيل السوائل في طبقات COC تتداخل تماما. يمكن استخدام مجهر تشريح للمساعدة في المحاذاة.
- أدخل البراغي عبر وسط الجهاز، وشد اليد الصواميل والبراغي لمشبك الجهاز معا.
- بالتناوب من اليسار إلى اليمين من الوسط، كرر الخطوة 3.2 من المركز إلى الخارج لقفل في المحاذاة ومنع تسرب. إضافة على تشاك مدخل عندما يتم التوصل إلى ثقوب تصاعد ومواصلة تركيب مسامير بطريقة بالتناوب.
- استخدم تجهيزات HPLC القياسية لواجهة جهاز تدفق الغمد إلى الأنابيب والمحاقن التي تحتوي على سائل غمد ومحلول prepolymer. شد اليد يكفي لجميع الاتصالات.
- قم بتركيب الجهاز عموديا باستخدام حامل الحلقة والمشبك. تأكد من أن الجهاز عمودي باستخدام مستوى أعلى الجزء. إذا لم يكن جهاز تدفق الغمد عموديا، فقد تلمس الألياف جدار القناة الدقيقة وتسبب انسدادا.
- وضع مصدر الأشعة فوق البنفسجية عموديا ~ 1 سم من وجه COC من جهاز تدفق غمد بحيث يتم تشعيع آخر 3-5 سم من القناة الدقيقة. يجب معايرة مصدر الأشعة فوق البنفسجية لتقديم ~ 200 كيلوواط / سم2.
4. إعداد الحل
كما هو مبين سابقا، يمكن استخدام العديد من المواد لإنشاء الألياف الدقيقة باستخدام بروتوكولات مماثلة وأنظمة تدفق غمد، ولكن يتم استخدام الكيمياء ثيول-ين هنا. إعداد محلول prepolymer مباشرة قبل بدء عملية البثق الألياف لتجنب الزيادة في اللزوجة التي قد تحدث مع مرور الوقت في التخزين.
- إعداد aliquot من جليكول البولي ايثيلين 400 (PEG 400) لتكون بمثابة السائل غمد.
- ملء حقنة 1 مل لوير يميل مع PEG 400 لتكون بمثابة السائل الأساسية غير قابلة لpolymerizizable، وملء حقنة 30 مل لوير يميل مع PEG 400 لتكون بمثابة السائل غمد.
- إعداد محلول prepolymer يحتوي على 0.01 مول pentaerythritol tetrakis 3-ميركابتوبروبيونات (PETMP) و 0.01 مول 1,7-أوكتادين (ODY). تأكد من أن المكونين مختلطان جيدا طوال التجربة ، وتقليل تعرض جميع الكواشف قبل الجليمر لمصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، بما في ذلك الضوء المحيط(مثل حقن التفاف مع احباط).
- تكملة PETMP / حل ODY مع 4 × 10-4 مول 2،2-dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPA) الضوئية. الاستمرار في التأكد من أن الحلول مختلطة بشكل جيد ، وأنها لا تتعرض للأشعة فوق البنفسجية من خلال تغطية الحاويات بورق الألومنيوم.
- تحميل 5 مل الألومنيوم ملفوفة، لوير ذات الرؤوس حقنة مع محلول prepolymer.
5. إنتاج الألياف الدقيقة (تركيز الفيديو)
- تأكد من أن منفذ القناة microfluidic على اتصال مع حل في حمام جمع (الشكل 3). بالنسبة للهياكل المعقدة ، يجب أن يكون الحل في حمام التجميع مطابقا لللزوجة مع السوائل الأساسية والغمد ، ولكن بالنسبة للألياف المجوفة البسيطة ، يكفي الماء.
- تعيين الأساسية، الكسوة، ومضخات حقنة السائل غمد لبث في 1، 30، و 120 ميكرولتر / دقيقة، على التوالي. تأكد من أن أقطار الحقنة المعنية قد تم إدخالها بشكل صحيح في مضخات الحقن.
- قم بتركيب المحاقن في مضخات الحقن المقابلة وربطها بجهاز تدفق الغمد مع أنابيب تايغون الواقية للأشعة فوق البنفسجية.
- بدء السائل غمد لرئيس الجهاز تدفق غمد والقضاء على الهواء من النظام. فحص بصريا القنوات الدقيقة، وضمان عدم وجود فقاعات الهواء تبقى في القنوات الدقيقة قبل الانتقال إلى الخطوة التالية. إيلاء اهتمام خاص للخطوط. يمكن استخدام مجهر تشريح للمساعدة في فحص القنوات الدقيقة. إذا كانت فقاعات الهواء موجودة، قم بإثارة الجهاز عن طريق الدوران و/أو النقر برفق أثناء التدفق لطرد فقاعات الهواء من الجهاز.
