I denne artikel beskrives den mikrofluid proces og parametre til at forberede indgreb partikler fra flydende krystallinske elastomerer. Denne proces giver mulighed for forberedelse af aktivering af partikler og variation af deres størrelse og form (fra fladtrykt til kraftigt prolate, kerne-shell, og Janus morfologier) samt omfanget af aktivering.
Dette papir fokuserer på mikrofluid processen (og dens parametre) til at forberede indgreb partikler fra flydende krystallinske elastomerer. Forberedelsen består normalt i dannelsen af dråber, der indeholder lav molar masse flydende krystaller ved forhøjede temperaturer. Efterfølgende er disse partikel prækursorer orienteret i feltet flow af kapillær og størknede af en crosslinking polymerisering, som producerer de endelige indgreb partikler. Optimering af processen er nødvendig for at opnå de indgreb partikler og den rette variation af procesparametre (temperatur og flow sats) og giver mulighed for variationer i størrelse og form (fra fladtrykt til kraftigt prolate morfologier) samt den omfanget af aktivering. Det er derudover muligt at variere typen af aktivering fra brudforlængelse til sammentrækning afhængigt af profilen direktør induceret til dråber under flow i kapillær, som igen afhænger af mikrofluid processen og dens parametre. Derudover kan partikler af mere komplekse figurer, som kerne-shell strukturer eller Janus partikler, tilberedes ved at justere opsætningen. Ved variation af den kemiske struktur og tilstand af crosslinking (størkning) af den flydende krystallinske elastomer er det også muligt at forberede indgreb partikler udløses af varme eller UV-vis bestråling.
Mikrofluid synteser er blevet en kendt metode til fremstilling af flydende krystallinske elastomer (LCE) aktuatorer i de sidste par år1,2,3. Denne tilgang ikke kun giver mulighed for fremstilling af et stort antal godt indgreb partikler, men giver også mulighed for fabrikation af figurer og morfologier, som ikke er tilgængelige ved hjælp af andre metoder. Da LCE aktuatorer er lovende kandidater til et program som kunstige muskler i mikro-robotics, er nye metoder til at syntetisere disse partikler af stor betydning for dette fremtidige teknologi4.
I produktvedligeholdelse, er mesogens af en flydende krystaller (LC) knyttet til polymer kæder af en elastomere netværk5,6,7,8. Sammenkædning af mesogens til polymer kæde kan således ske i form af en sidekæde, en main-kæde eller et kombineret LC-polymer9,10,11. Afstanden mellem punkterne crosslinking skal være langt nok til at give en gratis omlægning af polymer kæde i mellem (i virkeligheden, dette er sandt for enhver elastomer, som adskiller dem fra “hærdeplast”). Dermed kan crosslinking være permanent eller reversibel på grund af stærk non-kovalente interaktioner12,13,14. Slags materiale kombinerer egenskaber af både, den anisotrope adfærd i et flydende krystal med en elastomer entropic elasticitet. I temperaturområdet af den flydende krystallinske fase vedtage polymer kæder en (mere eller mindre) strakte kropsbygning forårsaget af anisotropy af den flydende krystallinske fase, som er kvantificeret ved parameteren nematisk rækkefølge. Når prøven er anlagt over nematisk til isotropic fase overgang temperatur, anisotropy forsvinder, og netværket slapper til energisk begunstiget tilfældige coil kropsbygning. Dette fører til en makroskopisk deformation og dermed aktivering5,15. Udover opvarmning af prøven, kan denne fase overgang også være fremkaldt af andre stimuli som lys eller opløsningsmiddel diffusion i produktvedligeholdelse16,17,18,19.
For at opnå en stærk deformation, er det nødvendigt, at stikprøven enten danner en monodomain eller funktioner mindst en foretrukne orientering af de enkelt domæne direktører under crosslinking trin20. For produktion af LCE film opnås dette ofte ved at strække en pre polymeriseret prøve via orientering af domæner i en elektrisk eller magnetfelt, ved hjælp af foto-justering lag eller via 3D-udskrivning21 ,22,23,24,25,26.
