Mikrofluidisk tillverkning av polymera och biohybridfibrer med fördesignad storlek och form

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

Vävnadsställningar^{1,kompositmaterial 2,}optisk^{kommunikation 3}och 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 hos^{kompositmaterial 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 mantvätskorna^10-12. Upptäckten att spår i toppen och botten av den mikrofluidiska kanalen kunde avleda mantlar för att producera en förutbestämd form för^{kärnströmmen 13,14} ledde till teknik för att generera mer komplexa fiberformer^10-12,15-17.

NRL:s utredare har visat följande kritiska tekniska^{egenskaper 13-21:}

1. En mängd olika formningsfunktioner kan användas för att rikta mantlavätskan för att forma kärnströmmen: spår eller åsar kan konfigureras som ränder, chevrons eller fiskben.
2. En verktygslåda med dessa funktioner kan mappas till önskat flödesresultat.
3. Mikrokanaler kan skapas med hjälp av litografi, gjutning, fräsning eller tryckteknik. Substratmaterialen får inte lösas upp eller eroderas i prepolymer- eller mantningslösningarna, och för fotoinitierade polymerisationer måste de yttre lagren vara transparenta mot ultraviolett ljus.
4. Formen som skapas av en enda uppsättning formningsfunktioner kan ändras genom att ändra flödeshastigheterna genom kanalen. COMSOL Multiphysics simuleringar av vätskeflödet i mikrokanalerna kan förutsäga de resulterande vätske- och fiberformerna.
5. Att matcha viskositeten och fasen (hydrofiliciteten) hos mantlar och kärnvätskor är avgörande för att undvika buckling typ instabilitet, som härrör från variation i savbelastning över vätskegränssnittet. Om det finns en stor viskositet eller fasmatchning kan viskös buckling uppstå, eventuellt deformera den slutliga fiberformen eller till och med täppa till mikrokanal.
6. Fibrer kan bildas genom gjutning eller polymerisation, men polymerisation ger mer kontroll över formen.
7. Polymerisation (stelning av kärnvätskan) måste ske innan mikrokanalen lämnars. Långsammare polymerisation inom kanalen kan dock orsaka en ökning av viskositeten, vilket påverkar fiberformen eller till och med täpper till kanalen. Tiden och platsen för polymerisationshändelser måste kontrolleras noggrant.
8. På grund av deras snabba reaktionskinetik är fotoinducerade fria radikalpolymeriseringar, särskilt tioolbaserade klickkemister, särskilt väl lämpade för fiberproduktion.
9. De relativa flödena kan ändras under tillverkningen för att skapa ickeuniforma fiberdiametrar.
10. Flera grupper av formfunktioner kan integreras i en enda kanal av följande skäl:
    1. Så här separerar du formnings- och storleksfunktionerna
    2. Så här skapar du flerskikts- eller ihåliga fibrer
    3. För att producera flera fibrer från en enda mikrofluidisk kanal
11. Flytande kristall mesogener införlivas i polymeren vid mycket låga koncentrationer uppvisar birefringence under polariserat ljus, vilket tyder på att polymermolekyler kan justeras längs fiberaxeln.
12. Celler kan införlivas i biokompatibla hydrogel prepolymerer och överleva tillverkningsprocessen med hög livskraft²².

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:

1. Polymer- och mantlar är felriktade och har liknande viskositet. Till exempel kan en vattenhaltig monomerlösning använda vatten som en livskraftig mantvätska, men kunde inte använda hexan som mantelvätska.
2. Polymerisationsmekanismen måste ha tillräckligt snabb kinetik för att stelna kärnvätskan efter formning och omedelbart innan fibern lämnar kanalen.

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.

