Summary
To tilstødende væsker, der passerer gennem en rillet mikrofluidic kanal kan rettes til at danne en kappe omkring en prepolymer kerne; og dermed bestemme både form og tværsnit. Fotoinitieret polymerisering, såsom thiol klikkemi, er velegnet til hurtigt at størkne kernevæsken til en mikrofiber med forudbestemt størrelse og form.
Abstract
En "kappe" væske, der passerer gennem en mikrofluidic kanal ved lav Reynolds nummer kan rettes omkring en anden "kerne" strøm og bruges til at diktere formen samt diameteren af en kerne strøm. Riller i toppen og bunden af en mikrofluidic kanal var designet til at lede kappen væske og forme kernen væske. Ved at matche kappens og kernevæskernes viskositet og hydrofilicitet minimeres de interfaciale virkninger, og der kan dannes komplekse væskeformer. Styring af de relative strømningshastigheder af kappen og kernevæskerne bestemmer tværsnitsområdet af kernevæsken. Fibre er produceret med størrelser fra 300 nm til ~ 1 mm, og fiber tværsnit kan være runde, flade, firkantede eller komplekse som i tilfældet med dobbelt ankerfibre. Polymerisering af kernevæsken nedstrøms fra formområdet størkner fibrene. Fotoindviede klikkemier er velegnede til hurtig polymerisering af kernevæsken ved bestråling med ultraviolet lys. Fibre med en bred vifte af former er fremstillet af en liste over polymerer, herunder flydende krystaller, poly (methylmethacrylat), thiol-ene og thiol-yne harpikser, polyethylen glycol, og hydrogel derivater. Minimal forskydning under formningsprocessen og milde polymeriseringsforhold gør også fremstillingsprocessen velegnet til indkapsling af celler og andre biologiske komponenter.
Introduction
Væv stilladser1,kompositmaterialer2,optisk kommunikation3, og ledende hybrid materialer4 er forskningsområder udnytte specialiserede polymerfibre. Konventionelle metoder til fiberfremstilling omfatter smelte ekstrudering, spinning, tegning, støbning og elektrospinning. De fleste af de polymerfibre, der produceres ved disse metoder, udviser runde tværsnit, der er skabt af overfladespænding mellem polymeren og luften under fremstillingen. Men, fibre med nonround tværsnit kan forbedre de mekaniske egenskaber af kompositmaterialer5,6, øge overfladeareal-til-volumen nøgletal, kontrol bevæbning eller fugtspredende7, og bruges som waveguides8 eller polarisatorer9.
Produktion af specialiserede polymerfibre ved mikrofluidiske systemer, der anvender en strøm (kappe flow) til at omgive og forme en anden strøm (kerne flow) er tiltalende på grund af de milde forhold og kapacitet til kontinuerlig produktion af meget reproducerbare fibre. Indledende eksperimenter produceret runde fibre med størrelser afhængig af den relative strømningshastigheder af prepolymer og kappe væsker10-12. Opdagelsen af, at riller i toppen og bunden af den mikrofluidiske kanal kunne aflede kappen til at producere en forudbestemt form til kernestrømmen13,14 førte til teknologi til at generere mere komplekse fiberformer10-12,15-17.
NRL efterforskere har vist følgende kritiske tekniske træk13-21:
- En række forme funktioner kan bruges til at lede kappen væske til at forme kernen strøm: riller eller kamme kan konfigureres som striber, chevrons, eller sildeben.
- En værktøjskasse med disse funktioner kan knyttes til det ønskede flowresultat.
- Mikrokanaler kan oprettes ved hjælp af litografi, støbning, fræsning eller udskrivningsteknikker. Substratmaterialerne må ikke opløses eller erodere i præpolymer- eller kappeopløsningerne, og for fotoindviede polymeriseringer skal de eksterne lag være gennemsigtige for ultraviolet lys.
- Figuren, der oprettes af et enkelt sæt formefunktioner, kan ændres ved at ændre strømningshastighederne gennem kanalen. COMSOL Multifysik simuleringer af væske flow i mikrokanaler er i stand til at forudsige den resulterende væske og fiber former.
- Matchende viskositet og fase (hydrofilicitet) af kappen og kernevæsker er afgørende for at undgå buckling type ustabilitet, som følge af variation i forskydning stamme på tværs af væske interface. Hvis der er en stor viskositet eller fase mismatch tyktflydende buckling kan forekomme, muligvis deformere den endelige fiber form eller endda tilstopning mikrokanalen.
