Två intilliggande vätskor som passerar genom en räfflade mikrofluidisk kanal kan riktas för att bilda en mantlar runt en prepolymerkärna. och därmed bestämma både form och tvärsnitt. Fotoinitierad polymerisation, såsom tioolklickkemi, är väl lämpad för att snabbt stelna kärnvätskan till en mikrofiber med förutbestämd storlek och form.
En “mantske” vätska som passerar genom en mikrofluidisk kanal vid lågt Reynolds-nummer kan riktas runt en annan “kärna” ström och användas för att diktera formen samt diametern på en kärnström. Spår i toppen och botten av en mikrofluidisk kanal utformades för att styra mantvätskan och forma kärnvätskan. Genom att matcha viskositeten och hydrofiliteten hos mantlar och kärnvätskor minimeras de interfaciala effekterna och komplexa vätskeformer kan bildas. Kontroll av mantlars och kärnvätskors relativa flödeshastigheter bestämmer kärnvätskans tvärsnittsområde. Fibrer har producerats med storlekar från 300 nm till ~ 1 mm, och fiber tvärsnitt kan vara runda, platta, kvadratiska eller komplexa som i fallet med dubbla ankarfibrer. Polymerisation av kärnvätskan nedströms från formningsregionen stelar fibrerna. Fotoinitierade klickkemier är väl lämpade för snabb polymerisering av kärnvätskan genom bestrålning med ultraviolett ljus. Fibrer med en mängd olika former har producerats från en lista över polymerer inklusive flytande kristaller, poly (metyllmethacrylate), tiol-ene och tiol-yne hartser, polyetylenglykol och hydrogelderivat. Minimal sajuvning under formningsprocessen och milda polymerisationsförhållanden gör också tillverkningsprocessen väl lämpad för inkapsling av celler och andra biologiska komponenter.
Vävnadsställningar1,kompositmaterial 2,optiskkommunikation 3och ledande hybridmaterial4 är forskningsområden som använder specialiserade polymerfibrer. Konventionella metoder för fibertillverkning inkluderar smältprofilering, spinning, ritning, gjutning och elektrospinning. De flesta polymerfibrer som produceras med dessa metoder uppvisar runda tvärsnitt som framkallas av ytspänning mellan polymeren och luften under tillverkningen. Fibrer med nonround tvärsnitt kan dock förbättra de mekaniska egenskaperna hoskompositmaterial 5,6,öka förhållandet mellan yta och volym, kontrollera våthet eller veke7, och användas som vågledare8 eller polarisatorer9.
Produktion av specialiserade polymerfibrer av mikrofluidiska system som använder en ström (mantelflöde) för att omge och forma en annan ström (kärnflöde) är tilltalande på grund av de milda förhållandena och kapaciteten för kontinuerlig produktion av mycket reproducerbara fibrer. Inledande experiment producerade runda fibrer med storlekar beroende på de relativa flödeshastigheterna hos prepolymer- och mantvätskorna10-12. Upptäckten att spår i toppen och botten av den mikrofluidiska kanalen kunde avleda mantlar för att producera en förutbestämd form förkärnströmmen 13,14 ledde till teknik för att generera mer komplexa fiberformer10-12,15-17.
NRL:s utredare har visat följande kritiska tekniskaegenskaper 13-21:
Vid tillverkning av polymerfibrer med hydrodynamisk fokusering av en mantvattenström för att forma en prepolymerström är valet av polymermaterial ett praktiskt första steg. Lämpliga polymerer, motsvarande initiatorkemier och mantvätskor bör identifieras i följande riktlinjer:
När materialen har valts måste en mikrokanal för att generera önskad fiberform och storlek utformas. För att bestämma de nödvändiga formningsfunktionerna (ränder, fiskben, chevrons) kan beräkningsvätskans dynamikprogramvara användas för att förutsäga vätskeflödesmönstren. Formningsfunktionerna transporterar mantningsvätskan runt kärnvätskan. I allmänhet flyttar ränder mantvätskan över kanalens över- och botten från ena sidan till den andra, medan sillben och chevrons flyttar vätskan bort från sidorna mot kanalens övre och / eller botten och sedan tillbaka mot kanalens centrum direkt under strukturens punkt. Antalet repetitiva spår i kanalens över- och underkant påverkar i vilken utsträckning mantningsvätskan riktas. Förhållandet mellan flödet av kärnan och mantvätskan förmedlar också effekten. Simuleringar med HJÄLP AV COMSOL Multiphysics programvara har visat sig tillförlitliga för att utvärdera interaktionerna mellan formningsfunktionerna och flödesförhållandet för att förutsäga tvärsnittsformen. Dessa simuleringar ger också användbar inblick i diffusion av soluts mellan kärnan och mantel med kanalens storlek, viskositet och föreslagna flödeshastigheter.
Om en komplex form önskas, till exempel det “dubbla ankaret” som beskrivs i Boyd et al. 23, det är användbart att separera funktionerna för att forma och storleksändring. En komplex form kan skapas med en uppsättning funktioner och sedan kan en strategiskt placerad enkelspårig struktur placerad vid ingången till en andra mantningsström användas för att minska den polymeriserbara strömmens tvärsnittsområde utan att väsentligt ändra dess form.