En anden tilgang er den løbende forberedelse af LCE partikler med kapillar-baserede mikrofluid droplet generatorer. Flydende krystallinske monomer dråber er spredt i en meget tyktflydende kontinuerlig fase, der løber i nærheden af dråber og gælder en shear rate på dråber overflade. Derfor er et omløb inde monomer droplet observeret, som forårsager en generel justering af flydende krystallinske fase27. Dermed, har omfanget af shear satser på dråberne en stærk indflydelse på både denne droplet form og størrelse, og på orientering af feltet flydende krystallinske direktør. Disse godt orienteret dråber kan derefter være polymeriserede længere nedstrøms i opsætningen af mikrofluid. Forberedelse af aktuatorer med varierende former (fx, partikler og fibre) og mere komplekse morfologier som kerne-shell og Janus partikler er således muligt28,29,30,31. Det er endda muligt at forberede fladtrykt partikler, som strækker sig langs deres symmetri akse og meget prolate, fiber-lignende partikler, som krymper ved fase overgangen. Begge typer af partikler kan foretages med den samme slags mikrofluid setup, bare ved at variere shear rate27. Vi præsenterer her, protokollen af hvordan til at producere sådanne LCE aktuatorer af forskellige morfologier i selvstændige fremstillet kapillær-baserede mikrofluid enheder.
Foruden effekten af mesogen justering i LCE dråber og tilgængelighed af polymerer med varierende former har mikrofluid tilgange yderligere fordele. I forhold til andre partikel fabrikation metoder som nedbør i en ikke-opløsningsmiddel eller suspension polymerisering32 (som fører til partikler med en bred størrelse-distribution), monodisperse partikler (koefficienten for variationen af partikelstørrelsen er < 5%) kan syntetiseres ved hjælp af mikrofluidik33,34. Desuden er det let at bryde sfære symmetri af dråberne af et flow. Således er store partikler med en cylindrisk symmetri tilgængelige, der er nødvendige for aktuatorer. Dette er forskelligt fra LC-partikler af suspension polymerisering32. Derudover partikelstørrelse er godt justerbar af mikrofluidik i et område fra flere mikrometer til hundredvis af mikron, og tilsætningsstoffer kan nemt blive bragt ind i partikler eller på deres overflade. Det er derfor mikrofluid partikel forberedelse er ofte brugt i emner som drug delivery35 eller fremstilling af kosmetik36.
Mikrofluid opsætninger anvendes i denne artikel blev indført ved Serra et al. 33 , 37 , 38 . Disse er selvstændige fremstillet og består af high-performance væskekromatografi (HPLC) polytetrafluorethylene (PTFE) rør samt t-kryds og smeltet silica kapillærer, som giver de enkelte faser. Således, setup kan nemt ændres, og enkelte dele kan simpelthen byttes, som de er kommercielt tilgængelige. En photoinitiator tilføjes monomer blandinger, som giver mulighed for brug af en passende lyskilde til at fremkalde polymerisering af dråber on-the-fly, efter de forlod kapillar. Bestråling bortset fra kapillærerne er nødvendig for at forhindre en tilstopning af opsætningen. Andre typer af polymerisering først starte polymerisering efter slipværktøjet har forladt kapillær (f.eks.med initiatorer baseret på redox processer)39. Men på grund af hurtighed af foto-induceret crosslinking polymerisation og evnen til at være fjernstyrede photoinitiation er den mest fordelagtige.
Da den LCE monomer blanding er krystallinsk ved stuetemperatur, er en omhyggelig temperaturstyring af opsætningen af hele mikrofluid nødvendigt. Derfor, del af opsætningen hvor droplet-dannelse forekommer er placeret i et vandbad. Her dannes dråber ved høje temperaturer i isotropic smelter af blandingen. Til orientering, skal dråberne nedkøles til den flydende krystallinske fase. Derfor er polymerisering rør placeret på en varm tallerken, der er indstillet til den nederste temperaturområde af LC-fasen (figur 1).
Her beskriver vi en fleksibel og enkel metode til fabrikation af LCE aktuatorer i et flow. Denne protokol giver de nødvendige skridt til at opbygge mikrofluid setup for syntese af én partikler samt Janus og core-shell partikler i et par minutter. Næste, vi beskriver, hvordan du kører en syntese og vise det typiske resultat samt egenskaberne for indgreb partikler. Endelig vil diskutere vi fordelene ved denne metode, og hvorfor vi mener, at det kan bringe fremskridt til feltet LCE aktuatorer.
Vi har beskrevet fabrikation af partikler med forskellige morfologier via en mikrofluid tilgang til at producere LCE microactuators. Til dette formål, blev kapillær-baserede mikrofluid opsætninger bygget som tillader droplet dannelse efterfulgt af photopolymerization ved definerede temperaturer.
Her er et kritisk aspekt af en vellykket syntese den korrekte montering af opsætningen. Alle forbindelser mellem de enkelte dele skal være faste korrekt at forhindre enhver udsivning af væske, og enheden skal være rene inden hver syntese til at forhindre tilstopning. Det er også afgørende, at forsøget er udført under UV-fri betingelser, siden, ellers Præmatur polymerisering af monomere blanding og dermed igen tilstopning af setup ville være resultatet.