- Fibre kan dannes ved støbning eller polymerisering, men polymerisering giver mere kontrol over formen.
- Polymerisering (størkning af kernevæsken) skal ske, inden mikrokanalen forlades. Men langsommere polymerisering i kanalen kan forårsage en stigning i viskositet, der påvirker fiber form eller endda tilstopning kanalen. Tid og sted for polymeriseringshændelser skal kontrolleres omhyggeligt.
- På grund af deres hurtige reaktion kinetik, foto-induceret frie radikaler polymerisationer, især thiol-baserede klik kemi, er særligt velegnede til fiberproduktion.
- De relative strømningshastigheder kan ændres under fremstillingen for at skabe ikke-uniforme fiberdiametre.
- Flere grupper af forme funktioner kan integreres i en enkelt kanal af følgende grunde:
- Sådan adskilles forme- og størrelsesfunktionerne
- Sådan oprettes flerlagsfibre eller hule fibre
- At producere flere fibre fra en enkelt mikrofluidic kanal
- Flydende krystal mesogens indarbejdet i polymeren ved meget lave koncentrationer udviser birefringence under polariseret lys, hvilket tyder på, at polymermolekyler kan justeres langs fiberaksen.
- Celler kan inkorporeres i biokompatible hydrogel prepolymerer og overleve fremstillingsprocessen med høj levedygtighed22.
Ved fremstilling af polymerfibre ved hjælp af hydrodynamisk fokusering ved en kappestrøm for at forme en prepolymerstrøm er valg af polymermaterialer et praktisk første skridt. De relevante polymerer, tilsvarende initiatorkemier og kappevæsker bør identificeres inden for følgende retningslinjer:
- Polymer- og kappevæsker er fejlerbare og har samme viskositet. For eksempel kunne en vandig monomer løsning bruge vand som en levedygtig kappevæske, men kunne ikke anvende hexin som kappevæsken.
- Polymeriseringsmekanismen skal have hurtig nok hastighed kinetik til at størkne kernevæsken efter formning og umiddelbart før fiberen forlader kanalen.
Når materialerne er valgt, skal en mikrokanal til at generere den ønskede fiberform og størrelse designes. For at bestemme de nødvendige forme funktioner (striber, sildeben, chevrons), beregningsmæssige væske dynamik software kan bruges til at forudsige væske flow mønstre. Formningsfunktionerne transporterer kappevæsken rundt om kernevæsken. Generelt flytter striber kappevæsken over toppen og bunden af kanalen fra den ene side til den anden, mens sildeben og chevrons flytter væsken væk fra siderne mod toppen og / eller bunden af kanalen og derefter tilbage mod midten af kanalen direkte under strukturens punkt. Antallet af gentagne riller i toppen og bunden af kanalen påvirker, i hvor høj grad kappevæsken er rettet mod. Forholdet mellem strømningshastigheder af kernen og kappevæsken formidler også effekten. Simuleringer ved hjælp af COMSOL Multiphysics software har vist sig pålidelige i evalueringen af samspillet mellem formning funktioner og flow-rate nøgletal til at forudsige tværsnitsformen. Disse simuleringer giver også nyttig indsigt i udbredelsen af opløste stoffer mellem kernen og kappen med størrelsen af kanalen, viskositet og foreslåede strømningshastigheder.
Hvis en kompleks form ønskes, såsom "dobbelt anker" beskrevet i Boyd et al. 23, det er nyttigt at adskille funktionerne til formning og dimensionering. En kompleks form kan skabes med et sæt funktioner, og derefter kan en strategisk placeret enkeltsporet struktur placeret ved indgangen til en anden kappestrøm bruges til at reducere tværsnitsarealet af polymerizable stream uden væsentligt at ændre dens form.
Et andet eksempel på komplekse mikrokanal design kan generere multilayer fibre. I dette design introduceres sekventielle sæt formefunktioner og yderligere beklædningsvæsker. Disse koncentriske strømme kan størknes til faste kernebeklædningsfibre eller hule rør. Et eksempel på denne enhed vil blive præsenteret nedenfor.