Protocol

Detta protokoll beskriver tillverkningen av en ihålig fiber med hjälp av foto initierad tiol-yne klickkemi. Mikrokanal har chevronspår eller “ränder” som formningsfunktioner i botten och toppen av kanalen (Bild 1). Tre vätskor introduceras och riktas i koncentriska strömmar; från inre till yttre vätskeströmmar kallas dessa kärnan, beklädnaden och mantvätskan. Endast beklädnadsflödet polymeriseras för att bilda den ihåliga fibern. De valda materialen är följande: Kärnvätska: PEG (M.W. = 400), ~100 mPa. sek (20 ºC) Beklädnadsvätska: Thiol-yne Polymer (PETMP + ODY), Initiator (DMPA) Mantvätska: PEG (M.W. = 400), ~100 mPa. sek (20 ºC) Mikrokanalenheten monterades av aluminium- och plastdelar tillverkade av CNC-fräsning och PDMS-gjutning. Flödet genom mikrokanal kontrollerades av tre sprutpumpar. 1. Design och simulering av mikrokanal Vid beräkning av både vätskehastighet och konvektion/diffusion i mikrokanal är det viktigt att tilldela varje inkommande vätska rätt viskositet. Skapa en datormodell av önskad mikrokanal som ska importeras till COMSOL (Computational Fluid Dynamics Software). Exemplet i figur 1 genererades med AUTODESK Inventor CAD-programvara. Följande steg är med hänvisning till användningen av COMSOL Multiphysics för beräkning av vätskeflödet i en mikrokanal. Efter import av den designade mikrokanal till COMSOL kan iterativa vätskeflöden införas i Navier-Stokes-problemlösaren. Initiera programinställningen och välj 3D Laminar Flow+Konvektions-/diffusionsekvationer. De låga Reynolds-talen som genereras i mikrokanalerna möjliggör fullständigt laminärt flöde i enheten. Designa ett ändligt nät för att göra de numeriska beräkningarna. Nätet bör vara mer raffinerat (ha små uppdelningar) i områden där fastigheter förändras snabbt. Det föreslås att förfina nätet vid både formningsfunktionen och utgången till <1 μm sidolängd. Detta ger en "skarp" visualisering av kärnsyrningsvätskans gränssnitt. Ingångsmaterialegenskaper för vätskeflöde, dvs. viskositet, diffusionskonstant och koncentration. Ställ för närvarande också in gränsförhållandena för utgångsflödet. Vi föreslår noll trögflytande stress för att simulera ett öppet utlopp. Beräkna vätskeflödeshastighetsstudier genom att iterativt cykla genom en serie ingångsflöden. Till exempel kärnvätska = 7,5 μl/min, mantvätska = 30 μl/min. Importera hastighetsfältlösningarna som de ursprungliga värdena för att lösa mikrokanalflödets konvektions-/diffusionsegenskaper. Lösningen på konvektions-/diffusionsproblemen kommer att illustrera kärnmantvätskans gränssnitt och hjälpa till att förutsäga formen på det slutliga vätskeflödet och fiber som produceras. Från beräkningsresultaten kan det önskade antalet och typen av formningsfunktioner förutsägas för att uppnå önskad fiberform. Vätskeflödestillförseln korrelerar också med de önskade flödeshastigheterna för att generera fibrerna. Med dessa förutsägelser kan en mikrokanalenhet tillverkas för extrudering av polymerfibrer. 2. Tillverkning av komponenter i mantflödesapparater En kombination av direkt mikromilling, varm prägning och/eller polymergjutning kan användas för att skapa komponenterna i mantflödesanordningen. Beroende på resurserna väljer du strategin i enlighet därmed. Exemplet som presenteras är en direkt fräsningsprocess som använder en dator numerisk kod (CNC). Det finns fem lager att göra (uppifrån och ned), som visas i figur 2: 1. Inloppschuck (aluminium), 2. Fästplatta (aluminium), 3. Mikrokanal toppskikt (cyklisk olefin copolymer, COC eller PDMS), 4. Microchannel bottenskikt (COC eller polyeter