To tilstøtende væsker som passerer gjennom en rillet mikrofluidisk kanal kan rettes mot å danne en kappe rundt en prepolymerkjerne; dermed bestemme både form og tverrsnitt. Fotoinitiert polymerisasjon, for eksempel thiol click kjemi, er godt egnet for raskt å størkne kjernevæsken i en mikrofiber med forhåndsbestemt størrelse og form.
En “kappe” væske som passerer gjennom en mikrofluidisk kanal ved lavt Reynolds-nummer, kan rettes rundt en annen “kjerne” -strøm og brukes til å diktere formen så vel som diameteren til en kjernestrøm. Spor i toppen og bunnen av en mikrofluidisk kanal ble designet for å lede hylsevæsken og forme kjernevæsken. Ved å matche viskositeten og hydrofilisiteten til hylsen og kjernevæskene, minimeres de interfaciale effektene og komplekse væskeformer kan dannes. Styring av de relative strømningshastighetene til hylsen og kjernevæskene bestemmer tverrsnittsområdet til kjernevæsken. Fibre er produsert med størrelser fra 300 nm til ~ 1 mm, og fiber tverrsnitt kan være runde, flate, firkantede eller komplekse som i tilfelle med doble ankerfibre. Polymerisering av kjernevæsken nedstrøms fra formingsområdet styrker fibrene. Fotoinitierte klikkkjemier er godt egnet for rask polymerisering av kjernevæsken ved bestråling med ultrafiolett lys. Fibre med et bredt utvalg av former er produsert fra en liste over polymerer, inkludert flytende krystaller, poly (metylmetakrylat), tiol-ene og tiol-yne harpikser, polyetylenglykol og hydrogelderivater. Minimal skjær under formingsprosessen og milde polymerisasjonsforhold gjør også fabrikasjonsprosessen godt egnet for innkapsling av celler og andre biologiske komponenter.
Vevstillas1, komposittmaterialer2, optisk kommunikasjon3og ledende hybridmaterialer4 er forskningsområder som bruker spesialiserte polymerfibre. Konvensjonelle metoder for fiberproduksjon inkluderer smelteekstrudering, spinning, tegning, støping og elektrospinning. De fleste polymerfibrene som produseres ved disse metodene, viser runde tverrsnitt som skapes av overflatespenning mellom polymer og luft under fabrikasjon. Fibre med ikke-round tverrsnitt kan imidlertid forbedre de mekaniske egenskapene til komposittmaterialer5,6, øke forholdet mellom overflateareal og volum, kontrollere fukting eller fukting7, og brukes som bølgeledere8 eller polarisatorer9.
Produksjon av spesialiserte polymerfibre av mikrofluidiske systemer som bruker en strøm (kappestrøm) for å omgi og forme en annen strøm (kjernestrøm) er tiltalende på grunn av de milde forholdene og kapasiteten for kontinuerlig produksjon av svært reproduserbare fibre. Innledende eksperimenter produserte runde fibre med størrelser avhengig av prepolymerens relative strømningshastigheter og kappevæsker10-12. Oppdagelsen av at spor i toppen og bunnen av den mikrofluidiske kanalen kunne avlede hylsen for å produsere en forhåndsbestemt form for kjernestrømmen13,14 førte til teknologi for å generere mer komplekse fiberformer10-12,15-17.
NRL-etterforskere har demonstrert følgende kritiske tekniske egenskaper13-21:
Ved fabrikasjon av polymerfibre ved hjelp av hydrodynamisk fokusering av en kappestrøm for å forme en prepolymerstrøm, er valg av polymermaterialer et praktisk første skritt. De aktuelle polymerene, tilsvarende initiatorkjemier og kappevæsker bør identifiseres innenfor følgende retningslinjer:
Etter at materialene er valgt, må en mikrokanal for å generere ønsket fiberform og størrelse utformes. For å bestemme de nødvendige formingsfunksjonene (striper, sildben, chevroner), kan beregningsmessig fluiddynamikkprogramvare brukes til å forutsi væskestrømningsmønstrene. Formingsfunksjonene transporterer hylsevæsken rundt kjernevæsken. Generelt beveger striper hylsevæsken over toppen og bunnen av kanalen fra den ene siden til den andre, mens sildben og chevroner beveger væsken bort fra sidene mot toppen og / eller bunnen av kanalen og deretter tilbake mot midten av kanalen direkte under strukturpunktet. Antall repeterende spor i toppen og bunnen av kanalen påvirker i hvilken grad hylsevæsken er rettet mot. Forholdet mellom strømningshastigheter i kjernen og kappevæsken formidler også effekten. Simuleringer ved hjelp av COMSOL Multiphysics programvare har vist seg pålitelig i å evaluere interaksjonene mellom formingsfunksjonene og strømningshastighetsforholdene for å forutsi tverrsnittsformen. Disse simuleringene gir også nyttig innsikt i spredning av løsemidler mellom kjernen og hylsen med størrelsen på kanalen, viskositeten og strømningshastighetene som foreslås.
Hvis en kompleks figur ønskes, for eksempel “dobbeltankeret” som er beskrevet i Boyd et al. 23, er det nyttig å skille funksjonene for forming og størrelse. En kompleks form kan opprettes med ett sett med funksjoner, og deretter kan en strategisk plassert enkeltsporstruktur plassert ved inngangen til en annen kappestrøm brukes til å redusere tverrsnittsområdet til den polymeriserbare strømmen uten å endre formen betydelig.
