प्रीडिजाइन्ड आकार और आकार के साथ पॉलीमेरिक और बायोहाइब्रिड फाइबर का माइक्रोफ्लुइडिक फैब्रिकेशन

Summary

एक ग्रूव माइक्रोफ्लुइडिक चैनल से गुजरने वाले दो आसन्न तरल पदार्थों को एक प्रीपॉलिमर कोर के चारों ओर म्यान बनाने के लिए निर्देशित किया जा सकता है; जिससे आकार और क्रॉस-सेक्शन दोनों का निर्धारण होता है। फोटोनिशिया पॉलीमराइजेशन, जैसे थिओल क्लिक करें रसायन विज्ञान, पूर्व निर्धारित आकार और आकार के साथ एक माइक्रोफाइबर में कोर द्रव को तेजी से जमना के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है।

Abstract

कम रेनॉल्ड्स संख्या में माइक्रोफ्लुइडिक चैनल से गुजरने वाला एक “म्यान” तरल पदार्थ एक और “कोर” स्ट्रीम के आसपास निर्देशित किया जा सकता है और आकार के साथ-साथ एक कोर स्ट्रीम के व्यास को निर्देशित करने के लिए उपयोग किया जाता है। एक माइक्रोफ्लुइडिक चैनल के ऊपर और नीचे में खांचे म्यान तरल पदार्थ को निर्देशित करने और कोर तरल पदार्थ को आकार देने के लिए डिज़ाइन किए गए थे। म्यान और कोर तरल पदार्थ की चिपचिपाहट और हाइड्रोफिलिज़न का मिलान करके, इंटरफेशियल प्रभाव को कम किया जाता है और जटिल तरल पदार्थ के आकार बनाए जा सकते हैं। म्यान और कोर तरल पदार्थ के सापेक्ष प्रवाह दरों को नियंत्रित करने से कोर तरल पदार्थ का क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र निर्धारित होता है। फाइबर 300 एनएम से ~ 1 मिमी तक के आकार के साथ उत्पादित किया गया है, और फाइबर क्रॉस-सेक्शन डबल एंकर फाइबर के मामले में गोल, फ्लैट, स्क्वायर या जटिल हो सकते हैं। आकार देने वाले क्षेत्र से कोर द्रव डाउनस्ट्रीम का बहुलीकरण फाइबर को जम जाता है। फोटोनिश क्लिक रसायन पराबैंगनी प्रकाश के साथ विकिरण द्वारा कोर द्रव के तेजी से बहुलीकरण के लिए अच्छी तरह से अनुकूल हैं। विभिन्न प्रकार के आकार वाले फाइबर को पॉलीमर की एक सूची से उत्पादित किया गया है जिसमें तरल क्रिस्टल, पॉली (मिथाइलमेथाक्रिलेट), थिओल-एन और थिओल-मीन रेजिन, पॉलीथीन ग्लाइकोल और हाइड्रोगेल डेरिवेटिव शामिल हैं। आकार देने की प्रक्रिया और हल्के बहुलीकरण की स्थिति के दौरान न्यूनतम कतरनी भी निर्माण प्रक्रिया को कोशिकाओं और अन्य जैविक घटकों के एनकैप्सुलेशन के लिए अच्छी तरह से अनुकूल बनाती है।

Introduction

ऊतक मचान^1,समग्र सामग्री^2,ऑप्टिकल संचार^3,और प्रवाहकीय संकर सामग्री⁴ विशेष बहुलक फाइबर का उपयोग कर अनुसंधान के क्षेत्र हैं। फाइबर निर्माण के लिए पारंपरिक तरीकों में पिघल निष्कासन, कताई, ड्राइंग, कास्टिंग और इलेक्ट्रोस्पिनिंग शामिल हैं। इन तरीकों द्वारा उत्पादित अधिकांश बहुलक फाइबर निर्माण के दौरान बहुलक और हवा के बीच सतह के तनाव से घिरे दौर क्रॉस-सेक्शन प्रदर्शित करते हैं। हालांकि, गैर-पार-वर्गों वाले फाइबर समग्र सामग्री^5,6के यांत्रिक गुणों को बढ़ा सकते हैं, सतह क्षेत्र-से-मात्रा अनुपात में वृद्धि कर सकते हैं, गीला या बाती^{7 को}नियंत्रित कर सकते हैं, और वेवगाइड्स⁸ या ध्रुवीकरण⁹के रूप में उपयोग किया जा सकता है।

एक धारा (म्यान प्रवाह) को घेरने और एक और धारा (कोर प्रवाह) को आकार देने के लिए माइक्रोफ्लुइडिक सिस्टम द्वारा विशेष बहुलक फाइबर का उत्पादन अत्यधिक प्रजनन फाइबर के निरंतर उत्पादन के लिए हल्की स्थितियों और क्षमता के कारण अपील कर रहे हैं। प्रारंभिक प्रयोगों ने^10-12प्रीपॉलिमर और म्यान तरल पदार्थों की सापेक्ष प्रवाह दरों पर निर्भर आकारों वाले गोल फाइबर का उत्पादन किया। माइक्रोफ्लुइडिक चैनल के ऊपर और नीचे में खांचे की खोज^13,14 कोर स्ट्रीम के लिए एक पूर्व निर्धारित आकार का उत्पादन करने के लिए म्यान को मोड़ सकती है, जिससे अधिक जटिल फाइबर आकार^10-12,15-17उत्पन्न करने के लिए प्रौद्योगिकी का नेतृत्व किया गया ।

एनआरएल जांचकर्ताओं ने निम्नलिखित महत्वपूर्ण तकनीकी विशेषताओं का प्रदर्शन किया है^13-21:

