تقنية التصوير المقتصد للتدفق الشعري من خلال مساحيق الطباعة البوليمرية ثلاثية الأبعاد
Summary
ستوفر التقنية المقترحة نهجا جديدا وفعالا ومقتصدا وغير جراحي لتصوير تدفق السوائل من خلال طبقة مسحوق معبأة ، مما ينتج عنه دقة مكانية وزمانية عالية.
Abstract
يعد تطوير تقنيات تصوير جديدة للنقل الجزيئي والغروي ، بما في ذلك الجسيمات النانوية ، مجالا للتحقيق النشط في دراسات الموائع الدقيقة والملائع. مع ظهور الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) ، ظهر مجال جديد من المواد ، مما زاد الطلب على البوليمرات الجديدة. على وجه التحديد ، تشهد مساحيق البوليمر ، مع متوسط أحجام الجسيمات بترتيب ميكرون ، اهتماما متزايدا من المجتمعات الأكاديمية والصناعية. إن التحكم في قابلية ضبط المواد على مقاييس الطول المتوسطة إلى المجهرية يخلق فرصا لتطوير مواد مبتكرة ، مثل المواد المتدرجة. في الآونة الأخيرة ، تزايدت الحاجة إلى مساحيق بوليمرية بحجم ميكرون ، حيث تتطور تطبيقات واضحة للمادة. توفر الطباعة ثلاثية الأبعاد عملية إنتاجية عالية مع ارتباط مباشر بالتطبيقات الجديدة ، مما يؤدي إلى إجراء تحقيقات في التفاعلات الفيزيائية والكيميائية وتفاعلات النقل على نطاق متوسط. يوفر البروتوكول الذي تمت مناقشته في هذه المقالة تقنية غير جراحية لتصوير تدفق السوائل في أسرة مسحوق معبأة ، مما يوفر دقة زمنية ومكانية عالية مع الاستفادة من تقنية الهاتف المحمول المتاحة بسهولة من الأجهزة المحمولة ، مثل الهواتف الذكية. من خلال استخدام جهاز محمول مشترك ، يتم التخلص من تكاليف التصوير التي ترتبط عادة بالمجهر الضوئي ، مما يؤدي إلى نهج علمي مقتصد. نجح البروتوكول المقترح في تمييز مجموعة متنوعة من مجموعات السوائل والمساحيق ، مما أدى إلى إنشاء منصة تشخيصية للتصوير السريع وتحديد المزيج الأمثل من السوائل والمسحوق.
Introduction
يمثل نفث الموثق القائم على نفث الحبر في وسائط المسحوق تقنية مهمة في التصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد). تبدأ عملية نفث الموثق بترسب السوائل الوظيفية في وسائط المسحوق باستخدام عملية الطباعة النافثة للحبر للمسح الضوئي. على وجه التحديد ، يترجم رأس الطباعة النافثة للحبر على سطح المسحوق ، ويضع عامل الربط السائل على سطح المسحوق ، وبالتالي يشكل جزءا صلبا بطريقة طبقة تلو الأخرى1. تشمل تقنيات نفث الموثق القائمة على نفث الحبر بشكل عام الرمل والمساحيق المعدنية والمساحيق البوليمرية. ومع ذلك ، لتوسيع مساحة المواد في نفث الموثق ، يلزم اتباع نهج أساسي للتحقيق في تفاعلات مسحوق السوائل ومسحوق المسحوق ، وعلم الترايبولوجيا ، وكثافة تعبئة المسحوق ، وتجميع الجسيمات. على وجه التحديد ، بالنسبة لتفاعلات مسحوق السوائل ، توجد حاجة ماسة للقدرة على تصوير تدفق السوائل عبر طبقات المسحوق في الوقت الفعلي. يعد هذا بأن يكون أداة قوية للباحثين لتضمينها كتقنية توصيف وربما كطريقة فحص لمجموعات مختلفة من السوائل والمساحيق2،3،4 ، بالإضافة إلى أنظمة أكثر تعقيدا ، مثل أنظمة الطباعة ثلاثية الأبعاد الخرسانية التي تستخدم طرق سرير الجسيمات.