Til denne dag, er den mikrofluid metode beskrevet her den eneste metode at producere indgreb LCE partikler. Hermed, opfylder mikrofluid proces to krav på samme tid. Udover fremstilling af et væld af samme størrelse mikro-objekter, er en orientering af den flydende krystallinske direktør induceret i disse partikler. Det er derudover en ganske enkel procedure, da et stort antal aktuatorer kan syntetiseres i et enkelt trin. Anvendelse af andre metoder, kræver orientering af mesogens normalt et ekstra trin som udspænding af prøven eller anvendelsen af foto-justering lag. Derudover er disse processer manuel, hvilket betyder, at produktionen af mange aktuatorer er meget tidskrævende. Derudover LCE morfologi er-i de fleste tilfælde begrænset til polymer film. Ulemperne ved metoden mikrofluid er begrænsning af partikel størrelse (som diameteren er begrænset til værdier mellem 200 og 400 µm), sårbarhed over for tilstopning af kapillar og nødvendigheden af UV-fri betingelser forberedelsen partikel i setup.
På chip systemer bruges ofte til mikrofluid partikel påfund, da de kan nemt fremstilles og er lavet af bare ét stykke. Disse opsætninger, dog ikke kun mangler de nødvendige indstillingsmuligheder af forskellige temperaturer under strømmen men også er ikke fleksibel nok til let udveksle tilstoppede eller ødelagte dele af microreactor. Derfor, kapillær-baserede opsætninger bruger vi er mere velegnede til syntesen af LCE aktuatorer, så de opfylder de afgørende krav.
Bortset fra vores præsenteres resultaterne af aktivering af Janus-partikler og core-shell micropumps, mere komplekse aktivering af partikler med nye egenskaber kan syntetiseres i fremtiden og åbne nye muligheder for blød aktuator applikationer. Den yderligere ændring af Janus partikler multi lydhør partikler er allerede i gang. Vi tilstræber derfor indførelsen af en anden temperatur lydhør polymer udover de indgreb LCE. Yderligere muligheder for nye partikel design kan også opstå som følge af brugen af flydende krystallinske azo-monomerer, hvilket resulterer i en lys-drevne aktivering LCE-partikler17,18. I så fald kan vi tænke på Janus partikler der indeholder både en temperatur-responderende samt en foto-aktivering del. Syntesen af lys-drevet core-shell partikler eller rør-lignende strukturer tilbyder en anden mulig partikel design, hvilket ville føre til foto-responderende micropumps. Ændring af princippet mikrofluid procedurer, som vi præsenterede ovenfor bør tillade en række nye aktuatorer.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne takke den tyske Science Foundation støtte dette arbejde (Ze 230/24-1).
NanoTight fitting for 1/16'' OD tubings | Postnova_IDEX | F-333N | |
NanoTight ferrule for 1/16'' OD tubings | Postnova_IDEX | F-142N | |
PEEK Tee for 1/16” OD Tubing | Postnova_IDEX | P-728 | T-junction |
Female Fitting for 1/16” OD Tubing | Postnova_IDEX | P-835 | female luer-lock |
Male Fitting for 1/8” OD Tubing | Postnova_IDEX | P-831 | male luer-lock |
Female Luer Connectors for use with 3/32” ID tubings | Postnova_IDEX | P-858 | for the syrringe's tip |
NanoTight FEP tubing sleeve ID: 395 µm OD: 1/16'' | Postnova_IDEX | F-185 | |
Fused Silica Capillary Tubing ID: 100 µm OD: 165 µm | Postnova | Z-FSS-100165 | glass capillary |
Fused Silica Capillary Tubing ID: 280 µm OD: 360 µm | Postnova | Z-FSS-280360 | glass capillary |
‘‘Pump 33’’ DDS | Harvard Apparatus | 70-3333 | syringe pump |
Precision hot plate | Harry Gestigkeit GmbH | PZ 28-2 | |
Stereomicroscope stemi 2000-C | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 455106-9010-000 | |
Mercury vapor lamp Oriel LSH302 | LOT | Intensity: 500 W | |
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,75mm | WICOM | WIC 33104 | teflon tube |
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,50mm | WICOM | WIC 33102 | teflon tube |
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,17mm | WICOM | WIC 33101 | teflon tube |
Silicion oil 1.000 cSt | Sigma Aldrich | 378399 | |
Silicion oil 100 cSt | Sigma Aldrich | 378364 | |
1,6-hexanediol dimethacrylate | Sigma Aldrich | 246816 | Crosslinker |
Lucirin TPO | Sigma Aldrich | 415952 | Initiator |
Polarized optical microscope BX51 | Olympus | For analysis | |
Hotstage TMS 94 | Linkam | For analysis | |
Imaging software Cell^D | Olympus | For analysis |