- بدء السائل الكسوة، مما يسمح أيضا تدفق لتحقيق الاستقرار. تأكد من عدم بقاء فقاعات الهواء في القناة الدقيقة قبل الانتقال إلى الخطوة التالية. إيلاء اهتمام خاص لتشكيل الأخاشيد. إذا كانت فقاعات الهواء موجودة، قم بإثارة الجهاز أثناء التدفق لطرد فقاعات الهواء من الجهاز.
- وأخيرا، بدء السائل الأساسية. مرة أخرى ، تأكد من أن الفقاعات ليست موجودة في النظام.
- بدوره على مصدر الأشعة فوق البنفسجية ومراقبة حمام جمع لإنتاج مستمر من الألياف الدقيقة جوفاء (الشكل 4A) كما هو قذف مع السائل غمد. استرداد الألياف من حمام جمع باستخدام ملعقة معدلة أو حلقة تلقيح، والسماح للألياف المستمرة التي سيتم جمعها على بكرة الآلية (الشكل 3).
Representative Results
تم استخدام تصميم بسيط من مرحلتين ، باستخدام الأخافير التشكيلية وثلاثة مدخلات حل ، لإنشاء ألياف مجوفة(الشكل 1). تم استخدام محاكاة COMSOL لتحديد نسب معدل التدفق المناسبة للحصول على الحجم المقطعي المطلوب(الشكل 1، فيديو ESI). مزيج من الطحن والقوالب أنتجت مكونات التجمع تدفق غمد لتصنيع الألياف (الشكل 2). وشملت الجمعية الكاملة جهاز تدفق غمد، والألياف البصرية المقترنة ليزر الأشعة فوق البنفسجية، وثلاث مضخات حقنة، وحمام جمع (الكأس)، وبكرة جمع الألياف(الشكل 3).
بدأ بلمرة مواد الكسوة من قبل مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، وتم قذف الألياف المجوفة من القناة الدقيقة في حمام التجميع. تشكلت الألياف وتم جمعها بشكل مستمر حتى تم إيقاف تشغيل ضوء الأشعة فوق البنفسجية. استمر إنتاج الألياف لدقائق وولدت ألياف واحدة أكثر من متر في الطول. وكانت الألياف المصنوعة في ظل هذه الظروف قطرها حوالي 200 ميكرومتر. تم تصور بنية الألياف باستخدام المجهر البصري والإلكترون. الألياف كان لها شكل بيضاوي مع نواة جوفاء. تم استخدام العمل الشعري لإدخال السائل والفقاعات في المناطق الداخلية من الألياف وأكد أن الهيكل المجوف كان مستمرا على طول الألياف(الشكل 4A).
الشكل 1 - الأرقام 1- الأرقام 1 تصميم الجهاز تدفق غمد و COMSOL البيانات. تم اختيار جهاز التصنيع من قسمين مع الأخافير المستقيمة لإنتاج ألياف مجوفة (تدور حول محور س 45 درجة). توضح محاكاة COMSOL على اليسار كيف تؤثر نسب معدل التدفق الأساسية:الكسوة:الغمد (الأرقام أقل من كل محاكاة) على الحجم النهائي للألياف المجوفة. المقطع العرضي microchannel هو 1 مم × 0.75 ملم، والمشارب هي 0.38 ملم واسعة و 250 ميكرومتر عميق. المشارب هي في ∠45 درجة بالنسبة للقناة.
الشكل 2 - الأرقام 2- الأرقام التي تم عرض انفجرت من التجمع تدفق غمد. من أعلى إلى أسفل،(أ)مدخل تشاك، (ب) صفيحة الربط، (C) غطاء القنوات الدقيقة، (D) قاعدة القنوات الدقيقة، (E) لوحة الربط. مكونات مصنوعة من الألومنيوم والألومنيوم، COC (أو PDMS)، COC (أو PEEK) والألومنيوم، على التوالي. الثقوب متباعدة بانتظام استيعاب مسامير التجميع.