eter keton, PEEK), 5. Fästplatta (aluminium). (Exempelfiler för direktfräsning finns i *.stl-format i stödinformationen) Med hjälp av en design som är kompatibel med COMSOL-simuleringarna utvecklar du en 3D-modell av systemet via datorstödda utkast (CAD). Skapa en separat CAD-fil för varje lager av enheten. När ett skikt ska tillverkas via direkt mikromilling importerar du CAD-modellerna till en datorstödd bearbetningsapplikation för att generera numerisk kod (NC) som kommer att tolkas av dator numeriskt styrd (CNC) kvarn för att producera enheten. Införskaffa 5 ark med 30,5 cm × 30,5 cm offerskiktsmaterial som är minst 3,2 mm tjocka. Förvärva 1 ark vardera av COC, PEEK, aluminium och poly (metyllmethacrylate) som är 30,5 cm × 30,5 cm och 3,2 mm tjocka. Skaffa 1 ark aluminium som är 30,5 cm × 30,5 cm och 9,5 mm tjock. Fäst vart och ett av arken i steg 2.4-2.5 på ett offerlager från steg 2.3 med dubbelsidigt lim. Se till att det vid högst finns en yttre otejpad kant på 2,5 cm. Tejpen tjänar till att hålla arbetsmaterialet på plats medan det fräss och för att skydda det när den malda delen skärs bort från lagermaterialet i slutet av kvarncykeln. Fäst COC + offerlagret i CNC-kvarnens tabell, ladda de verktyg som anges i den numeriska koden (NC) och kalibrera verktygen och lagermaterialen (arbetsmaterial) i x, y och z. Ladda NC-koden och fräs COC-skiktet. Ta bort materialplåten från kvarnen och ta försiktigt bort den bearbetade delen från substratet. Under denna process kommer kvarnkylvätskan att mätta delen och buljongen. Skölj noga innan du försiktigt tar bort delen. Tvätta med ett milt tvättmedel, följt av tvätt med en 70% isopropylalkohol. Det milda tvättmedlet tar bort oljiga rester, och alkoholen tar bort restlim. Om grader är fångade i mikroarchitecturesna, kan ultraljudsbehandling vara nödvändigt att rubba dem. Upprepa steg 2.7 och 2.9 för vart och ett av de andra lagren som ska användas för att skapa mantflödesenheten. Med undantag för PMMA-skiktet kommer vart och ett av de lager som har förberetts till denna punkt att användas direkt i enheten. PMMA kommer att användas för att förbereda ett PDMS-lager genom att kombinera 10 delar Sylgard 184-basen med 1 del härdningsmedel och blandning noggrant genom omrörning. Denna information tillhandahålls om man hellre vill ersätta ett av COC-lagren med det packningsliknande PDMS-materialet. Häll Sylgard 184 i PMMA mögelhålan som förberetts tidigare, vilket säkerställer att luftbubblor elimineras. Vid behov kan bubblor avlägsnas i ett vakuum. PDMS kan härdas vid rumstemperatur i 48 timmar, 45 min vid 100 °C, 20 min vid 125 °C eller 10 min vid 150 °C. 3. Enhet av mantmannaflödesapparater Montera mantelflödesanordningen nedifrån och upp genom att placera en fästplatta längst ner, sedan COC-skiktet följt av det andra COC-skiktet och den återstående fästplattan (figur 2). Se till att formspåren överensstämmer med varandra längs kanalens kanter och att vätskan som formar geometrierna i COC-skikten överlappar varandra perfekt. Ett dissekeringsmikroskop kan användas för att underlätta inriktningen. Sätt in bultar över enhetens mitt och dra åt muttrarna och bultarna för att spänna fast enheten. Växla från vänster till höger om mitten, upprepa steg 3.2 från mitten ut för att låsa in justeringen och för att förhindra läckor. Lägg på inloppschucken när monteringshålen är gångar och fortsätt att montera skruvarna på ett alternerande sätt. Använd hplc-armaturer av standardkvalitet för att koppla mantelflödesanordningen till slangarna och sprutorna som innehåller mantvätska och prepolymerlösning. Handdragning är tillräckligt för alla anslutningar. Montera enheten vertikalt med hjälp av ett ringstativ och klämma. Se till att enheten är vertikal med en nivå på den översta delen. Om mantjeflödesanordningen inte är vertikal kan fibern vidröra mikrokanalväggen och orsaka igensättning. Placera UV-källan vinkelrätt ~1 cm från COC-ytan på mantelflödesanordningen så att de sista 3-5 cm av mikrokanal bestrålas. UV-källan ska kalibreras för att leverera ~200 mW/cm2. 