يعد تطوير تقنيات تصوير جديدة للنقل الجزيئي والغروي ، بما في ذلك الجسيمات النانوية ، مجالا نشطا للتحقيق في دراسات الموائع الدقيقة والملائع. يمكن أن يكون فحص التفاعلات بين الجزيئات بواسطة تقنيات التصوير أمرا صعبا ، حيث تم القيام بالقليل من العمل لاستكشاف هذه الأنواع من التفاعلات في ظل ظروف تدفق السوائل غير المشبع وغير المستقر. ركزت العديد من الدراسات التي تم الإبلاغ عنها في الأدبيات على وسائط مشبعة ومبللة مسبقا ومسامية ، مثل حبة زجاجية5،6،7،8،9،10،11،12 والتربة 13،14،15،16،17،18 . توفر هذه التقنية نهجا غير جراحي ، مما يؤدي إلى دقة زمنية ومكانية عالية2،3،4،19. علاوة على ذلك ، توفر التقنية المطورة طريقة جديدة لتوصيف وقياس نقل الجسيمات على نطاق النانو ومقياس ميكرون في مجموعة متنوعة من الوسائط المسامية ، مع التركيز على مساحيق البوليمر.
تستخدم التقنية المقترحة جهازا محمولا لتسجيل نقل السوائل غير المشبع وغير المستقر من خلال وسائط بوليمرية مسامية ذات أبعاد جسيمية تمثل المساحيق المستخدمة في أنظمة الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تستخدم تقنيات اندماج طبقة المسحوق السائل. هذه التقنية مفيدة لأن خلايا التدفق فعالة من حيث التكلفة وقابلة لإعادة الاستخدام وصغيرة ويمكن التعامل معها بسهولة ، مما يوضح الجوانب المهيمنة للعلوم المقتصدة. إن القدرة على تنفيذ هذه التجارب البسيطة في دراسة ميدانية واضحة للغاية ، مما يلغي المضاعفات والتكلفة والوقت المطلوب في الفحص المجهري الضوئي. نظرا لسهولة إنشاء الإعداد ، والوصول إلى نتائج سريعة ، والحد الأدنى من متطلبات العينة ، تعد هذه التقنية منصة مثالية للفحص التشخيصي.
Protocol
Representative Results
Discussion
يعتمد البروتوكول الذي يتم توفيره بشكل كبير على الخصائص المادية للجزيئات التي يتم اختيارها. تشمل خصائص المواد التي تؤثر على التدفق توزيع حجم الجسيمات 2،3،4،5،11،21 ، خشونة سطح الجسيمات 11 ، الخواص الكيميائية على سطح الجسيمات2،3،…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
اي.
Materials
| µ-Slide I Luer | ibidi | 80191 | Microfluidic flow cell |
| Beaker | Southern Labware | BG1000-800 | Glassware |
| CALIBRE 301-58 LT Natural Polycarbonate Resin | TRINSEO LLC | CALIBRETM 301-58 LT | Natural polycarbonate resin |
| Ethanol | Sigma Aldrich | 1.00983 | Solvent |
| Fume Hood | Kewaunee | Supreme Air LV Fume Hoods | Used with 92 FPM at 18" opening |
| iPhone 7 plus | Apple | Camera | |
| Opaque 3D printed material | The CAD drawing is provided in the supplemental file | ||
| ORGASOL 2002 ES 6 NAT 3 | ARKEMA | A12135 | Polyamide powder |
| Pipet | VWR | 10754-268 | Disposable Transfer Pipet |
| Pipette | Globe Scientific Inc. | 3301-200 | Pipette that can hold 125 µL of fluid |
| Polystyrene | Advanced Laser Materials, LLC. | PS200 | Polystyrene for sintering |
| Tracker | Video analysis and modeling tool | ||
| VariQuest 100 White Light Model 3-3700 | FOTODYNE | 3-3700 | White light |
| Water | Distilled water |
References
- Redwood, B., Schoffer, F., Garret, B. . The 3D Printing Handbook. , (2018).
- . Three dimensional printing, Patent ID: 20210087418 Available from: https://uspto.report/patent/app/20210087418 (2021)
- . Three dimensional printing, Patent ID: 20210095152 Available from: https://uspto.report/patent/app/2021009515.2 (2021)
- Three dimensional printing, Patent ID: 20210107216. Available from: https://uspto.report/patent/app/20210107216#C00011 (2021)
- Petosa, A. R., Brennan, S. J., Rajput, F., Tufenkji, N. Transport of two metal oxide nanoparticles in saturated granular porous media: Role of water chemistry and particle coating. Water Research. 46 (4), 1273-1285 (2012).