الشكل 3 - الأرقام 3- الأرقام التي يمكن أن صورة التخطيط ونظرة عامة تخطيطية. يتضمن الإعداد تجميع تدفق الغمد المضمون عموديا فوق الكأس الذي يحتوي على حمام مائي ، ليزر الألياف البصرية للpopolymerization ، ثلاث مضخات حقن ، ومغزل لجمع ألياف البوليمر. Inset يظهر تجميع التصنيع مع إضاءة الأشعة فوق البنفسجية. أ)غمد والمداخل الأساسية،(ب)قناة microfluidic، (C) ضوء الأشعة فوق البنفسجية، (د) خزان جمع، (ه) الألياف البوليمرية التي يتم جمعها.
الشكل 4 - الأرقام 4- الأرقام التي تم ال البصرية والمسح الضوئي صور المجهر الإلكتروني من الألياف المصنوعة باستخدام التركيز الهيدروديناميكي. وقد تم تصنيع الألياف في الأشكال التالية باستخدام التركيز الهيدروديناميكي: (أ) أنابيب جوفاء، (ب) شرائط مستطيلة، (ج) شرائط مرنة رقيقة، (D) مثلثات، (ه) الفاصوليا، (F) سلسلة من اللؤلؤ، (G) جولة الألياف مع جزءا لا يتجزأ من الكربون nanofiber، و (H) مرساة مزدوجة على شكل. الألياف مصنوعة من مواد مختلفة بما في ذلك الأكريلات والميثاكريلات والثيول إينيس.
فيديو ESI. قطعة أرض المنتجة في COMSOL Multiphysics تصور نصف microchannel مع الأساسية، الكسوة، وسوائل غمد دخول الجهاز واجتياز اثنين من مرحلة تدفق تغيير الأخافير الشريط قطري. الأساسية، الكسوة، ومعدلات تدفق غمد محاكاة هي 1 و 28 و 256 ميكرولتر / دقيقة، على التوالي. يمثل الفيديو ~ 6 ثوان في الوقت الحقيقي ، تباطأ 6 أضعاف لأغراض توضيحية.
Discussion
تصنيع ألياف البوليمر باستخدام نهج تدفق غمد له مزايا متعددة بالمقارنة مع تقنيات تصنيع الألياف الأخرى. واحدة من تلك المزايا هي القدرة على تصنيع الألياف باستخدام تركيبات كاشف مختلفة. على الرغم من أن مجموعة محددة ثيول ين قدمت هنا، عدة نقرات ثيول أخرى (بما في ذلك ثيول-ene) تركيبات الكيمياء تعمل بشكل جيد على قدم المساواة. ويمكن استخدام مجموعة واسعة من تركيبات أخرى لإنتاج الألياف طالما أن محلول غمد هو miscible مع المواد الأساسية التي سيتم بلمرة. كما أن إدراجات مثل الألياف النانوية والجسيمات والخلايا ممكنة طالما أن مساهمات هذه الإضافات في لزوجة محلول ما قبل الأوليمر تؤخذ في الاعتبار.
Thiol فوق الكيمياء هي مجموعة فرعية من الأسرة الكيمياء انقر التي يمكن أن تعلق مجمع مع مجموعة ثيول بشكل مشترك إلى مجمع مع إما alkene (السندات المزدوجة) أو alkyne (السندات الثلاثية) مجموعة وظيفية من قبل الأشعة فوق البنفسجية الضوئية الضوئية. و يطلق على ردود الفعل التي تنطوي على alkenes ردود فعل ثيول-ene، و يطلق على ردود الفعل التي تنطوي على الألكينات ردود فعل ثيول-yne. واحد بي السندات (من alkene أو alkyne) سوف نعلق على مجموعة ثيول واحد على الأشعة فوق البنفسجية الخفيفة. العملية تناسبها جيدا داخل الأسرة انقر من ردود الفعل، وقد استخدمت بشكل فعال في قناة microfluidic لدينا لإنتاج ألياف من مختلف الأشكال(على سبيل المثال الجولة، على شكل شريط، مرساة مزدوجة) من العديد من ثيول انقر فوق مكونات البداية.
ميزة محددة للطريقة المبينة هنا بالمقارنة مع معظم العمليات المماثلة الأخرى هي القدرة على التحكم في كل من شكل وحجم الأليافالمنتجة (الشكل 4A-H). من خلال تصميم قناة لديها خطوط أو شيفرونات أو عظام الرنجة ، سيكون للألياف المنتجة شكل مقطع عرضي مختلف. بشكل عام ، تكون الخطوط مفيدة لإنتاج أشكال مستديرة أو لإدخال تيارات غمد إضافية لتطويق الجداول التي تم تشكيلها مسبقا ونقلها بعيدا عن جدران القناة قبل البلمرة. تقلل الخطوط الرأسية البعد العمودي في وسط الدفق الشكلي، مع الحفاظ على التماثل الأفقي. تقلل عظام الرنجة من البعد الرأسي لجانب واحد من الدفق على شكل ، مما ينتج عدم التماثل. يمكن خلط أدوات التشكيل هذه في مجموعات لا حصر لها. كما يمكن استخدام عدد الميزات المكافئة(أي 7 شيفرونات مقابل 10 شيفرونات) لإنتاج ألياف ذات ملفات تعريف مقطعية مختلفة.
