En additiv produksjon strategi for behandling av UV-crosslinkable hydrogels har blitt utviklet. Denne strategien gir samlingen lag-på-lag av microfabricated hydrogel strukturer samt montering av uavhengige komponenter, gir integrert enheter inneholder bevegelige komponenter som er mottakelig for magnetisk aktivering.
Polyetylenglykol (PEG)-basert hydrogels er biokompatible hydrogels som er godkjent for bruk i mennesker av FDA. Typisk PEG-baserte hydrogels har enkel monolittisk arkitekturer og ofte fungere som stillas materialer for tissue engineering programmer. Mer sofistikert strukturer vanligvis ta lang tid å dikte og ikke inneholder bevegelige komponenter. Denne protokollen beskriver en klima og jordsmonn metode som gir lettvinte og rask microfabrication av PEG strukturer og enheter. Denne strategien innebærer et internt utviklet fabrikasjon stadium som tillater rask fabrikasjon av 3D strukturer av bygge opp i lag-på-lag mote. Uavhengige flytte komponenter kan også justert og monteres på støttestrukturer til integrerte enheter. Disse uavhengige komponenter er dopet med superparamagnetiske jernoksid nanopartikler som magnetiske aktivering. På denne måten fabrikkerte enhetene kan bli trukket ut med eksterne magneter til bevegelse av komponentene i. Derfor tillater denne teknikken fabrikasjon av sofistikert MEMS-lignende enheter (micromachines) som består helt ut av en biokompatible hydrogel, stand uten en onboard strømkilde, og svare på en kontakt-mindre metode for aktivering. Dette manuskriptet beskriver fabrikasjon av både fabrikasjon opplegget samt den trinnvise metoden for microfabrication av disse hydrogels-baserte MEMS-lignende enheter.
MEMS enheter har funnet en rekke programmer spesielt innen medisinsk utstyr. Selv om de låne en masse ekstra funksjoner og miniatyriserte natur disse enhetene gjør dem attraktive for bruk som implantables1,2,3, disse enhetene ofte har iboende sikkerhet og biocompatibility problemer, som består av materialer som kan være skadelig for menneskekroppen (f.eks metaller, batterier, etc.)4,5,6. PEG-baserte hydrogels er flytende hovne polymer nettverk og er ofte brukt for programmer som vev engineering stillaser hovedsakelig delvis på grunn av deres høye biocompatibility7,8. PEG-baserte hydrogels har også vært FDA-godkjent for bruk i mennesker9,10,11. Men på grunn av materielle egenskapene av hydrogel tåler de ikke lett vanlig produksjonsprosesser som teknikker som brukes i typisk silisium-baserte microfabrication. Dermed er hydrogel-baserte konstruksjoner vanligvis begrenset til enkle monolittisk arkitekturer. Dagens innsats på microfabrication av hydrogels har resultert i strukturer med mikron-størrelse funksjoner; disse strukturene er imidlertid ofte av en enkelt lag og enkelt materiale12,13 og mangel flytte komponenter14,15,16.
I en tidligere arbeid beskriver vi en strategi for fabrikasjon micromachines som består av en biokompatible PEG-baserte hydrogel materiale17. Mikron-størrelse funksjoner kan fremstille lett bruke en klima og jordsmonn og disse strukturene kan bygges oppover med en lag-på-lag-metode, aktiveres av presise z bevegelsen av underlaget der hydrogels er polymerized. Hydrogels av forskjellige komposisjoner kan fremstille ved siden av hverandre. I tillegg har disse enhetene bevegelige komponenter som kan bli trukket ut ved hjelp av en ekstern magnet. Denne allsidige teknikken er også egnet for behandling av mykt materiale eller hydrogel som er Foto-polymerizable. Derfor, denne teknikken er godt egnet for fabrikasjon sofistikert MEMS-lignende enheter består utelukkende av hydrogels.
