Tecnica di imaging frugale del flusso capillare attraverso polveri di stampa polimerica tridimensionale
Summary
La tecnica proposta fornirà un approccio nuovo, efficiente, frugale e non invasivo per l’imaging del flusso fluidico attraverso un letto di polvere imballato, producendo un’elevata risoluzione spaziale e temporale.
Abstract
Lo sviluppo di nuove tecniche di imaging del trasporto molecolare e colloidale, comprese le nanoparticelle, è un’area di indagine attiva negli studi microfluidici e millifluidici. Con l’avvento della stampa tridimensionale (3D), è emerso un nuovo dominio di materiali, aumentando così la domanda di nuovi polimeri. In particolare, le polveri polimeriche, con dimensioni medie delle particelle dell’ordine del micron, stanno vivendo un crescente interesse da parte delle comunità accademiche e industriali. Il controllo della sintonizzazione dei materiali su scale di lunghezza da mesoscopica a microscopica crea opportunità per sviluppare materiali innovativi, come i materiali sfumati. Recentemente, è cresciuta la necessità di polveri polimeriche di dimensioni micron, poiché si stanno sviluppando chiare applicazioni per il materiale. La stampa tridimensionale fornisce un processo ad alta produttività con un collegamento diretto a nuove applicazioni, guidando le indagini sulle interazioni fisico-chimiche e di trasporto su mesoscala. Il protocollo discusso in questo articolo fornisce una tecnica non invasiva per visualizzare il flusso di fluidi nei letti di polvere imballati, fornendo un’elevata risoluzione temporale e spaziale sfruttando al contempo la tecnologia mobile prontamente disponibile dai dispositivi mobili, come gli smartphone. Utilizzando un comune dispositivo mobile, i costi di imaging che normalmente sarebbero associati a un microscopio ottico vengono eliminati, risultando in un approccio scientifico frugale. Il protocollo proposto ha caratterizzato con successo una varietà di combinazioni di fluidi e polveri, creando una piattaforma diagnostica per l’imaging rapido e identificando una combinazione ottimale di fluido e polvere.
Introduction
Il getto di legante a getto d’inchiostro nei supporti in polvere rappresenta una tecnologia importante nella produzione additiva (stampa 3D). Il processo di binder jetting inizia con la deposizione di fluidi funzionali in supporti in polvere utilizzando un processo di stampa a getto d’inchiostro a scansione. In particolare, una testina di stampa a getto d’inchiostro traslata sulla superficie della polvere, depositando l’agente legante liquido su una superficie di polvere e formando così una parte solida in modo stratoper strato 1. Le tecnologie binder jetting basate su getto d’inchiostro includono generalmente sabbia, polveri metalliche e polveri polimeriche. Tuttavia, per espandere lo spazio dei materiali nel getto di legante, è necessario un approccio fondamentale per studiare le interazioni fluido-polvere e polvere-polvere, la tribologia, la densità di impacchettamento della polvere e l’aggregazione delle particelle. In particolare, per le interazioni fluido-polvere, esiste una necessità critica per la capacità di visualizzare il flusso di fluido attraverso i letti di polvere in tempo reale. Questo promette di essere un potente strumento per i ricercatori da includere come tecnica di caratterizzazione e potenzialmente come metodo di screening per diverse combinazioni di fluidi e polveri 2,3,4, nonché sistemi più complessi, come i sistemi di stampa 3D in calcestruzzo che utilizzano metodi a letto di particelle.
Lo sviluppo di nuove tecniche di imaging del trasporto molecolare e colloidale, comprese le nanoparticelle, è un’area attiva di indagine negli studi microfluidici e millifluidici. Sondare le interazioni intermolecolari con tecniche di imaging può essere impegnativo, poiché poco lavoro è stato fatto per sondare questi tipi di interazioni nelle condizioni di flusso di fluido insaturo e instabile. Molti degli studi riportati in letteratura si sono concentrati su mezzi saturi, pre-bagnati, porosi, come la perla di vetro 5,6,7,8,9,10,11,12 e i terreni 13,14,15,16,17,18 . Questa tecnica fornisce un approccio non invasivo, con conseguente alta risoluzione temporale e spaziale 2,3,4,19. Inoltre, la tecnica sviluppata fornisce un nuovo metodo per caratterizzare e quantificare il trasporto di particelle su scala nanometrica e micron in una varietà di mezzi porosi, concentrandosi sulle polveri polimeriche.
La tecnica proposta utilizza un dispositivo mobile per registrare il trasporto fluidico insaturo e instabile attraverso mezzi polimerici porosi con dimensioni delle particelle rappresentative delle polveri utilizzate nei sistemi di stampa 3D che utilizzano tecnologie di fusione fluidica a letto di polvere. Questa tecnica è vantaggiosa in quanto le celle a flusso sono economiche, riutilizzabili, piccole e facilmente gestibili, illustrando gli aspetti dominanti della scienza frugale. La capacità di implementare questi semplici esperimenti in uno studio sul campo è molto semplice, eliminando le complicazioni, i costi e il tempo richiesti nella microscopia ottica. Data la facilità di creazione della configurazione, l’accesso a risultati rapidi e il numero minimo di requisiti di campionamento, questa tecnica è una piattaforma ottimale per lo screening diagnostico.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il protocollo fornito dipende fortemente dalle caratteristiche materiali delle particelle scelte. Le proprietà del materiale che influiscono sul flusso includono la distribuzione granulometrica 2,3,4,5,11,21, la rugosità superficiale delle particelle 11, le proprietà chimiche sulla superficie delle particelle 2,3,4,5,11,16,21,23<sup class="xref…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nessuno.
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 |
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