بالإضافة إلى القدرة على التحكم في شكل الألياف ، فإن منهجية تصنيع الألياف المقدمة تتيح أيضا القدرة على التحكم في حجم الألياف المصنعة ، حتى باستخدام تجميع تدفق غمد واحد(على سبيل المثال الشكل 1). ضبط نسبة معدل التدفق الأساسي: هو وسيلة واحدة لتصنيع الألياف مع مناطق مختلفة عبر القطاعات. من الممكن أيضا التحكم في حجم الألياف عن طريق ضبط تصميم القناة ليكون لها مراحل غمد إضافية. سواء حدث التشكيل في مرحلة واحدة أو أكثر ، يمكن استخدام مرحلة نهائية بسيطة لتقليل حجم النواة دون تغيير الشكل.
إن السهولة التي يمكن بها استخدام العديد من تركيبات الكاشف لإنتاج ألياف من مختلف الأشكال والأحجام باستخدام تصميم القناة الدقيقة هذا ستكون مفيدة في مجموعة واسعة من التطبيقات ، من هندسة الأنسجة إلى الاتصالات البصرية إلى المنسوجات الذكية.
Disclosures
براءات الاختراع المذكورة في المراجع متاحة للحصول على ترخيص من وزارة البحرية(http://www.nrl.navy.mil/doing-business/tech-transfer/).
Acknowledgments
داريل أ. بويد ومايكل أ. دانييلي هما زميلان في مجلس البحوث الوطني لما بعد الدكتوراه. وقد دعم العمل وحدات العمل 4286 و 9899 التابعة ل ONR/NRL. وجهات النظر هي آراء المؤلفين ولا تمثل رأي أو سياسة البحرية الأمريكية أو وزارة الدفاع.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate | Sigma-Aldrich | 381462 | See references |
| 1.7-Octadiyne | Sigma-Aldrich | 161292 | See references |
| 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone | Sigma-Aldrich | 196118 | See references |
| Polyethylene glycol 400 | Sigma-Aldrich | 202398 | Polyethylene glycol 200 or 600, dextrose, or glycerol may be substituted |
| Sylgard 184 | Sigma-Aldrich | 761036 | QSIL 216, OptiTec 7020, or GS RTV 615 may be substituted |
| Table of Specific Equipment | |||
| MiniMill | Haas | MINIMILL | Any NC code interpreting 2.5 axis (or higher) mill may be substituted |
| Syringe pumps (3) | Harvard Apparatus | 702212 | Syringe pumps that can be programmed to deliver the desired volume flow rates may be substituted |
| Tygon tubing (3 m) | Fisher Scientific | 14-169-13A | NA |
| PEEK tubing | Upchurch Scientific | 1435 | NA |
| HPLC fittings | Upchurch Scientific | 1457 | NA |
| BlueWave 200 UV lamp with stand and light guides | Dymax | 38905; 38477; 39700 | Any guided UV source that delivers 300-450 nm, >200 mW/cm2 may be substituted |
| 500 ml beaker | Fisher Scientific | FB-100-600 | Any vessel of approximately the same size and shape may be substituted |
| Ring stand | Fisher Scientific | S47807 | Any ring stand capable of mounting a clamped sheath flow apparatus above the level of the syringe pumps may be substituted |
| Ring stand clamp holder (2) | Fisher Scientific | S02625 | Any ring stand clamp holder capable of holding the clamps may be substituted |
| Ring stand clamps (2) | Fisher Scientific | 02-216-352 | Any ring stand clamp capable of holding the clamped sheath flow apparatus and light guides may be substituted |
| 1, 5, and 60 ml Syringes | Fisher Scientific | 14-823-16H; 14-823-16D; 14-820-11 | Any syringe with known inner diameter and sufficient volume may be substituted |
| Poly(methylmethacrylate) (3.2 mm) | McMaster-Carr | 8560K239 | Polycarbonate and cyclic olefin copolymer may be substituted |
| Polyether ether ketone (3.2 mm) | McMaster-Carr | 8504K25 | Solvent resistant machinable materials may be substituted |
| Aluminum (3.2, 9.5 mm) | McMaster-Carr | 1651T41; 9246K23 | Substitute other materials as needed |
References
- Khademhosseini, A., Langer, R., Borenstein, J., Vacanti, J. P. Microscale technologies for tissue engineering and biology. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 2480-2487 (2006).
