טכניקת הדמיה חסכנית של זרימה נימית באמצעות אבקות הדפסה פולימריות תלת מימדיות
Summary
הטכניקה המוצעת תספק גישה חדשנית, יעילה, חסכנית ולא פולשנית להדמיית זרימה נוזלית דרך מצע אבקה ארוז, המניב רזולוציה מרחבית וזמנית גבוהה.
Abstract
פיתוח טכניקות הדמיה חדשניות של הובלה מולקולרית וקולואידית, כולל ננו-חלקיקים, הוא תחום מחקר פעיל במחקרים מיקרופלואידים ומיליפלואידים. עם כניסתה של הדפסה תלת מימדית (3D), תחום חדש של חומרים התפתח, ובכך להגדיל את הביקוש פולימרים חדשים. באופן ספציפי, אבקות פולימריות, עם גודל חלקיקים ממוצע בסדר גודל של מיקרון, חוות עניין גובר מצד קהילות אקדמיות ותעשייתיות. שליטה בכוונון החומר בסקאלות האורך המזוסקופיות עד המיקרוסקופיות יוצרת הזדמנויות לפיתוח חומרים חדשניים, כגון חומרי שיפוע. לאחרונה, הצורך אבקות פולימריות בגודל מיקרון גדל, כמו יישומים ברורים עבור החומר מתפתחים. הדפסה תלת-ממדית מספקת תהליך בתפוקה גבוהה עם קישור ישיר ליישומים חדשים, ומניעה חקירות של אינטראקציות פיזיו-כימיות ותחבורתיות בקנה מידה מזוטרי. הפרוטוקול הנדון במאמר זה מספק טכניקה לא פולשנית להדמיה של זרימת נוזלים במיטות אבקה ארוזות, ומספק רזולוציה טמפורלית ומרחבית גבוהה תוך מינוף טכנולוגיה ניידת הזמינה בקלות ממכשירים ניידים, כגון טלפונים חכמים. על ידי שימוש במכשיר נייד נפוץ, עלויות ההדמיה שבדרך כלל היו קשורות למיקרוסקופ אופטי מתבטלות, וכתוצאה מכך גישה מדעית חסכנית. הפרוטוקול המוצע אפיין בהצלחה מגוון שילובים של נוזלים ואבקות, ויצר פלטפורמת אבחון להדמיה מהירה וזיהוי שילוב אופטימלי של נוזל ואבקה.
Introduction
הזרקת קלסר מבוסס הזרקת דיו למדיך אבקה מייצגת טכנולוגיה חשובה בייצור תוספים (הדפסה תלת מימדית). תהליך הזרקת הקלסר מתחיל בשקיעת נוזלים פונקציונליים לתוך מדיית אבקה באמצעות תהליך הדפסת הזרקת דיו סורקת. באופן ספציפי, ראש הדפסת הזרקת דיו מתורגם על פני משטח האבקה, מפקיד את חומר הקישור הנוזלי על משטח אבקה, ובכך יוצר חלק מוצק בצורה שכבהאחר שכבה 1. טכנולוגיות הזרקת קלסרים מבוססות הזרקת דיו כוללות בדרך כלל חול, אבקות מתכת ואבקות פולימריות. עם זאת, כדי להרחיב את שטח החומרים בסילון קלסרים, נדרשת גישה בסיסית לחקר אינטראקציות אבקה-אבקה ואבקה-אבקה, טריבולוגיה, צפיפות אריזת אבקה וצבירת חלקיקים. באופן ספציפי, עבור אינטראקציות בין אבקת נוזלים, קיים צורך קריטי ביכולת לדמיין זרימת נוזלים דרך מיטות אבקה בזמן אמת. זה מבטיח להיות כלי רב עוצמה עבור חוקרים לכלול כטכניקת אפיון ואולי כשיטת סינון עבור שילובים שונים של נוזלים ואבקות 2,3,4, כמו גם מערכות מורכבות יותר, כגון מערכות הדפסה תלת ממדית בטון המשתמשות בשיטות חלקיקים.