1. विभिन्न प्रकार की आकार देने वाली विशेषताओं का उपयोग कोर स्ट्रीम को आकार देने के लिए म्यान तरल पदार्थ को निर्देशित करने के लिए किया जा सकता है: खांचे या लकीरें धारियों, शेवरॉन या हेरिंगबोन्स के रूप में कॉन्फ़िगर की जा सकती हैं।
2. इन सुविधाओं का एक टूलबॉक्स वांछित प्रवाह परिणाम के लिए मैप किया जा सकता है।
3. लिथोग्राफी, मोल्डिंग, मिलिंग या प्रिंटिंग तकनीकों का उपयोग करके माइक्रोचैनल बनाए जा सकते हैं। सब्सट्रेट सामग्रियों को प्रीपॉलिमर या म्यान समाधानों में भंग या इरोड नहीं करना चाहिए, और फोटोनिशीकृत बहुलकीकरण के लिए, बाहरी परतों को पराबैंगनी प्रकाश के लिए पारदर्शी होना चाहिए।
4. आकार देने की सुविधाओं के एक सेट द्वारा बनाई गई आकार चैनल के माध्यम से प्रवाह दरों को बदल कर बदला जा सकता है । माइक्रोचैनल में द्रव प्रवाह के COMSOL मल्टीफिजिक्स सिमुलेशन जिसके परिणामस्वरूप तरल पदार्थ और फाइबर आकार की भविष्यवाणी करने में सक्षम हैं।
5. म्यान और कोर तरल पदार्थ के चिपचिपाहट और चरण (हाइड्रोफिलिज़नेस) का मिलान करना महत्वपूर्ण है ताकि तरल पदार्थ इंटरफेस में कतरनी तनाव में भिन्नता से उत्पन्न होने वाली प्रकार की अस्थिरता से बचा जा सके। यदि एक बड़ा चिपचिपाहट या चरण बेमेल चिपचिपा हो सकता है, तो संभवतः अंतिम फाइबर आकार को विकृत कर सकता है या यहां तक कि माइक्रोचैनल को भी अवरुद्ध कर सकता है।
6. फाइबर कास्टिंग या बहुलीकरण द्वारा गठन किया जा सकता है, लेकिन बहुलीकरण आकार पर अधिक नियंत्रण प्रदान करता है।
7. माइक्रोचैनल से बाहर निकलने से पहले पॉलीमराइजेशन (कोर फ्लूइड का जमना) होना चाहिए। हालांकि, चैनल के भीतर धीमी बहुलकता चिपचिपाहट में वृद्धि का कारण बन सकती है, जिससे फाइबर आकार प्रभावित हो सकता है या यहां तक कि चैनल को भी बंद कर सकता है। बहुलीकरण की घटनाओं के समय और स्थान को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाना चाहिए।
8. उनकी तेजी से प्रतिक्रिया काइनेटिक्स के कारण, फोटो-प्रेरित मुक्त कट्टरपंथी बहुलक, विशेष रूप से थिओल-आधारित क्लिक रसायन, विशेष रूप से फाइबर उत्पादन के लिए अच्छी तरह से अनुकूल हैं।
9. गैर-वर्दी फाइबर व्यास बनाने के लिए निर्माण के दौरान सापेक्ष प्रवाह दरों को बदला जा सकता है।
10. सुविधाओं को आकार देने के कई समूहों को निम्नलिखित कारणों से एक चैनल में एकीकृत किया जा सकता है:
    1. आकार देने और आकार घटाने के कार्यों को अलग करने के लिए
    2. मल्टीलेयर या खोखले फाइबर बनाने के लिए
    3. एक माइक्रोफ्लुइडिक चैनल से कई फाइबर का उत्पादन करने के लिए
11. बहुत कम सांद्रता पर बहुलक में शामिल तरल क्रिस्टल मेसोजेन ध्रुवीकृत प्रकाश के तहत द्विउदिता प्रदर्शित करते हैं, सुझाव है कि बहुलक अणुओं फाइबर की धुरी के साथ गठबंधन किया जा सकता है ।
12. कोशिकाओं को जैव संगत हाइड्रोजेल प्रीपॉलिमर में शामिल किया जा सकता है और उच्च व्यवहार्यता²²के साथ निर्माण प्रक्रिया से बच सकते हैं ।

जब एक प्रीपॉलिमर स्ट्रीम को आकार देने के लिए म्यान धारा द्वारा हाइड्रोडायनामिक फोकसिंग का उपयोग कर पॉलीमर फाइबर का निर्माण करते हैं, तो बहुलक सामग्रियों का चयन एक व्यावहारिक पहला कदम है। उपयुक्त पॉलिमर, इसी सर्जक रसायन, और म्यान तरल पदार्थ निम्नलिखित दिशानिर्देशों के भीतर पहचाना जाना चाहिए:

1. बहुलक और म्यान तरल पदार्थ गलत हैं और इसी तरह के चिपचिपाहट के हैं। उदाहरण के लिए, एक जलीय मोनोमर समाधान एक व्यवहार्य म्यान तरल पदार्थ के रूप में पानी का उपयोग कर सकता है, लेकिन म्यान तरल पदार्थ के रूप में हेक्सान को नियोजित नहीं कर सकता है।
2. बहुभाषण तंत्र को आकार देने के बाद कोर तरल पदार्थ जमना और तुरंत पहले फाइबर चैनल से बाहर निकलता है तेजी से पर्याप्त दर गति गतिज होना चाहिए ।