Ett annat exempel på komplex mikrokanaldesign kan generera flerskiktsfibrer. I denna design introduceras sekventiella uppsättningar av formningsfunktioner och ytterligare beklädnadsvätskor. Dessa koncentriska flöden kan stelna till fasta kärnbeklädnadsfibrer eller ihåliga rör. Ett exempel på den här enheten visas nedan.
När utformningen av den mikrofluidiska enheten har valts kan mikrokanaltillverkningsprocessen börja. Tillverkningsverktyg som kan användas inkluderar mjuk litografi, CNC-fräsning, varm prägning och 3D-utskrift. Oavsett vilka verktyg som används är det viktigt att inse att funktioner som av misstag introduceras i väggen i den mikrofluidiska kanalen också kommer att styra mantflödet och kan resultera i mycket reproducerbara avvikelser i tvärsnittsformen av alla fibrer som tillverkas med den enheten. Mikrokanalsubstratmaterial bör också noggrant väljas ut för att vara fysiskt robusta, kemiskt inerta och resistenta mot UV-skador. Till exempel kan polydimethylsiloxane (PDMS) enkelt gjutas, ger packningsliknande tätningar och är UV-transparent; PDMS är användbart för den genomskinliga toppen av kanalen, men inte sidorna och botten av kanalen, som behöver styvare.
I slutändan, genom att introducera de korrekt utvalda kärn- och mantvätskorna vid de flödeshastigheter som förutspås av vätskedynamiksimuleringarna, kommer formningsfunktionerna att generera lämplig vätskeprofil och den nedströms UV-härdningslampan kommer att stelna de designade polymerfibrerna. Kontinuerlig extrudering av polymeriserade fibrer från kanalen kan ge reproducerbara fibrer i längder som endast begränsas av vätskereservoarernas volym.
Tillverkning av polymerfibrer med hjälp av mantlaflödesmetoden har flera fördelar i jämförelse med andra fibertillverkningstekniker. En av dessa fördelar är förmågan att tillverka fibrer med olika reagenskombinationer. Även om en specifik tiolen-yne kombination presenterades här, flera andra tiol klick (inklusive tiolen-ene) kemi kombinationer fungerar lika bra. En mängd andra kombinationer kan användas för att producera fibrer så länge mantlösningen är felfri med kärnmaterialet som ska polymeriseras. Inneslutningar som nanofibrer, partiklar och celler är också möjliga så länge som dessa tillsatsers bidrag till den prepolymerlösningens viskositet beaktas.
Thiol klickkemi är en delmängd av klickkemifamiljen där ett komplex med en tioolgrupp kan kovalent fästas på ett komplex med antingen en alken (dubbelbindning) eller alkyne (trippelbindning) funktionell grupp genom UV-ljusfotopolymerisering. Reaktioner med alkener kallas tiol-ene reaktioner, och reaktioner som involverar alkyner kallas tiol-yne reaktioner. En pi-bindning (från en alken eller alkyne) fästs på en tioolgrupp vid UV-ljus bestrålning. Processen passar bra inom klickfamiljen av reaktioner och har effektivt använts i vår mikrofluidiska kanal för att producera fibrer av olika former(t.ex. runda, bandformade, dubbla ankare) från många tiolklickstartkomponenter.
En specifik fördel med den metod som beskrivs här i jämförelse med de flesta andra liknande processer är förmågan att kontrollera både formen och storleken på de producerade fibrerna (figurerna 4A-H). Genom att designa en kanal för att ha ränder, chevrons eller sillben kommer den fiber som produceras att ha en annan tvärsnittsform. I allmänhet är ränderna användbara för att producera runda former eller för införande av ytterligare mantringsströmmar för att helt omringa tidigare formade strömmar och flytta dem bort från kanalväggarna före polymerisation. Sparrarna minskar den vertikala dimensionen i mitten av den formade strömmen och upprätthåller den horisontella symmetrin. Fiskbenen minskar den vertikala dimensionen av ena sidan av den formade strömmen och producerar asymmetri. Dessa formverktyg kan blandas i otaliga kombinationer. Antalet likvärdiga funktioner(dvs. 7 chevrons jämfört med 10 chevrons) kan också användas för att producera fibrer med olika tvärsnittsprofiler.
Förutom förmågan att kontrollera fiberformen ger den fibertillverkningsmetodik som presenteras också förmågan att kontrollera storleken på de tillverkade fibrerna, även med hjälp av en enda mantelflödesenhet (t.ex. figur 1). Att justera manttan: kärnflödesförhållandet är ett sätt att tillverka fibrer med olika tvärsnittsområden. Det är också möjligt att kontrollera fiberns storlek genom att justera kanaldesignen för att ha ytterligare mantningssteg. Oavsett om formen sker i ett eller flera steg kan ett enkelt slutsteg användas för att minska kärnans storlek utan att ändra formen.
Den lätthet med vilken en mängd reagenskombinationer kan användas för att producera fibrer av olika former och storlekar med hjälp av denna mikrofluidiska kanaldesign kommer att visa sig användbar i ett brett spektrum av applikationer, från vävnadsteknik till optisk kommunikation till smarta textilier.
The authors have nothing to disclose.
Darryl A. Boyd och Michael A. Daniele är postdoktorer i nationella forskningsrådet. Arbetet stöddes av ONR/NRL Arbetsenheter 4286 och 9899. Åsikterna är författarnas och representerar inte den amerikanska flottans eller försvarsdepartementets åsikt 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 |