פיתוח טכניקות הדמיה חדשניות של הובלה מולקולרית וקולואידית, כולל ננו-חלקיקים, הוא תחום מחקר פעיל במחקרים מיקרופלואידים ומיליפלואידים. חקירת אינטראקציות בין-מולקולריות באמצעות טכניקות הדמיה יכולה להיות מאתגרת, מכיוון שמעט עבודה נעשתה כדי לחקור סוגים אלה של אינטראקציות בתנאים של זרימת נוזלים בלתי רוויה ולא יציבה. רבים מהמחקרים המדווחים בספרות התמקדו במדיה רוויה, טרום רטובה ונקבובית, כגון חרוזי זכוכית 5,6,7,8,9,10,11,12 וקרקעות 13,14,15,16,17,18 . טכניקה זו מספקת גישה לא פולשנית, וכתוצאה מכך רזולוציה טמפורלית ומרחבית גבוהה 2,3,4,19. יתר על כן, הטכניקה שפותחה מספקת שיטה חדשנית לאפיון וכימות של העברת חלקיקים בקנה מידה ננומטרי ומיקרוני במגוון מדיה נקבובית, תוך התמקדות באבקות פולימריות.
הטכניקה המוצעת משתמשת במכשיר נייד כדי להקליט הובלה נוזלית בלתי רוויה ובלתי יציבה באמצעות מדיה פולימרית נקבובית עם ממדי חלקיקים המייצגים את האבקות המשמשות במערכות הדפסה תלת ממדיות המשתמשות בטכנולוגיות היתוך אבקה ומיטה נוזלית. לטכניקה זו יש יתרון מכיוון שתאי הזרימה חסכוניים, ניתנים לשימוש חוזר, קטנים וקלים לטיפול, וממחישים את ההיבטים הדומיננטיים של מדע חסכני. היכולת ליישם ניסויים פשוטים אלה במחקר שדה היא פשוטה מאוד, ומבטלת את הסיבוכים, העלות והזמן הנדרשים במיקרוסקופ אופטי. בהתחשב בקלות יצירת ההתקנה, הגישה לתוצאות מהירות, והמספר המינימלי של דרישות מדגם, טכניקה זו היא פלטפורמה אופטימלית לסינון אבחון.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול המסופק תלוי מאוד במאפיינים החומריים של החלקיקים שנבחרו. תכונות החומר המשפיעות על הזרימה כוללות התפלגות גודל חלקיקים 2,3,4,5,11,21, חספוס פני השטח של החלקיקים 11, תכונות כימיות על פני השטח של החלקיקים2,3,4,5,11,16,21,23<sup cla…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ללא.
Materials
| µ-Slide I Luer | ibidi | 80191 | Microfluidic flow cell |
| Beaker | Southern Labware | BG1000-800 | Glassware |
| CALIBRE 301-58 LT Natural Polycarbonate Resin | TRINSEO LLC | CALIBRETM 301-58 LT | Natural polycarbonate resin |
| Ethanol | Sigma Aldrich | 1.00983 | Solvent |
| Fume Hood | Kewaunee | Supreme Air LV Fume Hoods | Used with 92 FPM at 18" opening |
| iPhone 7 plus | Apple | Camera | |
| Opaque 3D printed material | The CAD drawing is provided in the supplemental file | ||
| ORGASOL 2002 ES 6 NAT 3 | ARKEMA | A12135 | Polyamide powder |
| Pipet | VWR | 10754-268 | Disposable Transfer Pipet |
| Pipette | Globe Scientific Inc. | 3301-200 | Pipette that can hold 125 µL of fluid |
| Polystyrene | Advanced Laser Materials, LLC. | PS200 | Polystyrene for sintering |
| Tracker | Video analysis and modeling tool | ||
| VariQuest 100 White Light Model 3-3700 | FOTODYNE | 3-3700 | White light |
| Water | Distilled water |
References
- Redwood, B., Schoffer, F., Garret, B. . The 3D Printing Handbook. , (2018).
- . Three dimensional printing, Patent ID: 20210087418 Available from: https://uspto.report/patent/app/20210087418 (2021)
- . Three dimensional printing, Patent ID: 20210095152 Available from: https://uspto.report/patent/app/2021009515.2 (2021)
- Three dimensional printing, Patent ID: 20210107216. Available from: https://uspto.report/patent/app/20210107216#C00011 (2021)
- Petosa, A. R., Brennan, S. J., Rajput, F., Tufenkji, N. Transport of two metal oxide nanoparticles in saturated granular porous media: Role of water chemistry and particle coating. Water Research. 46 (4), 1273-1285 (2012).