सामग्री का चयन किए जाने के बाद, वांछित फाइबर आकार और आकार उत्पन्न करने के लिए एक माइक्रोचैनल डिजाइन किया जाना चाहिए। आवश्यक आकार देने वाली विशेषताओं (धारियों, हेरिंगबोन्स, शेवरॉन) को निर्धारित करने के लिए, कम्प्यूटेशनल द्रव गतिशीलता सॉफ्टवेयर का उपयोग तरल प्रवाह पैटर्न की भविष्यवाणी करने के लिए किया जा सकता है। आकार देने की विशेषताएं कोर तरल पदार्थ के चारों ओर म्यान तरल पदार्थ परिवहन । आम तौर पर, धारियों एक तरफ से दूसरे के लिए चैनल के ऊपर और नीचे भर में म्यान तरल पदार्थ ले जाते हैं, जबकि हेरिंगहड्डियों और धरण तरल पदार्थ ऊपर की ओर पक्षों से दूर ले जाते है और/ चैनल के ऊपर और नीचे में दोहराव वाले खांचे की संख्या उस डिग्री को प्रभावित करती है जिस पर म्यान तरल पदार्थ निर्देशित होता है। कोर और म्यान तरल पदार्थ की प्रवाह दरों का अनुपात भी प्रभाव मध्यस्थता करते हैं। COMSOL मल्टीफिजिक्स सॉफ्टवेयर का उपयोग कर सिमुलेशन क्रॉस-सेक्शनल आकार की भविष्यवाणी करने के लिए आकार देने वाली सुविधाओं और प्रवाह दर अनुपात की बातचीत का मूल्यांकन करने में विश्वसनीय साबित हुए हैं। ये सिमुलेशन चैनल, चिपचिपाहट और प्रस्तावित प्रवाह दरों के आकार के साथ कोर और म्यान के बीच सोल्यूट्स के प्रसार में उपयोगी अंतर्दृष्टि भी प्रदान करते हैं।

यदि एक जटिल आकार वांछित है, जैसे कि बॉयड एट अल में वर्णित “डबल एंकर”। ^23,आकार देने और आकार देने के कार्यों को अलग करना उपयोगी है। एक जटिल आकार सुविधाओं के एक सेट के साथ बनाया जा सकता है और फिर एक रणनीतिक रूप से रखा एकल नाली संरचना एक दूसरे म्यान धारा के प्रवेश द्वार पर रखा काफी अपने आकार में फेरबदल के बिना बहुलक धारा के पार अनुभागीय क्षेत्र को कम करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।

जटिल माइक्रोचैनल डिजाइन का एक और उदाहरण मल्टीलेयर फाइबर उत्पन्न कर सकता है। इस डिजाइन में, सुविधाओं को आकार देने और अतिरिक्त क्लैडिंग तरल पदार्थ के अनुक्रमिक सेट पेश किए जाते हैं। इन गाढ़ा प्रवाह ठोस कोर-क्लैडिंग फाइबर या खोखले ट्यूबों में जम सकता है। इस डिवाइस का एक उदाहरण नीचे प्रस्तुत किया जाएगा।

एक बार माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के डिजाइन को चुन लिया गया है, माइक्रोचैनल निर्माण प्रक्रिया शुरू कर सकते हैं। जिन फैब्रिकेशन टूल्स का इस्तेमाल किया जा सकता है उनमें सॉफ्ट लिथोग्राफी, सीएनसी मिलिंग, हॉट एम्बोसिंग और 3डी प्रिंटिंग शामिल हैं । उपयोग किए गए उपकरणों के बावजूद, यह महसूस करना महत्वपूर्ण है कि माइक्रोफ्लुइडिक चैनल की दीवार में दुर्घटनापूर्वक पेश की गई विशेषताएं भी म्यान प्रवाह को निर्देशित करेंगी और इसके परिणामस्वरूप उस डिवाइस का उपयोग करके बनाए गए सभी फाइबर के क्रॉस-सेक्शनल आकार में अत्यधिक प्रजनन विचलन हो सकता है। माइक्रोचैनल सब्सट्रेट सामग्री को शारीरिक रूप से मजबूत, रासायनिक रूप से निष्क्रिय और यूवी-क्षति के लिए प्रतिरोधी होने के लिए भी सावधानीपूर्वक चुना जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, पॉलीडिमेथाइलसिलोक्सेन (पीडीएमएस) को आसानी से कास्ट किया जा सकता है, गैसकेट जैसी मुहरें प्रदान करता है, और यूवी पारदर्शी है; PDMS चैनल के पारदर्शी शीर्ष के लिए उपयोगी है, लेकिन पक्षों और चैनल के नीचे नहीं है, जो और अधिक कठोरता की जरूरत है ।

अंततः, तरल पदार्थ गतिशीलता सिमुलेशन द्वारा भविष्यवाणी की प्रवाह दरों पर ठीक से चयनित कोर और म्यान तरल पदार्थ शुरू करके, आकार देने वाली विशेषताएं उपयुक्त द्रव प्रोफ़ाइल उत्पन्न करेंगी और डाउनस्ट्रीम यूवी इलाज लैंप डिजाइन किए गए बहुलक फाइबर को जमना होगा। चैनल से बहुलक फाइबर का निरंतर निष्कासन केवल तरल जलाशयों की मात्रा से सीमित लंबाई में प्रजनन योग्य फाइबर प्रदान कर सकता है।