4. Lösningsberedning Som tidigare nämnts kan många material användas för att skapa mikrofiber med analoga protokoll och mantflödessystem, men tiol-yne kemi används här. Förbered prepolymerlösningen omedelbart innan du påbörjar fiberprofileringsprocessen för att undvika den ökning av viskositeten som kan uppstå över tid i lagring. Förbered en alikvot av polyetylenglykol 400 (PEG 400) för att fungera som mantvätska. Fyll en 1 ml Luer-tippad spruta med PEG 400 för att fungera som en icke-orpolymeriserbar kärnvätska och fyll en 30 ml Luer-tippad spruta med PEG 400 för att fungera som mantlavätska. Förbered en prepolymerlösning som innehåller 0,01 mol pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate (PETMP) och 0,01 mol 1,7-octadiyne (ODY). Se till att de två komponenterna är väl blandade under hela experimentet, minimera exponeringen av alla prepolymerreagenser för källor till UV-ljus, inklusive omgivande ljus(t.ex. linda sprutor med folie). Komplettera PETMP/ODY-lösningen med 4 x 10-4 mol 2,2-dimethoxy-2-fenylacetophenone (DMPA) photoinitiator. Fortsätt att se till att lösningarna är väl blandade och att de inte utsätts för UV-ljus genom att täcka behållarna med aluminiumfolie. Ladda en 5 ml aluminiumfolielindad, Luer-tippad spruta med den prepolymerlösningen. 5. Mikrofiberproduktion (fokus för video) Se till att utloppet på den mikrofluidiska kanalen kommer i kontakt med en lösning i uppsamlingsbadet (figur 3). För komplexa strukturer bör lösningen i uppsamlingsbadet viskositet matchas med kärnan och mantvätskorna, men för de enkla ihåliga fibrerna är vatten tillräckligt. Ställ in kärn-, beklädnads- och mantvätskans sprutpumpar så att de infuserar vid 1, 30 respektive 120 μl/min. Se till att respektive sprutdiametrar har förts in ordentligt i sprutpumparna. Montera sprutorna i motsvarande sprutpumpar och anslut dem till mantelflödesanordningen med UV-skyddande Tygon-slangar. Starta mantningsvätskan för att prime mantvattenanordningen och eliminera luft från systemet. Inspektera mikrokanalen visuellt och se till att inga luftbubblor finns kvar i mikrokanal innan du går vidare till nästa steg. Var särskilt uppmärksam på ränderna. Ett dissekeringsmikroskop får användas för att underlätta mikrokanalinspektion. Om det finns luftbubblor, omrör enheten genom att rotera och/eller knacka försiktigt under flöde för att spola ut luftbubblor ur enheten. Starta beklädnadsvätskan, så att flödet kan stabiliseras. Se till att inga luftbubblor finns kvar i mikrokanal innan du går vidare till nästa steg. Var särskilt uppmärksam på formspåren. Om det finns luftbubblor, omrör enheten under flöde för att spola ut luftbubblorna ur enheten. Slutligen starta kärnvätskan; återigen, se till att bubblor inte finns i systemet. Slå på UV-källan och observera uppsamlingsbadet för kontinuerlig produktion av den ihåliga mikrofibern (Figur 4A) eftersom den matas ut med mantvätskan. Hämta fibern från uppsamlingsbadet med en modifierad spatel eller en inokulerande slinga och låt den kontinuerliga fibern samlas på en motoriserad spole (Figur 3).