Denne teknikken er lettvinte og rask metode for lag-på-lag klima og jordsmonn av hydrogel microstructures. Bruke en additiv produksjon tilnærming, kan vi enkelt bygge en rekke 3D strukturer av biokompatible materialer og innarbeide bevegelige deler. Dette dermed gjøre dannelsen av helt biokompatible Micro Devices. Teknikken er basert på enkel repetisjon av litografi trinn, som er aktivert som presis kontroll av høyden på nederste underlaget via en mikrometer hodet. Tradisjonelle fabrikasjon teknikker som brukes i MEMS industrien, som involverer tøffe teknikker og oppofrende materialer, er ofte ikke kompatible med behandlingen av myke hydrogels. Andre metoder for 3D utskrift hydrogels, for eksempel ekstrudering-baserte metoder, er begrenset til romlig oppløsning over 200 µm og utskriftshastighet mm/s for enkel strukturer som ikke inneholder bevegelige deler18,19. Stereolitografi (SLA) og digital lys prosjekt (DLP) basert bioprinters kanskje kunne oppnå bedre oppløsning, men er også mye dyrere å setup. Disse fabrikasjon strategiene er heller ikke kan enkelt skrive ut overheng uten støtte substrat materialer, som kan være vanskelig å innføre og fjerne fra fullførte enheten. Vi omgå dette ved å justere og polymerizing en pre-formet tetting lag å fremstille støtte strukturen til slutt til ferdigutfylte enheten. Utformingen av fabrikasjon oppsettet gir brukeren enkel tilgang til de fabrikkerte strukturene og gir enkel justering av ulike komponenter med bruk av justering merker.
Strategien presenteres her er også mye raskere enn andre teknikker av lignende løsninger; den totale tiden for demonstrert fabrikasjon av enheten med en roterende er ca 15 minutter. En annen addert fordel av denne fabrikasjon strategi, men ikke vist i denne protokollen, men vist i våre tidligere arbeid17, er evnen til å raskt og enkelt endre av polymer brukes mellom trinn som kan gjøres i små volumer . På denne måten kan man lage enheter som er sammensatt av forskjellige typer hydrogels. Enheten fremstille bruker denne strategien også har den ekstra fordelen av kontaktløse aktivering som utstyret inneholder et segment som er dopet med jernoksid nanopartikler, rendering utstyret følsomme for magnetisk aktivering og kan derfor bli trukket ut ved hjelp av en ekstern magnet. I tillegg enheten helt biokompatible og dermed kan være trygt implantert i vivo.
Et viktig trekk ved denne teknikken er behandlingen av underlagene. forskjellige glass, som lar brukeren fortrinnsvis overholde eller frastøte polymerized hydrogel enten i bunnen eller toppen barometer substrate. Når en kombinasjon av ubehandlet glass med en PFOTS-behandlet glassoverflate (nederste underlaget), vil dannet hydrogels fortrinnsvis overholder ubehandlet glass, som de er frastøtt fra fluorholdige overflaten av PFOTS-behandlet glass. Motsatt, når PDMS-belagt glass med PFOTS-behandlet nederste underlaget, hydrogels vil tendere til å være på overflaten PFOTS behandlet som PDMS overflater sterkere frastøte dannet hydrogels. Denne funksjonen gjør det mulig å bygge oppover, overholde hydrogels slik at de er immobilized på glass underlag kan reserveres for justeringen til andre strukturer på et senere tidspunkt i tid, og selv bygge nedover. Dette legger til fleksibiliteten i de teknikk og design som kan fremstille samt gjør innlemmelse og tetting uavhengig, fritt bevegelige hydrogel komponenter.
I lag-på-lag fabrikasjon er det viktig å optimalisere polymerisasjon tiden brukes. Hydrogels bør være optimalt krysskoblet slik at de danner på tykkhet og på Hi-Fi sammenlignet med figurene definert av photomask. Dette er avhengig av lampen og typen hydrogel brukes. Selv om ikke vist i denne protokollen, polymerisasjon tiden avtar med økende lampe styrke og øker med økende PEG kjedelengde og redusere konsentrasjoner av PEGDA brukes. Andre faktorer som påvirker mengden energi tilgjengelig for photopolymerization, for eksempel endring i tetthet av prepolymer på grunn av jernoksid nanopartikler (Figur 4), vil dette påvirke polymerisasjon tiden. Optimalisering for cross-linking betingelser for ulike hydrogel komposisjoner er derfor nødvendig før starten av fabrikasjon enheter.