Protocol

यह प्रोटोकॉल फोटोनिबद्ध थिओल-yne क्लिक रसायन शास्त्र का उपयोग करके खोखले फाइबर के निर्माण का वर्णन करता है। माइक्रोचैनल में चैनल के नीचे और ऊपर(चित्रा 1)में सुविधाओं को आकार देने के रूप में शेवरॉन खांचे या “धारियों” हैं। तीन तरल पदार्थ पेश किए जाते हैं और गाढ़ा धाराओं में निर्देशित होते हैं; आंतरिक से बाहरी तरल पदार्थ धाराओं तक, इन्हें कोर, क्लैडिंग और म्यान तरल पदार्थ के रूप में जाना जाता है। खोखले फाइबर बनाने के लिए केवल क्लैडिंग प्रवाह को बहुलीकृत किया जाता है। चयनित सामग्री इस प्रकार हैं: कोर द्रव: खूंटी (M.W. = 400), ~ 100 mPa. सेकंड (20 ºC) क्लैडिंग फ्लूइड: थिओल-yne पॉलिमर (पीईटीएमपी + ओड़ी), सर्जक (डीएमपीए) म्यान तरल पदार्थ: खूंटी (एमडब्ल्यू = 400), ~ 100mPa। सेकंड (20 ºC) माइक्रोचैनल डिवाइस को सीएनसी मिलिंग और पीडीएमएस कास्टिंग द्वारा निर्मित एल्यूमीनियम और प्लास्टिक पार्ट्स से इकट्ठा किया गया था । माइक्रोचैनल के माध्यम से प्रवाह तीन सिरिंज पंप द्वारा नियंत्रित किया गया था । 1. माइक्रोचैनल का डिजाइन और सिमुलेशन माइक्रोचैनल के भीतर तरल पदार्थ के वेग और संवहन/प्रसार दोनों की गणना करते समय, प्रत्येक आने वाले तरल पदार्थ को उचित चिपचिपाहट प्रदान करना महत्वपूर्ण है । कम्प्यूटेशनल फ्लूइड डायनेमिक्स सॉफ्टवेयर (COMSOL) में आयात किए जाने वाले वांछित माइक्रोचैनल का कंप्यूटर मॉडल बनाएं। चित्रा 1 में उदाहरण ऑटोडेस्क आविष्कारक सीएडी सॉफ्टवेयर के साथ उत्पन्न किया गया था। निम्नलिखित कदम माइक्रोचैनल के भीतर द्रव प्रवाह की गणना के लिए COMSOL मल्टीफिजिक्स के उपयोग के संदर्भ में हैं। COMSOL में डिजाइन माइक्रोचैनल के आयात के बाद, पुनरावृत्ति द्रव प्रवाह दरों नेविर-स्टोक्स सॉल्वर में पेश किया जा सकता है। कार्यक्रम की स्थापना शुरू करें और 3डी लैमिनार फ्लो + कन्वेक्शन/प्रसार समीकरण चुनें। माइक्रोचैनल में उत्पन्न कम रेनॉल्ड्स नंबर डिवाइस के भीतर पूर्ण लैमिनार प्रवाह की अनुमति देते हैं। एक परिमित-तत्व जाल डिजाइन करें जिस पर संख्यात्मक गणना करना है। जाल को उन क्षेत्रों में अधिक परिष्कृत (छोटे विभाजन हैं) होना चाहिए जहां गुण तेजी से बदलते हैं। यह दोनों आकार देने की सुविधा पर जाल को परिष्कृत करने और <1 μm पक्ष लंबाई के लिए बाहर निकलें सुझाव दिया है । यह कोर-म्यान द्रव इंटरफेस के "कुरकुरा" दृश्य के लिए प्रदान करता है। द्रव प्रवाह के लिए इनपुट सामग्री गुण, यानी चिपचिपाहट, प्रसार स्थिर, और एकाग्रता। इस समय, निकास प्रवाह के लिए सीमा शर्तें भी निर्धारित करें। हम एक खुले आउटलेट का अनुकरण करने के लिए शून्य चिपचिपा तनाव का सुझाव देते हैं। इनपुट प्रवाह दरों की एक श्रृंखला के माध्यम से पुनरावृत्ति साइकिल चालन द्वारा द्रव प्रवाह वेग अध्ययन की गणना करें। उदाहरण के लिए, कोर द्रव = 7.5 माइक्रोल/न्यूनतम, म्यान तरल पदार्थ = 30 माइक्रोल/मिनट । माइक्रोचैनल प्रवाह के संवहन/प्रसार गुणों को हल करने के लिए प्रारंभिक मूल्यों के रूप में वेग क्षेत्र समाधान आयात करें । संवहन/प्रसार समस्याओं का समाधान कोर-म्यान द्रव इंटरफेस और अंतिम द्रव प्रवाह और उत्पादित फाइबर के आकार की भविष्यवाणी करने में सहायता का वर्णन करेगा । कम्प्यूटेशनल परिणामों से, वांछित फाइबर आकार प्राप्त करने के लिए आवश्यक संख्या और आकार देने वाली सुविधाओं के प्रकार की भविष्यवाणी की जा सकती है। तरल प्रवाह दर इनपुट फाइबर पैदा करने के लिए आवश्यक प्रवाह दरों से भी सहसंबंधित होगा। इन भविष्यवाणियों के साथ, पॉलीमर फाइबर के निष्कासन के लिए एक माइक्रोचैनल डिवाइस तैयार किया जा सकता है। 2. म्यान प्रवाह उपकरण घटकों का निर्माण म्यान प्रवाह डिवाइस के घटकों को बनाने के लिए प्रत्यक्ष माइक्रोमिलिंग, गर्म-उभरने, और/या बहुलक कास्टिंग का एक संयोजन इस्तेमाल किया जा सकता है । संसाधनों के आधार पर, तदनुसार रणनीति चुनें। प्रस्तुत उदाहरण एक सीधी मिलिंग प्रक्रिया है जो कंप्यूटर न्यूमेरिकल कोड (सीएनसी) का उपयोग करती है। पांच परतें (ऊपर से नीचे तक) बनाई जानी हैं, जिन्हें चित्र 2: 1में दर्शाया गया है। इनलेट चक (एल्यूमीनियम), 2 । बन्धन प्लेट (एल्यूमीनियम), 3. माइक्रोचैनल टॉप लेयर (चक्रीय ओलेफिन कोपॉलिमर, सीओसी या पीडीएमएस), 4। माइक्रोचैनल बॉटम लेयर (सीओसी या पॉलीथर ईथर कीटोन, पीवन), 5। बन्धन प्लेट (एल्यूमीनियम) । (डायरेक्ट