Representative Results

En enkel 2-stegs design, med hjälp av formspår och tre lösningsingångar, användes för att skapa ihåliga fibrer (Figur 1). COMSOL-simuleringar användes för att bestämma lämpliga flödeshastighetsförhållanden för att erhålla önskad tvärsnittsstorlek(figur 1,ESI Video). En kombination av fräsning och gjutning producerade komponenterna för mantelflödesenheten för att tillverka fibrerna (figur 2). Den kompletta monteringen omfattade mantflödesanordningen, fiberoptisk-kopplade UV-laser, tre sprutpumpar, ett uppsamlingsbad (bägare) och en fiberuppsamlingsspole (Figur 3). Polymerisation av beklädnadsmaterialet initierades av UV-ljuskällan, och ihåliga fibrer extruderades från mikrokanal till samlingsbadet. Fibern bildades och samlades kontinuerligt tills UV-ljuset stängdes av. Produktionen av fibrer fortsatte i minuter och genererade en enda fiber över en meter i längd. Fibrer som tillverkades under dessa förhållanden var cirka 200 μm i diameter. Fiberstrukturen visualiserades med optisk och elektronmikroskopi. Fibrerna hade en oval form med en ihålig kärna. Kapillärverkan användes för att föra in vätska och bubblor i fiberns inre och bekräftade att den ihåliga strukturen var kontinuerlig över fiberns längd (Figur 4A). Figur 1. Design av mantlade flödesanordningar och COMSOL-data. Tvåsektionstillverkningsanordningen med raka spår valdes för att producera en ihålig fiber (roterad runt x-axeln 45 °). COMSOL-simuleringarna till vänster visar hur kärnan:beklädnad: mantflödesförhållanden (tal under varje simulering) påverkar den slutliga storleken på de ihåliga fibrerna. Mikrokanals tvärsnittet är 1 mm x 0,75 mm och ränderna är 0,38 mm breda och 250 μm djupa. Ränderna är i en ∠45° i förhållande till kanalen. Figur 2. Sprängd vy över mantflödesenheten. Från topp till botten,(A)inloppschuck,(B)fästplatta,(C)mikrokanalskydd,(D)mikrokanalbas,(E)fästplatta. Komponenterna är tillverkade av aluminium, aluminium, COC (eller PDMS), COC (eller PEEK) respektive aluminium. De regelbundet förslade hålen rymmer monteringsskruvar. Figur 3. Foto av layout och schematisk översikt. Installationen inkluderar mantflödesmontering säkrad vertikalt över bägare som innehåller vattenbad, fiberoptisk laser för fotopolymerisering, tre sprutpumpar och spindel för insamling av polymerfibrer. Inset visar tillverkningsmontering med UV-belysning. A)Mantlar och kärninlopp,B)mikrofluidkanal,(C)UV-ljus,(D)uppsamlingsbehållare,(E)polymeriserad fiber som samlas in. Figur 4. Optiska och skannande elektronmikrografbilder av fibrer gjorda med hydrodynamisk fokusering. Fibrer har tillverkats i följande former med hydrodynamisk fokusering: (A) Ihåliga rör, (B) Rektangulära band, (C) Tunna elastiska band, (D) Trianglar, (E) Njurbönor, ( F )Pärlsträng,(G) Rund fiber med inbäddad kolnannofiber och (H) Dubbel ankarformad. Fibrerna är tillverkade av olika material inklusive akrylater, metakrylater och tioler. ESI Video. Skiva tomt som produceras i COMSOL Multiphysics som visar ena halvan av mikrokanal med kärna, beklädnad och mantvätskor som kommer in i enheten och korsar de tvåstegs flödesförändrande diagonala randspåren. Kärnan, beklädnaden och mantflödet som simuleras är 1, 28 respektive 256 μl/min. Videon representerar ~ 6 sek i realtid, saktade ner 6-faldigt för illustrativt ändamål.

Discussion

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.

Materials

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