Når designet af den mikrofluidiske enhed er valgt, kan mikrokanalfremstillingsprocessen begynde. Fremstillingsværktøjer, der kan bruges, omfatter blød litografi, CNC-fræsning, varm prægning og 3D-udskrivning. Uanset de anvendte værktøjer er det vigtigt at indse, at funktioner, der ved et uheld introduceres i væggen på den mikrofluidiske kanal, også vil lede kappestrømmen og kan resultere i meget reproducerbare afvigelser i tværsnitsformen af alle fibre, der er lavet ved hjælp af denne enhed. Mikrokanalsubstratmaterialer bør også nøje udvælges, så de er fysisk robuste, kemisk inerte og modstandsdygtige over for UV-skader. For eksempel kan polydimethylsiloxan (PDMS) let støbes, giver pakning-lignende sæler, og er UV-gennemsigtig; PDMS er nyttigt for den gennemsigtige toppen af kanalen, men ikke siderne og bunden af kanalen, som har brug for mere stivhed.
I sidste ende, ved at indføre korrekt udvalgte kerne og kappe væsker på flow satser forudsagt af væske dynamik simuleringer, vil forme funktioner generere passende væske profil og downstream UV hærdning lampe vil størkne de designede polymer fibre. Kontinuerlig ekstrudering af de polymeriserede fibre fra kanalen kan give reproducerbare fibre i længder, der kun er begrænset af væskereservoirernes volumen.
Protocol
Denne protokol beskriver fremstillingen af en hul fiber ved hjælp af fotoinitiated thiol-yne klik kemi. Mikrokanalen har chevron riller eller "striber" som forme funktioner i bunden og toppen af kanalen (Figur 1). Tre væsker introduceres og ledes i koncentriske strømme; fra de indre til ydre væskestrømme kaldes disse kernen, beklædningen og kappevæsken. Kun beklædningsflowet polymeriseres for at danne den hule fiber. De valgte materialer er som følger:
- Kernevæske: PEG (M.W. = 400), ~100 mPa. sek. (20 ºC)
- Beklædningsvæske: Thiol-yne Polymer (PETMP + ODY), Initiativtager (DMPA)
- Kappe væske: PEG (MW = 400), ~ 100 mPa. sek. (20 ºC)
Mikrokanalenheden blev samlet af aluminiums- og plastdele fremstillet af CNC-fræsning og PDMS-støbning. Flow gennem mikrokanalen blev kontrolleret af tre sprøjtepumper.
1. Design og simulering af mikrokanal
Ved beregning af både væskehastighed og konvektion/diffusion i mikrokanalen er det afgørende at tildele den korrekte viskositet til hver indkommende væske.
- Opret en computermodel af den ønskede mikrokanal, der skal importeres til COMSOL (Computational Fluid Dynamics Software). Eksemplet i Figur 1 blev genereret med Autodesk Inventor CAD-software. Følgende trin er med henvisning til brugen af COMSOL Multiphysics til beregning af væske flow i en mikrokanal.
- Efter import af den designede mikrokanal til COMSOL kan iterative væskestrømshastigheder introduceres i Navier-Stokes-løseren.
- Initialiser programindstillingen, og vælg 3D Laminar Flow+Konvektions-/Diffusionsligninger. De lave Reynolds-tal, der genereres i mikrokanalerne, muliggør et fuldstændigt laminarflow i enheden.
- Design en maske for et begrænset element, som de numeriske beregninger skal udføres på. Masken bør være mere raffineret (have små inddelinger) i områder, hvor egenskaberne ændrer sig hurtigt. Det foreslås at forfine masken ved både formningsfunktionen og udgangen til <1 μm sidelængde. Dette giver mulighed for "sprød" visualisering af core-kappe væske interface.
- Inputmaterialeegenskaber for væskeflow, dvs. viskositet, diffusionskonstant og koncentration. På dette tidspunkt skal du også angive grænsebetingelserne for udgangsflowet. Vi foreslår nul tyktflydende stress for at simulere en åben stikkontakt.
- Beregn undersøgelser af væskeflowhastighed ved iterativt at cykle gennem en række inputflowhastigheder. For eksempel kernevæske = 7,5 μl/min. kappevæske = 30 μl/min.
- Importér hastighedsfeltopløsningerne som de første værdier for at løse mikrokanalflowets konvektions-/diffusionsegenskaber. Løsningen på konvektions-/diffusionsproblemerne vil illustrere kerne-kappevæske-grænsefladen og hjælpe med at forudsige formen på det endelige væskeflow og den producerede fiber.
