Nøjsommelig billeddannelsesteknik for kapillærstrøm gennem tredimensionelle polymere trykpulvere
Summary
Den foreslåede teknik vil give en ny, effektiv, sparsommelig og ikke-invasiv tilgang til billeddannelse af fluidisk strømning gennem et pakket pulverleje, hvilket giver høj rumlig og tidsmæssig opløsning.
Abstract
Udviklingen af nye billeddannelsesteknikker til molekylær og kolloid transport, herunder nanopartikler, er et område, hvor der aktivt undersøges mikrofluidiske og millifluidiske undersøgelser. Med fremkomsten af tredimensionel (3D) udskrivning er der opstået et nyt domæne af materialer, hvilket øger efterspørgslen efter nye polymerer. Specifikt oplever polymere pulvere med gennemsnitlige partikelstørrelser i størrelsesordenen en mikron en stigende interesse fra akademiske og industrielle samfund. Styring af materialetunbarhed ved mesoskopiske til mikroskopiske længdeskalaer skaber muligheder for at udvikle innovative materialer, såsom gradientmaterialer. For nylig er et behov for polymere pulvere i mikronstørrelse vokset, da der udvikles klare anvendelser af materialet. Tredimensionel udskrivning giver en high-throughput proces med en direkte forbindelse til nye applikationer, der driver undersøgelser af fysisk-kemiske og transportinteraktioner på mesoskala. Protokollen, der diskuteres i denne artikel, giver en ikke-invasiv teknik til at afbilde væskestrøm i pakkede pulversenge, hvilket giver høj tidsmæssig og rumlig opløsning, samtidig med at der udnyttes mobilteknologi, der er let tilgængelig fra mobile enheder, såsom smartphones. Ved at bruge en fælles mobil enhed elimineres de billeddannelsesomkostninger, der normalt ville være forbundet med et optisk mikroskop, hvilket resulterer i en sparsommelig videnskabelig tilgang. Den foreslåede protokol har med succes karakteriseret en række kombinationer af væsker og pulvere, hvilket skaber en diagnostisk platform til hurtig billeddannelse og identifikation af en optimal kombination af væske og pulver.
Introduction
Inkjet-baseret bindemiddel, der stråler ind i pulvermedier, repræsenterer en vigtig teknologi inden for additiv fremstilling (3D-print). Bindemiddelstråleprocessen begynder med deponering af funktionelle væsker i pulvermedier ved hjælp af en scanningsinkjetudskrivningsproces. Specifikt oversætter et inkjetprinthoved over pulveroverfladen, deponerer det flydende bindemiddel på en pulveroverflade og danner derved en fast del på en lag-for-lag-måde1. Inkjet-baserede bindemiddelstråleteknologier inkluderer generelt sand, metalpulver og polymerpulver. For at udvide materialernes plads i bindemiddeljetting kræves der imidlertid en grundlæggende tilgang til undersøgelse af fluid-pulver og pulver-pulverinteraktioner, tribologi, pulverpakningstæthed og partikelaggregering. Specifikt for væske-pulver-interaktioner findes der et kritisk behov for evnen til at afbilde væskestrøm gennem pulverlejer i realtid. Dette lover at være et kraftfuldt værktøj for forskere at inkludere som en karakteriseringsteknik og potentielt som en screeningsmetode for forskellige kombinationer af væsker og pulvere 2,3,4 samt mere komplekse systemer, såsom konkrete 3D-printsystemer, der bruger partikelbedmetoder.
Udviklingen af nye billeddannelsesteknikker til molekylær og kolloid transport, herunder nanopartikler, er et aktivt undersøgelsesområde i mikrofluidiske og millifluidiske undersøgelser. Undersøgelse af intermolekylære interaktioner ved hjælp af billeddannelsesteknikker kan være udfordrende, da der ikke er gjort meget arbejde for at undersøge disse typer interaktioner under betingelserne for umættet og ustabil væskestrøm. Mange af de undersøgelser, der er rapporteret i litteraturen, har fokuseret på et mættet, forvædet, porøst medie, såsom glasperle 5,6,7,8,9,10,11,12 og jord 13,14,15,16,17,18 . Denne teknik giver en ikke-invasiv tilgang, hvilket resulterer i høj tidsmæssig og rumlig opløsning 2,3,4,19. Desuden giver den udviklede teknik en ny metode til karakterisering og kvantificering af partikeltransport i nanoskala og mikronskala i en række porøse medier med fokus på polymere pulvere.
Den foreslåede teknik anvender en mobil enhed til at registrere umættet, ustabil fluidisk transport gennem porøse polymere medier med partikeldimensioner, der er repræsentative for de pulvere, der anvendes i 3D-printsystemer, der bruger fluidiske pulverbedfusionsteknologier. Denne teknik er fordelagtig, da flowcellerne er omkostningseffektive, genanvendelige, små og lette at håndtere, hvilket illustrerer de dominerende aspekter af sparsommelig videnskab. Evnen til at implementere disse enkle eksperimenter i et feltstudie er meget ligetil, hvilket eliminerer de komplikationer, omkostninger og tid, der kræves i optisk mikroskopi. I betragtning af den lette oprettelse af opsætningen, adgangen til hurtige resultater og det minimale antal prøvekrav er denne teknik en optimal platform til diagnostisk screening.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den protokol, der leveres, er stærkt afhængig af materialeegenskaberne for de valgte partikler. Materialeegenskaber, der påvirker flowet, omfatter partikelstørrelsesfordeling 2,3,4,5,11,21, partikeloverfladens ruhed 11, kemiske egenskaber ved partikeloverfladen 2,3,4,5,11,16,21,23<sup class="xre…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ingen.
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).