मिलिंग के लिए उदाहरण फ़ाइलें सहायक जानकारी में *.stl प्रारूप में उपलब्ध हैं) COMSOL सिमुलेशन के साथ संगत डिजाइन का उपयोग करना, कंप्यूटर एडेड ड्राफ्टिंग (सीएडी) के माध्यम से सिस्टम का एक 3डी मॉडल विकसित करें। डिवाइस की प्रत्येक परत के लिए एक अलग सीएडी फ़ाइल बनाएं। जब एक परत को प्रत्यक्ष माइक्रोमिलिंग के माध्यम से गढ़ा जाना है, तो सीएडी मॉडल को संख्यात्मक रूप से नियंत्रित (सीएनसी) मिल द्वारा उपकरण का उत्पादन करने के लिए कंप्यूटर सहायता प्राप्त मशीनिंग एप्लिकेशन में आयात करें जिसकी व्याख्या कंप्यूटर संख्यात्मक रूप से नियंत्रित (सीएनसी) मिल द्वारा की जाएगी। 30.5 सेमी की 5 चादरें प्राप्त करें × 30.5 सेमी बलि परत सामग्री जो न्यूनतम 3.2 मिमी मोटी हैं। सीओसी, झांकना, एल्यूमीनियम, और पाली (मिथाइलमेथाक्रिलेट) में से प्रत्येक 1 शीट प्राप्त करें जो 30.5 सेमी × 30.5 सेमी और 3.2 मिमी मोटी हैं। एल्यूमीनियम की 1 शीट प्राप्त करें जो 30.5 सेमी × 30.5 सेमी और 9.5 मिमी मोटी है। प्रत्येक शीट को प्रत्येक चरण 2.4-2.5 में दो तरफा चिपकने वाले के साथ चरण 2.3 से बलि स्टॉक की शीट में प्रत्येक को चिपकाएं। सुनिश्चित करें कि अधिकतम 2.5 सेमी की बाहरी अन-टेप सीमा मौजूद है। टेप के लिए जगह में काम सामग्री पकड़ कार्य करता है, जबकि मिल्ड जा रहा है और इसे बचाने के लिए एक बार मिल्ड हिस्सा मिल चक्र के अंत में शेयर सामग्री से दूर काट दिया है । सीएनसी मिल की मेज पर COC + बलि स्टॉक जकड़ना, संख्यात्मक कोड (नेकां) में उद्धृत उपकरण लोड, और एक्स, वाई, और जेड में उपकरण और स्टॉक (काम) सामग्री जांचना । नेकां कोड लोड और सीओसी परत मिल। मिल से सामग्री की शीट निकालें और ध्यान से सब्सट्रेट से मशीनी हिस्से को हटा दें। इस प्रक्रिया के दौरान मिल कूलेंट भाग और स्टॉक को तर कर देगा। धीरे-धीरे भाग को हटाने से पहले अच्छी तरह से कुल्ला करें। हल्के डिटर्जेंट से धोएं, इसके बाद 70% आइसोप्रोपिल अल्कोहल से धोएं। हल्के डिटर्जेंट तेल अवशेषों को दूर करेगा, और शराब अवशिष्ट चिपकने वाला दूर हो जाएगा। यदि बर्र माइक्रोआर्किटेक्चर में फंस जाते हैं, तो उन्हें उखाड़ फेंकने के लिए सोनीसिएशन आवश्यक हो सकता है। म्यान प्रवाह डिवाइस बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली अन्य परतों में से प्रत्येक के लिए चरण 2.7 और 2.9 दोहराएं। पीएमएमए लेयर के अपवाद के साथ, इस बिंदु पर तैयार की गई प्रत्येक परतों का उपयोग सीधे डिवाइस में किया जाएगा। पीएमएमए का इस्तेमाल 10 पार्ट्स सिलगार्ड 184 बेस को 1 पार्ट क्यूरिंग एजेंट के साथ मिलाकर और सरगर्मी से अच्छी तरह से मिलाकर पीडीएमएस लेयर तैयार करने के लिए किया जाएगा। यह जानकारी प्रदान की जाती है यदि कोई गैसकेट जैसी पीडीएमएस सामग्री के साथ सीओसी परतों में से एक को बदल देगा। पहले तैयार पीएमएमए मोल्ड गुहा में सिलगार्ड 184 डालो, यह सुनिश्चित करना है कि हवा के बुलबुले समाप्त हो रहे हैं। यदि आवश्यक हो, तो एक वैक्यूम में बुलबुले को हटाया जा सकता है। पीडीएमएस को कमरे के तापमान पर 48 घंटे, 45 मिनट पर 100 डिग्री सेल्सियस, 20 मिनट पर 125 डिग्री सेल्सियस या 10 मिनट पर 150 डिग्री सेल्सियस तक ठीक किया जा सकता है। 3. म्यान प्रवाह तंत्र विधानसभा नीचे एक बन्धन प्लेट रखकर नीचे से म्यान प्रवाह डिवाइस को इकट्ठा करें, फिर सीओसी परत अन्य सीओसी परत के बाद, और शेष बन्धन प्लेट(चित्रा 2)। सुनिश्चित करें कि आकार देने वाले खांचे चैनल के किनारों के साथ एक दूसरे के साथ संरेखित होते हैं और सीओसी परतों में तरल पदार्थ को आकार देने वाली ज्यामिति पूरी तरह से ओवरलैप होती है। संरेखण में सहायता करने के लिए एक विच्छेदन माइक्रोस्कोप का उपयोग किया जा सकता है। डिवाइस के केंद्र में बोल्ट डालें, और डिवाइस को एक साथ दबाने के लिए नट और बोल्ट को कस लें। केंद्र के बाएं से दाएं, संरेखण में लॉक करने और लीक को रोकने के लिए केंद्र से चरण 3.2 दोहराएं। इनलेट चक पर जोड़ें जब इसके बढ़ते छेद तक पहुंच रहे है और एक बारी फैशन में शिकंजा बढ़ते जारी है । म्यान प्रवाह डिवाइस को टयूबिंग और सीरिंज में इंटरफेस करने के लिए मानक एचपीएलसी फिटिंग का उपयोग करें जिसमें म्यान तरल पदार्थ और प्रीपॉलिमर समाधान होता है। सभी कनेक्शनों के लिए हाथ कसना पर्याप्त है। एक अंगूठी स्टैंड और क्लैंप का उपयोग कर डिवाइस खड़ी माउंट। सुनिश्चित करें कि डिवाइस शीर्ष-अधिकांश भाग पर एक स्तर का उपयोग करके ऊर्ध्वाधर है। यदि म्यान प्रवाह डिवाइस ऊर्ध्वाधर नहीं है, तो फाइबर माइक्रोचैनल दीवार को छू सकता है और क्लोजिंग का कारण बन सकता है। म्यान प्रवाह डिवाइस के COC चेहरे से यूवी स्रोत को ~ 1 सेमी की स्थिति में रखें ताकि माइक्रोचैनल का अंतिम 3-5 सेमी विकिरणित हो। यूवी स्रोत को ~ 200 mW/सेमी2देने के लिए कैलिब्रेट किया जाना चाहिए। 