Fra beregningsresultaterne kan det krævede antal og type formefunktioner forudsiges for at opnå den ønskede fiberform. Væskestrømshastigheden vil også korrelere med de krævede strømningshastigheder til generering af fibrene. Med disse forudsigelser kan en mikrokanalenhed fremstilles til ekstrudering af polymerfibre.
2. Fremstilling af komponenter til kappestrømsapparater
En kombination af direkte mikromilling, hot-prægning, og / eller polymer støbning kan bruges til at skabe komponenterne i kappen flow enhed. Afhængigt af ressourcerne skal du vælge strategien i overensstemmelse hermed. Det viste eksempel er en direkte fræseproces, der bruger en CNC (Computer Numerical Code). Der er fem lag, der skal laves (fra top til bund), som er afbildet i figur 2: 1. Indløbspatron (aluminium), 2. Fastgørelsesplade (aluminium), 3. Mikrokanaltoplag (cyklisk olefinkopolymer, COC eller PDMS), 4. Mikrokanalbundlag (COC eller polyetheretherketon, PEEK), 5. Fastgørelsesplade (aluminium). (Eksempelfiler til direkte fræsning er tilgængelige i *.stl-format i supplerende oplysninger)
- Ved hjælp af et design, der er kompatibelt med COMSOL-simuleringerne, skal du udvikle en 3D-model af systemet via computerstøttet udarbejdelse (CAD). Opret en separat CAD-fil for hvert lag af enheden.
- Når et lag skal fremstilles via direkte mikromilling, skal du importere CAD-modellerne til et computerstøttet bearbejdningsprogram for at generere numerisk kode (NC), der fortolkes af computer numerisk styrede (CNC) mølle til at producere enheden.
- Erhverve 5 ark på 30,5 cm × 30,5 cm offerlag materialer, der er mindst 3,2 mm tykke.
- Anskaf 1 ark hver af COC, PEEK, aluminium og poly (methylmethacrylat), der er 30,5 cm × 30,5 cm og 3,2 mm tyk.
- Køb 1 ark aluminium, der er 30,5 cm × 30,5 cm og 9,5 mm tyk.
- Anbringe hvert af arkene i trin 2.4-2.5 på et ark offerlager fra trin 2.3 med dobbeltsidet klæbemiddel. Sørg for, at der højst findes en ydre u tapede kant på 2,5 cm. Båndet tjener til at holde arbejdsmaterialet på plads, mens det fræses, og til at beskytte det, når den fræsede del er skåret væk fra stammaterialet i slutningen af møllecyklussen.
- Fastgør COC + offerlageret til CNC-møllens bord, læg de værktøjer, der er citeret i den numeriske kode (NC), og kalibrer værktøjerne og lagermaterialerne (arbejdsmaterialet) i x, y og z.
- Indlæs NC-koden, og fræs COC-laget.
- Fjern materialearket fra møllen og fjern forsigtigt den bearbejdede del fra substratet. Under denne proces vil møllekølevæske mætte delen og bestanden. Skyl grundigt, før du forsigtigt fjerner delen. Vask med et mildt rengøringsmiddel, efterfulgt af vask med en 70% isopropylalkohol. Det milde vaskemiddel vil fjerne fedtet rester, og alkoholen vil fjerne resterende klæbemiddel. Hvis grater er fanget i mikroarkitekturerne, kan sonikering være nødvendig for at løsne dem.
- Gentag trin 2.7 og 2.9 for hvert af de andre lag, der skal bruges til at oprette kappeflowenheden.
- Med undtagelse af PMMA-laget vil hvert af de lag, der er forberedt til dette punkt, blive brugt direkte i enheden. PMMA vil blive brugt til at forberede et PDMS-lag ved at kombinere 10 dele Sylgard 184 base med 1 del hærdningsmiddel og blande grundigt ved omrøring. Disse oplysninger gives, hvis man hellere vil erstatte et af COC-lagene med det pakningslignende PDMS-materiale.
- Hæld Sylgard 184 i PMMA skimmel hulrum forberedt tidligere, sikre, at luftbobler er elimineret. Om nødvendigt kan bobler fjernes i et vakuum. PDMS kan helbredes ved stuetemperatur i 48 timer, 45 min ved 100 °C, 20 min ved 125 °C eller 10 min ved 150 °C.
