Et tilsætningsstof fremstillingsindustrien strategi for behandling af UV-crosslinkable hydrogels er blevet udviklet. Denne strategi giver mulighed for lag-på-lag forsamling af microfabricated hydrogel strukturer samt samling af uafhængige komponenter, fremstilling af integrerede enheder indeholdende bevægelige komponenter, der er lydhøre over for magnetiske aktivering.
Polyethylenglycol (PEG)-baseret hydrogels er biokompatible hydrogels, der er godkendt til anvendelse i mennesker af FDA. Typiske PIND-baserede hydrogels har enkle monolitisk arkitekturer og ofte funktion som stilladser materialer til tissue engineering applikationer. Mere sofistikerede strukturer typisk tage lang tid at fabrikere og gør ikke indeholde bevægelige komponenter. Denne protokol beskriver en fotolitografi metode, der giver mulighed for let og hurtig microfabrication af PIND strukturer og enheder. Denne strategi indebærer et in-house udviklede fabrikation stadium, der giver mulighed for hurtig fremstilling af 3D strukturer ved at bygge opad i et lag-by-lag-mode. Uafhængige flytte komponenter kan også justeret og samles på støttestrukturer at danne integrerede enheder. Disse uafhængige komponenter er dopet med superparamagnetisk jernoxid nanopartikler, der er følsomme over for magnetiske aktivering. På denne måde, kan de opdigtede enheder aktiveres ved hjælp af eksterne magneter til at give bevægelse af komponenter inden for. Derfor, denne teknik giver mulighed for fremstilling af sofistikerede MEMS-lignende enheder (micromachines), der består udelukkende af et biokompatibelt hydrogel, stand til at fungere uden en indbygget strømkilde, og reagere på en kontakt-mindre metode til aktivering. Dette manuskript beskriver fabrikation af både fabrikation set-up og den trinvise metode for microfabrication af disse hydrogels-baserede MEMS-lignende enheder.
MEMS enheder har fundet en lang række applikationer især inden for medicinsk udstyr. Selv om de låne en masse tilsat funktionaliteter og miniaturized arten af disse enheder gør dem attraktive til brug som implantables1,2,3, disse enheder ofte har iboende sikkerhed og biokompatibilitet spørgsmål, som de er sammensat af materialer, der kunne være skadelige for den menneskelige krop (f.eks. metaller, batterier, osv.)4,5,6. PIND-baserede hydrogels er flydende hævede polymer netværk og har været hyppigt bruges til applikationer såsom tissue engineering stilladser i vid udstrækning til dels på grund af deres høje biokompatibilitet7,8. PIND-baserede hydrogels har også været FDA-godkendt til brug i mennesker9,10,11. Men på grund af materialeegenskaber af hydrogel, de ikke nemt modstå normale produktionsprocesser som teknikker, der anvendes i typiske silicium-baserede microfabrication. Hydrogel-baserede konstruktioner er således typisk begrænset til enkle monolitisk arkitekturer. Nuværende bestræbelser på microfabrication af hydrogels har resulteret i strukturer med micron mellemstore funktioner; disse strukturer er imidlertid ofte af et enkelt lag og et enkelt materiale12,13 og manglende flytte komponenter14,15,16.
I et tidligere arbejde beskriver vi en strategi for at fabrikere micromachines, der er sammensat udelukkende af et biokompatibelt PIND-baserede hydrogel materielle17. Micron mellemstore funktioner kan fremstilles nemt ved hjælp af en fotolitografi metode og disse strukturer kan bygges opad ved hjælp af et lag på lag metode, aktiveret af underlaget, hydrogels er polymeriserede præcise z-akse bevægelse. Hydrogels af forskellige kompositioner kan være opdigtet støder op til hinanden. Derudover har disse enheder bevægelige komponenter, der kan aktiveres ved hjælp af en ekstern magnet. Denne alsidige teknik er også velegnet til behandling af blødt materiale eller hydrogel, der er foto-polymerizable. Denne teknik er således velegnet til opdigte sofistikerede MEMS-lignende enheder består udelukkende af hydrogels.
Denne teknik er en letkøbt og hurtig metode til lag-på-lag fotolitografi af hydrogel mikrostrukturer. Ved hjælp af et tilsætningsstof fremstilling tilgang, kan vi nemt bygge en række forskellige 3D strukturer ud af biokompatible materialer og endda optage bevægelige dele. Dette ville dermed aktiverer dannelsen af helt biokompatible microdevices. Teknikken er baseret på simpel gentagelse af litografi trin, som er aktiveret af den præcis kontrol af højden af bunden substrat via en mikrometer hoved. Traditionelle fabrication teknikker, der anvendes i MEMS industri, der involverer barske behandling teknikker og opoffrende materialer, er ofte ikke kompatibel med forarbejdning af blød hydrogels. Andre metoder til 3D udskrivning hydrogels som ekstrudering-baserede metoder, er begrænset til rumlige resolutioner over 200 µm og udskrive hastigheder på mm/s for enkle strukturer, der ikke omfatter flytter dele18,19. Stereolithography (SLA) og digital lys projekt (DLP) baseret bioprinters måske være i stand til at opnå bedre beslutninger, men er også meget dyrere at setup. Strategierne fabrikation er også ikke kan nemt udskrive udhæng uden støtte substrat materialer, som kan være vanskeligt at introducere og fjerne fra de færdige enhed. Vi omgå dette ved at justere og polymeriserende en præformerede forsegling lag til den opdigtede støttestruktur som et sidste skridt til at danne den færdige enhed. Design af fabrikation set-up giver brugeren let adgang til de fabrikerede strukturer og giver mulighed for nem justering af forskellige komponenter med anvendelse af justering mærker.