Et annet eksempel på kompleks mikrokanaldesign kan generere flerlagsfibre. I denne designen introduseres sekvensielle sett med formingsfunksjoner og ekstra kledningsvæsker. Disse konsentriske strømmene kan størknes til solide kjernebekledningsfibre eller hule rør. Et eksempel på denne enheten vil bli presentert nedenfor.
Når utformingen av den mikrofluidiske enheten er valgt, kan mikrokanalproduksjonsprosessen begynne. Fabrikasjonsverktøy som kan brukes inkluderer myk litografi, CNC-fresing, varm preging og 3D-utskrift. Uansett hvilke verktøy som brukes, er det viktig å innse at funksjoner som ved et uhell introduseres i veggen på den mikrofluidiske kanalen, også vil lede hylsestrømmen og kan resultere i svært reproduserbare avvik i tverrsnittsformen til alle fibre laget ved hjelp av den enheten. Mikrokanalsubstratmaterialer bør også velges nøye for å være fysisk robuste, kjemisk inerte og motstandsdyktige mot UV-skade. For eksempel kan polydimetylsiloksan (PDMS) enkelt støpes, gir pakningslignende tetninger og er UV-gjennomsiktig; PDMS er nyttig for den gjennomsiktige toppen av kanalen, men ikke sidene og bunnen av kanalen, som trenger mer stivhet.
Til syvende og sist, ved å introdusere de riktig valgte kjerne- og kappevæskene med strømningshastighetene som forutses av væskedynamikksimuleringene, vil formingsfunksjonene generere riktig væskeprofil, og nedstrøms UV-herdelampen vil størkne de designede polymerfibrene. Kontinuerlig ekstrudering av de polymeriserte fibrene fra kanalen kan bare gi reproduserbare fibre i lengder begrenset av volumet av væskereservoarene.
Fabrikasjon av polymerfibre ved hjelp av hylsestrømningsmetoden har flere fordeler i forhold til andre fiberfabrikasjonsteknikker. En av disse fordelene er evnen til å fremstille fibre ved hjelp av ulike reagenskombinasjoner. Selv om en spesifikk tiol-yne kombinasjon ble presentert her, fungerer flere andre tiolklikk (inkludert thiol-ene) kjemikombinasjoner like bra. Et bredt utvalg av andre kombinasjoner kan brukes til å produsere fibre så lenge hylseoppløsningen er blandbar med kjernematerialet som skal polymeriseres. Inneslutninger som nanofibere, partikler og celler er også mulig så lenge bidragene fra disse tilsetningsstoffene til viskositeten til prepolymeroppløsningen tas i betraktning.
Thiol klikkkjemi er et delsett av klikkkjemifamilien der et kompleks med en tiolgruppe kan knyttes kovalent til et kompleks med enten en alken (dobbeltbinding) eller alkyne (trippelbinding) funksjonell gruppe ved UV-lys fotopolymerisering. Reaksjoner som involverer alkener kalles tiol-ene reaksjoner, og reaksjoner som involverer alkyner kalles tiol-yne reaksjoner. En pi bond (fra en alkene eller alkyne) vil festes til en tiolgruppe ved UV-lysbestråling. Prosessen passer godt inn i klikkfamilien av reaksjoner og har blitt effektivt brukt i vår mikrofluidiske kanal for å produsere fibre av forskjellige former(f.eks. runde, båndformede, doble anker) fra mange startkomponenter for tiolklikk.
En spesifikk fordel med metoden som er skissert her i forhold til de fleste andre lignende prosesser, er evnen til å kontrollere både formen og størrelsen på fibrene som produseres (Figur 4A-H). Ved å designe en kanal for å ha striper, chevroner eller sildben, vil fiberen som produseres ha en annen tverrsnittsform. Generelt er stripene nyttige for å produsere runde former eller for innføring av ekstra kappestrømmer for å fullstendig omringe tidligere formede bekker og flytte dem bort fra kanalveggene før polymerisering. Vinkeltegnene reduserer den loddrette dimensjonen i midten av den formede strømmen, og opprettholder den horisontale symmetrien. Sildebenene reduserer den vertikale dimensjonen på den ene siden av den formede strømmen, og produserer asymmetri. Disse formingsverktøyene kan blandes i utallige kombinasjoner. Antall tilsvarende funksjoner (dvs. 7 vinkeltegn kontra 10 vinkeltegn) kan også brukes til å produsere fibre med forskjellige tverrsnittsprofiler.
I tillegg til evnen til å kontrollere fiberformen, gir fiberfabrikasjonsmetoden som presenteres også muligheten til å kontrollere størrelsen på fibrene som er fremstilt, selv ved hjelp av en enkelt kappestrømsenhet (f.eks. figur 1). Justering av kappe: kjernestrømningshastighetsforholdet er et middel til å fremstille fibre med forskjellige tverrsnittsområder. Det er også mulig å kontrollere størrelsen på fiberen ved å justere kanaldesignet for å ha flere kappestadier. Enten formingen skjer i ett eller flere stadier, kan en enkel sluttfase brukes til å redusere størrelsen på kjernen uten å endre formen.
Den enkle som en rekke reagenskombinasjoner kan brukes til å produsere fibre av forskjellige former og størrelser ved hjelp av denne mikrofluidiske kanaldesignen, vil være nyttig i et bredt spekter av applikasjoner, fra vevsteknikk til optisk kommunikasjon til smarte tekstiler.
The authors have nothing to disclose.
Darryl A. Boyd og Michael A. Daniele er postdoktorer i Nasjonalt forskningsråd. Arbeidet ble støttet av ONR/NRL Work Units 4286 og 9899. Synspunktene er forfatternes og representerer ikke den amerikanske marinens eller forsvarsdepartementets mening eller politikk.
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 |