3. Samling af kappestrømsapparater
- Sammensæt kappeflowenheden nedefra og op ved at placere en fastgørelsesplade i bunden, derefter COC-laget efterfulgt af det andet COC-lag og den resterende fastgørelsesplade (Figur 2). Sørg for, at forme rillerne flugter med hinanden langs kanalens kanter, og at væskeformningsgeometrierne i COC-lagene overlapper hinanden perfekt. En dissektion mikroskop kan bruges til at støtte i tilpasningen.
- Sæt bolte over midten af enheden, og hånd stramme møtrikker og bolte til at klemme enheden sammen.
- Skiftevis fra venstre mod højre i midten skal du gentage trin 3.2 fra midten og ud for at låse justeringen og forhindre lækager. Tilsæt indløbspatronen, når monteringshullerne er nået, og fortsæt med at montere skruerne skiftevis.
- Brug HPLC-standardarmaturer til at tilpasse kappeflowenheden til slangen og sprøjterne, der indeholder kappevæske og præpolymeropløsning. Håndstramning er tilstrækkelig til alle tilslutninger.
- Monter enheden lodret ved hjælp af et ringstativ og klemme. Sørg for, at enheden er lodret ved hjælp af et niveau på den øverste del. Hvis kappeflowenheden ikke er lodret, kan fiberen røre ved mikrokanalvæggen og forårsage tilstopning.
- Placer UV-kilden vinkelret ~1 cm fra kappens COC-side, således at de sidste 3-5 cm af mikrokanalen bestråles. UV-kilden skal kalibreres til at levere ~200 mW/cm2.
4. Forberedelse af opløsning
Som tidligere nævnt kan mange materialer bruges til at skabe mikrofibre ved hjælp af analoge protokoller og kappeflowsystemer, men thiol-yne kemi bruges her. Forbered prepolymer-opløsningen umiddelbart før du begynder fiberudrustningsprocessen for at undgå den stigning i viskositet, der kan forekomme over tid under opbevaring.
- Forbered en aliquot af polyethylen glycol 400 (PEG 400) til at tjene som kappevæsken.
- Fyld en 1 ml Luer-tippet sprøjte med PEG 400 for at tjene som en ikke-udskiftelig kernevæske, og fyld en 30 ml Luer-tippet sprøjte med PEG 400 for at tjene som kappevæske.
- Forbered en prepolymer opløsning, der indeholder 0,01 mol pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate (PETMP) og 0,01 mol 1,7-octadiyne (ODY). Sørg for, at de to komponenter blandes godt under hele forsøget, og minimer eksponeringen af alle præpolymerreagenser for kilder til UV-lys, herunder omgivende lys(f.eks. wrap sprøjter med folie).
- Suppler PETMP/ODY-opløsningen med 4 x 10-4 mol 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPA) fotoinitiator. Fortsæt med at sikre, at opløsningerne er godt blandet, og at de ikke udsættes for UV-lys ved at dække beholderne med aluminiumsfolie.
- Lad en 5 ml aluminiumsfolieindpakket, Luer-tippet sprøjte med prepolymeropløsningen.
5. Produktion af mikrofibre (Videofokus)
- Sørg for, at udgangsåbningen af den mikrofluidiske kanal er i kontakt med en opløsning i opsamlingsbadet (figur 3). For komplekse strukturer skal opløsningen i opsamlingsbadet være viskositetsmatchet til kernen og kappevæskerne, men for de enkle hule fibre er vand tilstrækkeligt.
- Indstil kerne-, beklædnings- og kappevæskesprøjtepumperne til at indgyde henholdsvis 1, 30 og 120 μl/min. Sørg for, at de respektive sprøjtediametre er kommet korrekt ind i sprøjtepumperne.
- Monter sprøjterne i deres tilsvarende sprøjtepumper og tilslut dem til kappens flowenhed med UV-beskyttende Tygon-slange.
- Start kappevæsken for at prime kappestrømsenheden og fjerne luft fra systemet. Undersøg mikrokanalen visuelt, og sørg for, at der ikke forbliver luftbobler i mikrokanalen, før du går videre til næste trin. Vær særlig opmærksom på striberne. Et dissektionsmikroskop kan anvendes til at hjælpe med mikrokanalinspektion. Hvis der er luftbobler til stede, omrøres enheden ved at rotere og/eller trykke forsigtigt, mens den er under strøm for at skylle luftbobler ud af enheden.