- Giordano, S. Effective medium theory for dispersions of dielectric ellipsoids. Journal of Electrostatics. 58 (1-2), 59-76 (2003).
- Toloni, I., Lehmann, F., Ackerer, P. Modeling the effects of water velocity on TiO2 nanoparticles transport in saturated porous media. Journal of Contaminant Hydrology. 171, 42-48 (2014).
- Dang-Vu, T., Hupka, J. Characterization of porous materials by capillary rise method. Physicochemical Problems of Mineral Processing. 39, 47-65 (2005).
- Huang, W. E., Smith, C. C., Lerner, D. N., Thornton, S. F., Oram, A. Physical modelling of solute transport in porous media: evaluation of an imaging technique using UV excited fluorescent dye. Water Research. 36 (7), 1843-1853 (2002).
- Zhao, J., Li, H., Cheng, G., Cai, Y. On predicting the effective elastic properties of polymer nanocomposites by novel numerical implementation of asymptotic homogenization method. Composite Structures. 135, 297-305 (2016).
- Seymour, M. B., Chen, G., Su, C., Li, Y. Transport and retention of colloids in porous media: Does shape really matter. Environmental Science and Technology. 47 (15), 8391-8398 (2013).
- Ochiai, N., Kraft, E. L., Selker, J. S. Methods for colloid transport visualization in pore networks. Water Resources Research. 42 (12), (2006).
- Rottman, J., Sierra-Alvarez, R., Shadman, F. Real-time monitoring of nanoparticle retention in porous media. Environmental Chemistry Letters. 11 (1), 71-76 (2013).
- Xing, Y., Chen, X., Chen, X., Zhuang, J. Colloid-mediated transport of pharmaceutical and personal care products through porous media. Scientific Reports. 6 (1), 1-10 (2016).
- Dathe, A., et al. Functional models for colloid retention in porous media at the triple line. Environmental Science and Pollution Research. 21 (15), 9067-9080 (2014).
- Zhang, T., et al. Investigation of nanoparticle adsorption during transport in porous media. SPE Journal. 20 (4), 667-677 (2015).
- Zhang, Q., Karadimitriou, N. K., Hassanizadeh, S. M., Kleingeld, P. J., Imhof, A. Study of colloids transport during two-phase flow using a novel polydimethylsiloxane micro-model. Journal of Colloid and Interface Science. 401, 141-147 (2013).
- Health and environmental effects of particulate matter (PM). EPA Available from: https://www.epa.gov/pm-pollution/health-and-environmental-effects-particulate-matter-pm (2021)
- Bridge, J. W., Banwart, S. A., Heathwaite, A. L. Noninvasive quantitative measurement of colloid transport in mesoscale porous media using time lapse fluorescence imaging. Environmental Science & Technology. 40 (19), 5930-5936 (2006).
- ASTMInternational. Standard test methods for determining loose and tapped bulk densities of powders using a graduated cylinder. ASTMInternational. , (2018).
- Donovan, K. J. . Microfluidic investigations of capillary flow and surface phenomena in porous polymeric media for 3D printing. , (2019).
- . 34;Try Tracker Online." Tracker Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education Available from: https://physlets.org/tracker/ (2022)
- Janssen, P. H. M., Depaifve, S., Neveu, A., Francqui, F., Dickhoff, B. H. J. Impact of powder properties on the rheological behavior of excipients. Pharmaceutics. 13 (8), 1198 (2021).
- Boschini, F., Delaval, V., Traina, K., Vandewalle, N., Lumay, G. Linking flowability and granulometry of lactose powders. International Journal of Pharmaceutics. 494 (1), 312-320 (2015).
- Yablokova, G., et al. Rheological behavior of β-Ti and NiTi powders produced by atomization for SLM production of open porous orthopedic implants. Powder Technology. 283, 199-209 (2015).
- Lumay, G., Fiscina, J., Ludewig, F., Vandewalle, N. Influence of cohesive forces on the macroscopic properties of granular assemblies. AIP Conference Proceedings. 1542, 995 (2013).
- Lumay, G., et al. Effect of relative air humidity on the flowability of lactose powders. Journal of Drug Delivery Science and Technology. 35, 207-212 (2016).