Den strategi, der præsenteres her er også en meget hurtigere end andre teknikker af lignende beslutninger; den samlede tid, det tager for den påviste fabrikation af enheden med en roterende er omkring 15 minutter. En anden tilføjede fordel af denne fabrikation strategi, selv ikke påvist i denne protokol, men vist i vores tidligere arbejde17, er muligheden for at brugeren kan hurtigt og nemt ændre type for polymer, der anvendes mellem trin, hvilket kan gøres i små mængder . På denne måde kan man skabe enheder, der er sammensat af forskellige typer af hydrogels. Enheden opdigtet benytter denne strategi også har den ekstra fordel af kontaktløs aktivering som gear indeholder et segment, der er doteret med jernoxid nanopartikler, rendering gear følsomme over for magnetiske aktivering og kan dermed aktiveres ved hjælp af en ekstern magnet. Derudover enheden er helt biokompatible og derfor kan være sikkert implanteret i vivo.
Et vigtigt træk ved denne teknik er behandling af de forskellige glas substrater, der gør det muligt for brugeren at fortrinsvis overholder eller frastøde den polymeriserede hydrogel til enten bunden eller toppen glas substrat. Når en kombination af ubehandlede glas bruges med en PFOTS-behandlet glasoverflade (bunden substrat), overholde dannede hydrogels fortrinsvis til ubehandlede glas, som de er slået fra fluorholdige overfladen af PFOTS-behandlet glas. Omvendt, når PDMS-belagt glas anvendes sammen med PFOTS-behandlede nederst substrat, hydrogels tendens til at forblive på den PFOTS-behandlet overflade som PDMS overflader mere kraftigt afvise den dannede hydrogels. Denne funktion gør det muligt at opbygge opad, overholde hydrogels sådan, at de er immobiliseret på glas substrater og kan reserveres til tilpasning til andre strukturer på et senere tidspunkt i tid, eller endda bygge nedad. Dette øger fleksibiliteten i teknik og typer af design, der kan være opdigtet samt giver mulighed for indarbejdelse og forsegling af uafhængig, fri bevægelse hydrogel komponenter.
Under lag på lag fabrikation er det vigtigt at optimere polymerisering tidsforbrug. Hydrogels skal være optimalt krydsbundet, sådan at de danner på fuld tykkelse og high fidelity i forhold til de figurer, der er defineret af photomask. Dette er afhængige af kraften i lampen og typen af hydrogel anvendes. Selv om ikke vist i denne protokol, polymerisering tid falder med stigende lyskildens effekt og stiger med stigende PIND kædelængde og faldende koncentrationer af PEGDA anvendes. Andre faktorer, der påvirker mængden af energi til rådighed for photopolymerization, som ændringen i opacitet af prepolymer som følge af tilsætning af jernoxid nanopartikler (figur 4), vil også berøre polymerisering tid. Optimering for danne tvaerbindinger betingelser for forskellige hydrogel kompositioner er således påkrævet før starten af fabrikationsproces af enheder.
Brugen af justering mærker på komponeneter og korrekt justering af hydrogel lag, især den endelige forsegling lag, er vigtigt at sikre, at korrekt forsegling er udført, og de indvendige komponenter er ikke uforvarende krydsbundet til den omkringliggende støttestrukturer under fabrikationsproces. Dette ville forhindre disse komponenter fra frit flytte under magnetiske aktivering. Som vist i figur 5, medfører en fejljusteret top forsegling lag og photomask crosslinking og forankring af en del af gear til bulk materiale af selve enheden. Som et resultat, rotere dette gear ikke når aktiveres med en magnet.
Enhederne kan aktiveres ved hjælp af stærke permanente magneter såsom neodymmagneter. Disse magneter generere stærke magnetiske kræfter når i nært hold ferromagnetiske materialer og bør sørges for at forhindre skade. Enheden kan aktiveres for at flytte uden magnet kommer i kontakt med enheden; magnet kan opbevares eller lagt ~ 1cm væk fra enheden. Flytning af de jern-doped komponenter kan bør spejle bevægelse af magnet og aktiveres for at flytte kontinuerligt eller orienteret periodisk som ønsket. Enheden kan aktiveres manuelt eller en aktivering set-up kan bruges. Magnet kan knyttes til enhver aktuator (fx servomotor) til roterende bevægelse. Rotationshastighed af magneten, og hastigheden af rotation af komponenten jern-doped kan derfor styres ved hjælp af en microcontroller. Dette giver en mere præcis metode til aktivering.
Figur 8 viser skemaer og billeder af forskellige designs fra tidligere arbejde, som blev fremstillet ved hjælp af samme teknik og vise alsidigheden af denne metode. Disse mønstre spænder fra simple enheder, der ligner ventiler (figur 8A) til mere komplicerede og sofistikeret design, der trækker inspiration fra Genève-drevet design (figur 8 d), der består af 2 engagerede gears, der producerer intermitterende bevægelse. De mindste funktioner, der kan genereres ved hjælp af denne teknik var typisk omkring 100 µm og hvert design er sammensat af flere lag (3 til 6 lag). Forskellige typer af hydrogel kompositioner (med forskellige mekaniske styrker og porøsitet) kan også polymeriserede og klæbes til hinanden. Dermed kan man nemt kombinere typerne af hydrogels kan bruges i en enhed afhængigt af den krævede funktion af de forskellige komponenter i enheden.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af en NSF karriere award, NIH R01 grant (HL095477-05) og NSF ECCS-1509748 tilskud. S.Y.C. blev støttet af National Science stipendiet (Ph.d.), som blev tildelt af agenturet for videnskab, teknologi og forskning (Singapore). Vi takker Keith Yeager hjælp til opbygning af fabrikation set-up og Cyrus W. Beh for fotografier af set-up og enheder.
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 |