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.
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.
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:
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:
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 | |||
Equipment | Company | Catalogue number | Comments |
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 |