4. समाधान तैयारी जैसा कि पहले संकेत दिया गया है, कई सामग्रियों का उपयोग अनुरूप प्रोटोकॉल और म्यान प्रवाह प्रणालियों का उपयोग करके माइक्रोफाइबर बनाने के लिए किया जा सकता है, लेकिन थिओल-yne रसायन शास्त्र का उपयोग यहां किया जाता है। भंडारण में समय के साथ हो सकता है कि चिपचिपाहट में वृद्धि से बचने के लिए फाइबर एक्सट्रूज़न प्रक्रिया शुरू करने से पहले तुरंत प्रीपॉलिमर समाधान तैयार करें। म्यान तरल पदार्थ के रूप में सेवा करने के लिए पॉलीथीन ग्लाइकोल 400 (खूंटी 400) का एक एलिकोट तैयार करें। एक 1 मिलीलीटर Luer-खूंटी ४०० के साथ इत्तला दे दी सिरिंज भरें एक nonpolymerizable कोर तरल पदार्थ के रूप में सेवा करने के लिए, और एक 30 मिलीलीटर Luer-खूंटी ४०० के साथ इत्तला दे दी सिरिंज भरने के लिए म्यान तरल पदार्थ के रूप में सेवा करते हैं । एक प्रीपॉलिमर समाधान तैयार करें जिसमें 0.01 मोल पेंटारीथ्रिटोल टेट्राइस 3-मर्काप्टोप्रोपोपोएटोनेट (पीईटीएमपी) और 0.01 मोल 1,7-ऑक्टेडीन (ओडीवाई) शामिल हैं। सुनिश्चित करें कि दो घटक पूरे प्रयोग में अच्छी तरह से मिश्रित हैं, यूवी प्रकाश के स्रोतों के लिए सभी प्रीपॉलिमर रिएजेंट्स के जोखिम को कम करें, जिसमें परिवेश प्रकाश(उदाहरण के लिए पन्नी के साथ सीरिंज लपेटें)। 4 x 10-4 मोल 2, 2-डाइमेथॉक्सी-2-फेनिलेस्टोफेनोन (डीएमपीए) फोटोनिटिनिएटर के साथ पीईटीएमपी/ओडीआई समाधान को पूरक करें। यह सुनिश्चित करना जारी रखें कि समाधान अच्छी तरह से मिश्रित हैं, और वे एल्यूमीनियम पन्नी के साथ कंटेनरों को कवर करके यूवी प्रकाश के संपर्क में नहीं हैं। प्रीपॉलिमर समाधान के साथ 5 मिलीलीटर एल्यूमीनियम फॉइल-लिपटे, लूयर-इत्तला वाली सिरिंज लोड करें। 5. माइक्रोफाइबर उत्पादन (वीडियो का फोकस) सुनिश्चित करें कि माइक्रोफ्लुइडिक चैनल का आउटलेट संग्रह स्नान(चित्रा 3)में समाधान के संपर्क में है। जटिल संरचनाओं के लिए, संग्रह स्नान में समाधान चिपचिपाहट-कोर और म्यान तरल पदार्थ से मेल होना चाहिए, लेकिन सरल खोखले फाइबर के लिए, पानी पर्याप्त है। कोर, क्लैडिंग, और म्यान तरल सिरिंज पंपों को क्रमशः 1, 30, और 120 माइक्रोल/मिनट पर संचार करने के लिए सेट करें । सुनिश्चित करें कि संबंधित सिरिंज व्यास को सही तरीके से सिरिंज पंपों में प्रवेश दिया गया है। सिरिंज को उनके संबंधित सिरिंज पंपों में माउंट करें और उन्हें यूवी प्रोटेक्टिव टायगॉन ट्यूबिंग के साथ म्यान प्रवाह डिवाइस से जोड़ें। म्यान प्रवाह डिवाइस प्रधानमंत्री के लिए म्यान तरल पदार्थ शुरू करें और सिस्टम से हवा को खत्म करें। नेत्रहीन माइक्रोचैनल का निरीक्षण करें, यह सुनिश्चित करते हुए कि अगले चरण पर जाने से पहले माइक्रोचैनल में कोई हवा के बुलबुले न रहें। धारियों पर विशेष ध्यान दें। माइक्रोचैनल निरीक्षण में सहायता के लिए एक विच्छेदन माइक्रोस्कोप का उपयोग किया जा सकता है। यदि हवा के बुलबुले मौजूद हैं, तो डिवाइस को घूर्णन करके और/या धीरे से टैप करके हवा के बुलबुले को डिवाइस से बाहर निकालने के लिए प्रवाह के नीचे उत्तेजित करें । क्लैडिंग तरल पदार्थ शुरू करें, जिससे प्रवाह स्थिर हो सके। सुनिश्चित करें कि अगले चरण पर जाने से पहले माइक्रोचैनल में कोई हवा के बुलबुले न रहें। आकार देने वाले खांचे पर विशेष ध्यान दें। यदि हवा के बुलबुले मौजूद हैं, तो डिवाइस से हवा के बुलबुले को बाहर निकालने के लिए प्रवाह के नीचे डिवाइस को उत्तेजित करें। अंत में, कोर तरल पदार्थ शुरू; फिर, सुनिश्चित करें कि बुलबुले सिस्टम में मौजूद नहीं हैं। यूवी स्रोत चालू करें और खोखले माइक्रोफाइबर(चित्रा 4 ए)के निरंतर उत्पादन के लिए संग्रह स्नान का निरीक्षण करें क्योंकि इसे म्यान तरल पदार्थ के साथ बाहर निकाला जाता है। एक संशोधित स्पैटुला या एक इनोकुलेट लूप का उपयोग करके संग्रह स्नान से फाइबर को पुनः प्राप्त करें, और निरंतर फाइबर को मोटराइज्ड स्पूल(चित्रा 3)पर एकत्र करने की अनुमति दें।