Bruk av justering merker på photomasks og det lated oppstilling av hydrogel lag, spesielt den siste tetting laget, er viktig å sikre at riktig tetting utføres, og de innvendige komponentene er ikke utilsiktet krysskoblet til den rundt støttestrukturer under fabrikasjon prosessen. Dette vil hindre at disse komponentene fritt flytte under magnetiske aktivering. Som vist i figur 5, gir en feiljustert top tetting lag og photomask crosslinking og forankring av en del av utstyret til bulk materiale i selve enheten. Som et resultat, roterer dette utstyret ikke når startet opp med en magnet.
Enhetene kan bli trukket ut med sterke magneter som neodymmagneter. Disse magnetene generere sterke magnetiske krefter i nært hold til ferromagnetisk materiale og bekymre burde være tatt å hindre skade. Enheten kan være startet opp for å flytte uten magneten kommer i kontakt med enheten. magneten kan avholdes eller plassert ~ 1cm bort fra enheten. Bevegelsen av jern-dopet komponentene kan skal speiles bevegelsen av magneten og startet opp for å flytte kontinuerlig eller orientert midlertidig som ønsket. Enheten kan være manuelt actuated eller en aktivering-oppsett kan brukes. Magneten kan knyttes til en aktuator (f.eks servomotor) roterende bevegelse. Rotasjonshastigheten av magneten, og dermed rotasjonshastigheten av komponenten jern-dopet kan styres med en microcontroller. Dette gir en mer presis metode for aktivering.
Figur 8 viser skjematisk og bilder av ulike design fra tidligere arbeid som ble laget ved hjelp av den samme teknikken og demonstrere allsidighet av denne metoden. Disse design varierer fra enkle enheter som ligner ventiler (figur 8A) til mer komplisert og sofistikert design som henter inspirasjon fra Genève stasjonen design (figur 8D) som består av 2 engasjert tannhjul som produserer intermitterende bevegelse. Minste funksjonene som kan genereres ved hjelp av denne teknikken var vanligvis ca 100 µm og hvert design er sammensatt av flere lag (3-6 lag). Ulike typer hydrogel komposisjoner (med ulike mekaniske styrken og porøsitet) kan også polymerized og limt til hverandre. Derfor kan en enkelt kombinere hvilke hydrogels som skal brukes i en enhet avhengig av nødvendige funksjonen de ulike komponentene i enheten.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av en NSF CAREER award, NIH R01 grant (HL095477-05) og NSF ECCS-1509748 grant. S.Y.C. ble støttet av National Science stipend (PhD), som ble tildelt av byrået for vitenskap, teknologi og forskning (Singapore). Vi takker Keith Yeager for hjelp med fabrikasjon oppsett, og Cyrus W. Beh for fotografier oppsett og enhetene.
Poly(ethylene glycol) (n) diacrylate [MW 400Da] | Polysciences, Inc | 01871-250 | PEGDA reagent for prepolymer |
Darocur 1173 | Ciba Specialty Chemicals, Inc | – | Photoinitiator |
Iron oxide (II, III) | Sigma Aldrich | 637106-25G | Iron oxide nanoparticles |
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane | Sigma Aldrich | 448931 | Fluorinated compound that is used to vapor silanize the PDMS chamber to prevent adhesion of hydrogel to the glass coverslip that is bonded to the flexible PDMS membrane with prolonged use of the PDMS chamber |
Petri dish, glass | Sigma Aldrich | BR455743 | Glass petri dishes for casting PDMS layers for forming PDMS chamber |
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit (PDMS) | Dow Corning | 240-4019862 | PDMS for fabrication chamber |
Glass coverslips (No. 2), 50 x 45 mm | Fisher Scientific | FIS#12-543F | Glass substrates that cover the fabrication chamber |
Fisherbrand Straight Flat Tip Forceps 4.75in | Fisher Scientific | FIS#16-100-112 | Tweezers for handling polymerized hydrogel layers/devices |
Omnicure S2000 | Cadence Technologies Pte Ltd | 010-00148R | UV lamp |
5 mm Adjustable Collimating Adaptor | Cadence Technologies Pte Ltd | 810-00042 | Collimator for UV lightsource |
Photomasks | CAD/Art Services Inc | – | Photomasks used to define hydrogel microstructures |
Adobe Illustrator | Adobe | – | Designing of photomasks |