- Start beklædningsvæsken, så strømmen også stabiliseres. Sørg for, at der ikke er luftbobler tilbage i mikrokanalen, før du går videre til næste trin. Vær særlig opmærksom på forme riller. Hvis der findes luftbobler, omrøres enheden under strømning for at skylle luftboblerne ud af enheden.
- Endelig skal du starte kernevæsken; igen, sikre, at bobler ikke er til stede i systemet.
- Tænd for UV-kilden, og overhold indsamlingsbadet for kontinuerlig produktion af den hule mikrofiber (Figur 4A), da den skubbes ud med kappevæsken. Hent fiberen fra opsamlingsbadet ved hjælp af en modificeret spatel eller en podende løkke, og lad den kontinuerlige fiber blive indsamlet på en motoriseret spole (Figur 3).
Representative Results
Et simpelt 2-trins design, ved hjælp af forme riller og tre løsning indgange, blev brugt til at skabe hule fibre (Figur 1). COMSOL-simuleringer blev brugt til at bestemme de relevante flowhastighedsforhold for at opnå den ønskede tværsnitsstørrelse (Figur 1, ESI Video). En kombination af fræsning og støbning producerede komponenterne til kappeflowsamlingen for at fremstille fibrene (Figur 2). Den komplette samling omfattede kappe flow enhed, fiberoptisk-koblet UV-laser, tre sprøjte pumper, en samling bad (bægerglas), og en fiber samling spole (Figur 3).
Polymerisering af beklædningsmaterialet blev indledt af UV-lyskilden, og hule fibre blev ekstruderet fra mikrokanalen ind i opsamlingsbadet. Fiberen blev dannet og blev indsamlet kontinuerligt, indtil UV-lyset blev slukket. Produktionen af fibre fortsatte i minutter og genererede en enkelt fiber over en meter i længden. Fibre fremstillet under disse forhold var ca. 200 μm i diameter. Fiberernes struktur blev visualiseret ved hjælp af optisk og elektronmikroskopi. Fibrene havde en oval form med en hul kerne. Kapillær handling blev brugt til at introducere væske og bobler i det indre af fiberen og bekræftede, at den hule struktur var kontinuerlig over fiberens længde (Figur 4A).
Figur 1. Design af kappeflow-enhed og COMSOL-data. Den to-sektion fabrikation enhed med lige riller blev udvalgt til at producere en hul fiber (roteret omkring x-aksen 45 °). COMSOL-simuleringerne til venstre viser, hvordan kerneforholdet:beklædning:kappeflow-rate ratio (tal under hver simulering) påvirker den endelige størrelse af de hule fibre. Mikrokanal tværsnit er 1 mm x 0,75 mm, og striberne er 0,38 mm brede og 250 μm dybe. Striberne er på et ∠ 45° i forhold til kanalen.
Figur 2. Eksploderet udsigt over skede flow forsamling. Fra top til bund , (A) indløbspatron, (B) fastgørelsesplade, (C) mikrokanaldæksel, (D) mikrokanalbase, (E) fastgørelsesplade. Komponenterne er fremstillet af henholdsvis aluminium, aluminium, COC (eller PDMS), COC (eller PEEK) og aluminium. De regelmæssigt fordelte huller rummer montageskruer.
Figur 3. Foto af layout og skematisk oversigt. Opsætningen omfatter kappe flow samling sikret lodret over bægerglas indeholdende vandbad, fiberoptisk laser til fotopolymerisering, tre sprøjte pumper, og spindel til indsamling af polymerfibre. Indsat viser fabrikation forsamling med UV-belysning. (A) Kappe og kerneindløb ,b) mikrofluidisk kanal , (C) UV-lys , (D) opsamlingsbeholder , (E) polymeriseret fiber, der indsamles.
Figur 4. Optiske og scanning elektron mikrograf billeder af fibre lavet ved hjælp af hydrodynamisk fokusering. Fibre er fremstillet i følgende former ved hjælp af hydrodynamisk fokusering: (A) Hule rør, (B) Rektangulære bånd, (C) Tynde elastiske bånd, (D) Trekanter, (E) Kidneybønner, (F) Perlestreng, (G) Rund fiber med indlejret kulstof nanofiber, og (H) Dobbelt anker formet. Fibrene er lavet af forskellige materialer, herunder akrylater, methacrylater og thiol-enes.