Representative Results

एक साधारण 2-चरण डिजाइन, खांचे और तीन समाधान आदानों को आकार देने का उपयोग करके, खोखले फाइबर(चित्रा 1)बनाने के लिए उपयोग किया गया था। वांछित क्रॉस सेक्शनल आकार(चित्रा 1,ईएसआई वीडियो) प्राप्त करने के लिए उपयुक्त प्रवाह-दर अनुपात निर्धारित करने के लिए COMSOL सिमुलेशन का उपयोग किया गया था। मिलिंग और मोल्डिंग के संयोजन ने फाइबर(चित्र 2)बनाने के लिए म्यान प्रवाह असेंबली के लिए घटकों का उत्पादन किया। पूरी असेंबली में म्यान प्रवाह डिवाइस, फाइबर ऑप्टिक-युग्मित यूवी लेजर, तीन सिरिंज पंप, एक संग्रह स्नान (बीकर), और एक फाइबर संग्रह स्पूल(चित्रा 3)शामिल थे। क्लैडिंग सामग्री का बहुलीकरण यूवी प्रकाश स्रोत द्वारा शुरू किया गया था, और खोखले फाइबर को माइक्रोचैनल से संग्रह स्नान में निकाला गया था। फाइबर का गठन किया और यूवी प्रकाश बंद कर दिया गया था जब तक लगातार एकत्र किया गया था। फाइबर का उत्पादन मिनटों तक जारी रहा और लंबाई में एक मीटर से अधिक एक फाइबर उत्पन्न हुआ। इन परिस्थितियों में बने फाइबर व्यास में लगभग 200 माइक्रोन थे। फाइबर की संरचना ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग कर कल्पना की गई थी। फाइबर एक खोखले कोर के साथ एक अंडाकार आकार था। केशिका कार्रवाई का उपयोग फाइबर के इंटीरियर में तरल और बुलबुले को पेश करने के लिए किया गया था और इस बात की पुष्टि की गई थी कि फाइबर(चित्रा 4A)की लंबाई पर खोखले संरचना निरंतर थी। चित्रा 1. म्यान प्रवाह डिवाइस डिजाइन और COMSOL डेटा। सीधे खांचे के साथ दो खंड निर्माण उपकरण एक खोखले फाइबर का उत्पादन करने के लिए चुना गया था (एक्स-एक्सिस 45 ° के बारे में घुमाया गया)। बाईं ओर COMSOL सिमुलेशन प्रदर्शित कैसे कोर: cladding: म्यान प्रवाह दर अनुपात (प्रत्येक सिमुलेशन के नीचे संख्या) खोखले फाइबर के अंतिम आकार को प्रभावित करते हैं । माइक्रोचैनल क्रॉस-सेक्शन 1 मिमी x 0.75 मिमी है, और धारियां 0.38 मिमी चौड़ी और 250 माइक्रोन गहरी हैं। धारियां चैनल के सापेक्ष ∠45° पर हैं। चित्रा 2। म्यान प्रवाह विधानसभा के विस्फोट दृश्य । ऊपर से नीचे तक,(ए)इनलेट चक,(बी)फास्टिंग प्लेट,(सी)माइक्रोचैनल कवर,(D)माइक्रोचैनल बेस,(ई)फास्टिंग प्लेट। घटक एल्यूमीनियम, एल्यूमीनियम, COC (या पीडीएमएस), COC (या तिरछी नज़र) और एल्यूमीनियम, क्रमशः से निर्मित कर रहे हैं । नियमित रूप से दूरी छेद विधानसभा शिकंजा को समायोजित। चित्र 3। लेआउट और योजनाबद्ध सिंहावलोकन की तस्वीर। सेटअप में म्यान प्रवाह असेंबली पानी स्नान युक्त बीकर पर खड़ी सुरक्षित, फोटोपॉलिमराइजेशन के लिए फाइबर ऑप्टिक लेजर, तीन सिरिंज पंप, और बहुलक फाइबर एकत्र करने के लिए धुरी शामिल हैं। इनसेट यूवी रोशनी के साथ निर्माण विधानसभा से पता चलता है। (A)म्यान और कोर इनलेट्स,(बी)माइक्रोफ्लुइडिक चैनल,(सी)यूवी लाइट,(डी)संग्रह जलाशय,(ई)बहुलक फाइबर एकत्र किया जा रहा है । चित्र 4. हाइड्रोडायनामिक फोकसिंग का उपयोग करके बनाए गए फाइबर की ऑप्टिकल और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ छवियां। हाइड्रोडायनामिक फोकसिंग का उपयोग करके निम्नलिखित आकृतियों में फाइबर गढ़े गए हैं:(ए)खोखले ट्यूब,(बी)आयताकार रिबन,(सी)पतली लोचदार रिबन,(डी)त्रिकोण,(ई)किडनी बीन्स,(एफ)स्ट्रिंग ऑफ मोती,(जी)गोल फाइबर एम्बेडेड कार्बन नैनोफाइबर के साथ, और(एच)डबल एंकर आकार । फाइबर एक्रिलेट्स, मेथाक्रिलेट्स और थिओल-एन्स सहित विभिन्न सामग्रियों से बने होते हैं। ईएसआई वीडियो। COMSOL मल्टीफिजिक्स में उत्पादित स्लाइस प्लॉट जिसमें माइक्रोचैनल के एक आधे हिस्से को कोर, क्लैडिंग और म्यान तरल पदार्थ के साथ डिवाइस में प्रवेश करते हैं और दो चरण के प्रवाह को बदलने वाले विकर्ण धारी खांचे को पार करते हैं। नकली कोर, क्लैडिंग और म्यान प्रवाह दर क्रमशः 1, 28 और 256 माइक्रोल/मिन हैं। वीडियो वास्तविक समय में ~ 6 सेकंड का प्रतिनिधित्व करता है, उदाहरण के उद्देश्यों के लिए 6 गुना धीमा हो गया।