- Giordano, S. Effective medium theory for dispersions of dielectric ellipsoids. Journal of Electrostatics. 58 (1-2), 59-76 (2003).
- Toloni, I., Lehmann, F., Ackerer, P. Modeling the effects of water velocity on TiO2 nanoparticles transport in saturated porous media. Journal of Contaminant Hydrology. 171, 42-48 (2014).
- Dang-Vu, T., Hupka, J. Characterization of porous materials by capillary rise method. Physicochemical Problems of Mineral Processing. 39, 47-65 (2005).
- Huang, W. E., Smith, C. C., Lerner, D. N., Thornton, S. F., Oram, A. Physical modelling of solute transport in porous media: evaluation of an imaging technique using UV excited fluorescent dye. Water Research. 36 (7), 1843-1853 (2002).
- Zhao, J., Li, H., Cheng, G., Cai, Y. On predicting the effective elastic properties of polymer nanocomposites by novel numerical implementation of asymptotic homogenization method. Composite Structures. 135, 297-305 (2016).
- Seymour, M. B., Chen, G., Su, C., Li, Y. Transport and retention of colloids in porous media: Does shape really matter. Environmental Science and Technology. 47 (15), 8391-8398 (2013).
- Ochiai, N., Kraft, E. L., Selker, J. S. Methods for colloid transport visualization in pore networks. Water Resources Research. 42 (12), (2006).
- Rottman, J., Sierra-Alvarez, R., Shadman, F. Real-time monitoring of nanoparticle retention in porous media. Environmental Chemistry Letters. 11 (1), 71-76 (2013).
- Xing, Y., Chen, X., Chen, X., Zhuang, J. Colloid-mediated transport of pharmaceutical and personal care products through porous media. Scientific Reports. 6 (1), 1-10 (2016).
- Dathe, A., et al. Functional models for colloid retention in porous media at the triple line. Environmental Science and Pollution Research. 21 (15), 9067-9080 (2014).
- Zhang, T., et al. Investigation of nanoparticle adsorption during transport in porous media. SPE Journal. 20 (4), 667-677 (2015).
- Zhang, Q., Karadimitriou, N. K., Hassanizadeh, S. M., Kleingeld, P. J., Imhof, A. Study of colloids transport during two-phase flow using a novel polydimethylsiloxane micro-model. Journal of Colloid and Interface Science. 401, 141-147 (2013).
- Health and environmental effects of particulate matter (PM). EPA Available from: https://www.epa.gov/pm-pollution/health-and-environmental-effects-particulate-matter-pm (2021)
- Bridge, J. W., Banwart, S. A., Heathwaite, A. L. Noninvasive quantitative measurement of colloid transport in mesoscale porous media using time lapse fluorescence imaging. Environmental Science & Technology. 40 (19), 5930-5936 (2006).
- ASTMInternational. Standard test methods for determining loose and tapped bulk densities of powders using a graduated cylinder. ASTMInternational. , (2018).
- Donovan, K. J. . Microfluidic investigations of capillary flow and surface phenomena in porous polymeric media for 3D printing. , (2019).
- . 34;Try Tracker Online." Tracker Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education Available from: https://physlets.org/tracker/ (2022)
- Janssen, P. H. M., Depaifve, S., Neveu, A., Francqui, F., Dickhoff, B. H. J. Impact of powder properties on the rheological behavior of excipients. Pharmaceutics. 13 (8), 1198 (2021).
- Boschini, F., Delaval, V., Traina, K., Vandewalle, N., Lumay, G. Linking flowability and granulometry of lactose powders. International Journal of Pharmaceutics. 494 (1), 312-320 (2015).
- Yablokova, G., et al. Rheological behavior of β-Ti and NiTi powders produced by atomization for SLM production of open porous orthopedic implants. Powder Technology. 283, 199-209 (2015).
- Lumay, G., Fiscina, J., Ludewig, F., Vandewalle, N. Influence of cohesive forces on the macroscopic properties of granular assemblies. AIP Conference Proceedings. 1542, 995 (2013).
- Lumay, G., et al. Effect of relative air humidity on the flowability of lactose powders. Journal of Drug Delivery Science and Technology. 35, 207-212 (2016).