- Blond, D., McCarthy, D. N., Blau, W. J., Coleman, J. N. Toughening of artificial silk by incorporation of carbon nanotubes. Biomacromolecules. 8, 3973-3976 (2007).
- Aykut, Y., Saquing, C. D., Pourdeyhimi, B., Parsons, G. N., Khan, S. A. Templating quantum dot to phase-transformed electrospun TiO(2) nanofibers for enhanced photo-excited electron injection. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 3837-3845 (2012).
- Puigmarti-Luis, J., Schaffhauser, D., Burg, B. R., Dittrich, P. S. A Microfluidic Approach for the Formation of Conductive Nanowires and Hollow Hybrid Structures. Adv. Mater. 22, 2255-22 (2010).
- Edie, D. D., Fox, N. K., Barnett, B. C., Fain, C. C.
- Park, S. J., Seo, M. K., Shim, H. B. Effect of fiber shapes on physical characteristics of non-circular carbon fibers-reinforced composites. Mater. Sci. Eng. A Struct. 352, 34-39 (2003).
- Haile, W. A., Phillips, B. M. Deep grooved polyester fiber for wet lay applications. Tappi. 78, 139-142 (1995).
- Yamada, J. Radiative properties of fibers with non-circular cross sectional shapes. J. Quant. Spectrosc. Ra. 73, 261-272 (2002).
- Kopp, V. I., et al.
- Thangawng, A. L., Howell, P. B., Richards, J. J., Erickson, J. S., Ligler, F. S. A simple sheath-flow microfluidic device for micro/nanomanufacturing: fabrication of hydrodynamically shaped polymer fibers. Lab Chip. 9, 3126-3130 (2009).
- Thangawng, A. L., Howell, P. B., Spillmann, C. M., Naciri, J., Ligler, F. S. UV polymerization of hydrodynamically shaped fibers. Lab Chip. 11, 1157-1160 (2011).
- Thangawng, A. L., et al. A hard microflow cytometer using groove-generated sheath flow for multiplexed bead and cell assays. Anal. Bioanal. Chem. 398, 1871-1881 (2010).
- Mott, D. R., Howell Jr,, B, P., Obenschain, K. S., Oran, E. S. The Numerical Toolbox: An approach for modeling and optimizing microfluidic components. Mech. Res. Commun. 36, 104-109 (2009).
- Mott, D. R., et al. Toolbox for the design of optimized microfluidic components. Lab Chip. 6, 540-549 (2006).
- Howell Jr,, B, P., Ligler, F. S., Shields, A. R. Sheath fow device and method. United States patent US20110193259. , (2011).
- Howell, P. B., Ligler, F. S., Shields, A. R. Creating sheathed flow for applications e.g. particle counting, by introducing sheath and core streams at proximal end of channel that creates multiple sheathed flows, and polymerizing multiple sheathed flows to form multiple fibers. United States patent US2011193259-A1. , (2009).
- Mott, D., Howell Jr,, B, P., Ligler, F. S., Fertig, S., Bobrowski, A. Sheath flow device and method. United States patent US20090208372. , (2009).
- Daniele, M. A., et al. Rapid and continuous hydrodynamically controlled fabrication of biohybrid microfibers. Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2012).
- Howell, P. B., Mott, D., Golden, J. P. Numerical toolbox for design of fluidic components and systems. United States patent US20080221844. , (2008).
- Shields, A. R., et al. Hydrodynamically directed multiscale assembly of shaped polymer fibers. Soft Matter. 8, 6656-6660 (2012).
- Boyd, D. A., Shields, A. R., Naciri, J., Ligler, F. S. Hydrodynamic shaping, polymerization, and subsequent modification of thiol click fibers. ACS Appl. Mater. Inter. 5, 114-119 (2012).
- Daniele, M. A., et al. Rapid and Continuous Hydrodynamically Controlled Fabrication of Biohybrid Microfibers. Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2013).
- Boyd, D. A., Shields, A. R., Howell, P. B., Ligler, F. S. Design and fabrication of uniquely shaped thiol-ene microfibers using a two-stage hydrodynamic focusing design. Lab Chip. 13, 3105-3110 (2013).