Discussion

म्यान प्रवाह दृष्टिकोण का उपयोग कर बहुलक फाइबर के निर्माण अन्य फाइबर निर्माण तकनीकों की तुलना में कई फायदे हैं। उन फायदों में से एक विभिन्न अभिकर्ण संयोजनों का उपयोग करके फाइबर बनाने की क्षमता है। हालांकि यहां एक विशिष्ट थिओल-yne संयोजन प्रस्तुत किया गया था, लेकिन कई अन्य थिओल क्लिक (थिओल-एनी सहित) रसायन विज्ञान संयोजन समान रूप से अच्छी तरह से काम करते हैं। जब तक म्यान समाधान कोर सामग्री के साथ बहुलीकृत होने के लिए गलत है, तब तक फाइबर का उत्पादन करने के लिए विभिन्न प्रकार के अन्य संयोजनों को नियोजित किया जा सकता है। नैनोफाइबर, कणों और कोशिकाओं जैसे समावेशन भी तब तक संभव हैं जब तक कि प्रीपॉलिमर समाधान की चिपचिपाहट में इन एडिटिव्स के योगदान को ध्यान में रखा जाता है।

थिओल क्लिक करें रसायन शास्त्र क्लिक करें रसायन शास्त्र परिवार का एक सबसेट है जिसमें एक थिओल समूह के साथ एक जटिल को यूवी लाइट फोटोपॉलिमराइजेशन द्वारा एक अल्केन (डबल बॉन्ड) या एल्केन (ट्रिपल बॉन्ड) कार्यात्मक समूह के साथ एक परिसर से सहसंबद्ध रूप से जोड़ा जा सकता है। अल्केन्स से जुड़ी प्रतिक्रियाओं को थिओल-एन प्रतिक्रियाएं कहा जाता है, और एल्किनेस से जुड़ी प्रतिक्रियाओं को थिओल-yne प्रतिक्रियाओं कहा जाता है। एक पीआई बॉन्ड (एक अल्केन या एल्कीन से) यूवी लाइट विकिरण पर एक थिओल समूह से जुड़ा होगा। प्रक्रिया प्रतिक्रियाओं के क्लिक परिवार के भीतर अच्छी तरह से फिट बैठता है और प्रभावी ढंग से हमारे microfluidic चैनल में इस्तेमाल किया गया है विभिन्न आकार के फाइबर का उत्पादन करने के लिए(जैसे दौर, रिबन के आकार का, डबल लंगर) कई थिओल क्लिक शुरू घटकों से ।

अधिकांश अन्य समान प्रक्रियाओं की तुलना में यहां उल्लिखित विधि के लिए एक विशिष्ट लाभ उत्पादित फाइबर(आंकड़े 4 ए-एच)के आकार और आकार दोनों को नियंत्रित करने की क्षमता है। एक चैनल डिजाइन करके धारियों, शेवरॉन, या हेरिंगहड्डियों है, फाइबर का उत्पादन एक अलग पार अनुभाग आकार होगा । सामान्य तौर पर, धारियां गोल आकार के उत्पादन के लिए या अतिरिक्त म्यान धाराओं की शुरूआत के लिए पहले के आकार की धाराओं को पूरी तरह से घेरने और उन्हें बहुलीकरण से पहले चैनल की दीवारों से दूर ले जाने के लिए उपयोगी होती हैं। धरण आकार की धारा के केंद्र में ऊर्ध्वाधर आयाम को कम करते हैं, क्षैतिज समरूपता को बनाए रखते हैं। हेरिंगबोन्स आकार की धारा के एक तरफ के ऊर्ध्वाधर आयाम को कम करते हैं, विषमता का उत्पादन करते हैं। इन आकार देने वाले उपकरणों को असंख्य संयोजनों में मिलाया जा सकता है। समकक्ष सुविधाओं की संख्या(यानी 7 शेवरॉन बनाम 10 शेवरॉन) का उपयोग विभिन्न क्रॉस-सेक्शनल प्रोफाइल के साथ फाइबर का उत्पादन करने के लिए भी किया जा सकता है।

फाइबर आकार को नियंत्रित करने की क्षमता के अलावा, प्रस्तुत फाइबर निर्माण पद्धति भी निर्मित फाइबर के आकार को नियंत्रित करने की क्षमता प्रदान करती है, यहां तक कि एक म्यान प्रवाह विधानसभा (जैसे चित्रा 1)का उपयोगकरके। म्यान का समायोजन: कोर प्रवाह दर अनुपात विभिन्न क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्रों के साथ फाइबर बनाने का एक साधन है। अतिरिक्त म्यान चरणों के लिए चैनल डिजाइन को समायोजित करके फाइबर के आकार को नियंत्रित करना भी संभव है। चाहे आकार देने के एक या एक से अधिक चरणों में होता है, एक साधारण अंतिम चरण के आकार को बदलने के बिना कोर के आकार को कम करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।

जिस आसानी से इस माइक्रोफ्लुइडिक चैनल डिजाइन का उपयोग करके विभिन्न आकारों और आकारों के फाइबर का उत्पादन करने के लिए अभिकर् द्र संयोजनों की एक भीड़ का उपयोग किया जा सकता है, ऊतक इंजीनियरिंग से ऑप्टिकल संचार से स्मार्ट वस्त्र तक अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में उपयोगी साबित होगा।

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