ESI-video. Skive plot produceret i COMSOL Multifysik skildrer den ene halvdel af mikrokanal med kerne, beklædning, og kappe væsker ind i enheden og gennemkører de to-trins flow-ændre diagonal stribe riller. De simulerede kerne-, beklædnings- og kappeflowhastigheder er henholdsvis 1, 28 og 256 μl/min. Videoen repræsenterer ~ 6 sek i realtid, bremset 6-fold til illustrative formål.
Discussion
Fremstilling af polymerfibre ved hjælp af kappe flow tilgang har flere fordele i forhold til andre fiber fabrikation teknikker. En af disse fordele er evnen til at fremstille fibre ved hjælp af forskellige reagenskombinationer. Selv om en specifik thiol-yne kombination blev præsenteret her, flere andre thiol klik (herunder thiol-ene) kemi kombinationer fungerer lige så godt. En bred vifte af andre kombinationer kan anvendes til at producere fibre, så længe kappen løsning er fejlbarlig med det centrale materiale, der skal polymeriseres. Inklusioner som nanofibre, partikler og celler er også mulige, så længe der tages hensyn til disse tilsætningsstoffers viskositet i præpolymeropløsningen.
Thiol klik kemi er en delmængde af klik kemi familie, hvor et kompleks med en thiol gruppe kan kovalent knyttet til et kompleks med enten en alken (dobbelt obligation) eller alkyne (triple bond) funktionelle gruppe ved UV-lys fotopolymerisering. Reaktioner, der involverer alkener, kaldes thiol-ene reaktioner, og reaktioner, der involverer alkyner, kaldes thiol-yne-reaktioner. En pi bond (fra en alken eller alkyne) vil knytte til en thiol gruppe ved UV-lys bestråling. Processen passer godt ind i klikfamilien af reaktioner og er effektivt blevet brugt i vores mikrofluidiske kanal til at producere fibre i forskellige former(f.eks. runde, båndformede, dobbeltanker) fra adskillige thiol klikstartkomponenter.
En særlig fordel ved den metode, der er skitseret her i forhold til de fleste andre lignende processer, er evnen til at kontrollere både formen og størrelsen af de producerede fibre (Figur 4A-H). Ved at designe en kanal til at have striber, chevrons eller sildeben, vil den producerede fiber have en anden tværsnitsform. Generelt er striberne nyttige til fremstilling af runde former eller til indførelse af yderligere kappestrømme for helt at omringe tidligere formede vandløb og flytte dem væk fra kanalvæggene før polymerisering. Chevrons reducerer den lodrette dimension i midten af den formede strøm og opretholder den vandrette symmetri. Sildebenene reducerer den lodrette dimension af den ene side af den formede strøm og producerer asymmetri. Disse formværktøjer kan blandes i utallige kombinationer. Antallet af tilsvarende funktioner(dvs. 7 chevrons versus 10 chevrons) kan også bruges til at producere fibre med forskellige tværsnitsprofiler.
Ud over evnen til at kontrollere fiberformen giver den fremlagte fiberfremstillingsmetode også mulighed for at kontrollere størrelsen af de fremstillede fibre, selv ved hjælp af en enkelt kappestrømssamling (f.eks. figur 1). Justering af kappen:kernestrømshastighedsforholdet er et middel til at fremstille fibre med forskellige tværsnitsområder. Det er også muligt at kontrollere fiberens størrelse ved at justere kanaldesignet for at få yderligere beklædningsstadier. Uanset om udformningen sker i et eller flere faser, kan en simpel sidste fase bruges til at reducere kernens størrelse uden at ændre formen.
Den lethed, hvormed et væld af reagenskombinationer kan bruges til at producere fibre i forskellige former og størrelser ved hjælp af dette mikrofluidiske kanaldesign, vil vise sig nyttig i en lang række applikationer, fra vævsteknik til optisk kommunikation til smarte tekstiler.
Disclosures
De patenter, der er anført i referencerne er tilgængelige for licens fra Department of the Navy (http://www.nrl.navy.mil/doing-business/tech-transfer/).
Acknowledgments
Darryl A. Boyd og Michael A. Daniele er National Research Council Postdoctoral Fellows. Arbejdet blev støttet af ONR/NRL's arbejdsenheder 4286 og 9899. Synspunkterne er forfatternes og repræsenterer ikke den amerikanske flådes eller forsvarsministeriums mening eller politik.
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).
