ייצור מיקרופלואידי של סיבים פולימריים וביוהיברידים עם גודל וצורה מעוצבים מראש
Summary
שני נוזלים סמוכים העוברים דרך ערוץ מיקרופלואידי מחורץ יכולים להיות מכוונים ליצירת נדן סביב ליבת רב-אופן; ובכך לקבוע הן צורה והן חתך רוחב. פולמור Photoinitiated, כגון כימיה לחץ תיול, מתאים היטב לחיזוק במהירות את נוזל הליבה לתוך מיקרופייבר עם גודל וצורה קבועים מראש.
Abstract
נוזל “נדן” העובר דרך ערוץ מיקרופלואידי במספר ריינולדס נמוך יכול להיות מופנה סביב זרם “ליבה” אחר ומשמש להכתיב את הצורה, כמו גם את הקוטר של זרם הליבה. חריצים בחלק העליון והתחתון של ערוץ מיקרופלואידי תוכננו לכוון את נוזל הנדן ולעצב את נוזל הליבה. על ידי התאמת הצמיגות וההידרופיליות של הנדן ונוזלי הליבה, ההשפעות הבין-גזעיות ממוזערות וניתן להיווצר צורות נוזל מורכבות. שליטה בקצבי הזרימה היחסיים של הנדן ונוזלי הליבה קובעת את האזור החתך של נוזל הליבה. סיבים יוצרו בגדלים הנעים בין 300 ננומטר ל – ~ 1 מ”מ, וחתכים סיבים יכולים להיות עגולים, שטוחים, מרובעים או מורכבים כמו במקרה של סיבי עוגן כפולים. פילינג של נוזל הליבה במורד הזרם מאזור העיצוב מחזק את הסיבים. כימאים קליק Photoinitiated מתאימים היטב עבור פולמור מהיר של נוזל הליבה על ידי הקרנה עם אור אולטרה סגול. סיבים עם מגוון רחב של צורות הופקו מרשימה של פולימרים כולל גבישים נוזליים, פולי (מתילמתאקרילאט), תיול-ene ותיול-יין שרפים, פוליאתילן גליקול ונגזרות הידרוג’ל. גזירה מינימלית במהלך תהליך העיצוב ותנאי פולמור מתון גם עושה את תהליך הייצור מתאים היטב אנקפסולציה של תאים ורכיבים ביולוגיים אחרים.
Introduction
פיגומיםרקמה 1, חומרים מרוכבים2, תקשורת אופטית3, וחומרים היברידיים מוליך4 הם תחומי מחקר ניצול סיבי פולימר מיוחדים. שיטות קונבנציונליות לייצור סיבים כוללות הבלטה נמסה, ספינינג, ציור, יציקה ואלקטרוספינינג. רוב סיבי הפולימר המיוצרים בשיטות אלה מציגים חתכים עגולים שנוצרו על ידי מתח פנים בין הפולימר לאוויר במהלך הייצור. עם זאת, סיבים עם חתכים nonround עשוי לשפר את המאפיינים המכאניים של חומרים מרוכבים5,6, להגדיל את יחסי שטח הפנים לנפח, הרטבת בקרה או פתיל7, ולהיות מנוצל כמו waveguides8 או קיטובים9.
ייצור סיבי פולימר מיוחדים על ידי מערכות מיקרופלואידיות המשתמשות בזרם אחד (זרימת נדן) כדי להקיף ולעצב זרם אחר (זרימת ליבה) מושכים בגלל התנאים המתונים והיכולת לייצור מתמשך של סיבים הניתנים לשחזור. ניסויים ראשוניים ייצרו סיבים עגולים בגדלים התלויים בקצבי הזרימה היחסיים של נוזלי הקדם-דם והמעטפת10-12. הגילוי כי חריצים בחלק העליון והתחתון של הערוץ microfluidic יכול להסיט את הנדן כדי לייצר צורה קבועה מראש עבור זרם הליבה13,14 הוביל טכנולוגיה ליצירת צורות סיבים מורכבים יותר10-12,15-17.
חוקרי NRL הדגימו את התכונות הטכניות הקריטיות הבאות13-21:
- ניתן להשתמש במגוון תכונות עיצוב כדי לכוון את נוזל הנדן לעיצוב זרם הליבה: חריצים או רכסים ניתנים להגדרה ופסים, סוגריים זוויתיים או עצמות הרינג.
- ניתן למפות ארגז כלים של תכונות אלה לתוצאת הזרימה הרצויה.
- ניתן ליצור מיקרו-ערוצים באמצעות טכניקות ליתוגרפיה, דפוס, כרסום או הדפסה. אסור לחומרי המצע להתמוסס או לשחוק בפתרונות prepolymer או נדן, ועבור פולמריזציות פוטו-סיניות, השכבות החיצוניות חייבות להיות שקופות לאור אולטרה סגול.
- ניתן לשנות את הצורה שנוצרה על-ידי ערכה אחת של תכונות עיצוב על-ידי שינוי קצבי הזרימה דרך הערוץ. סימולציות COMSOL Multiphysics של זרימת נוזלים במיקרו-ערוצים מסוגלות לחזות את צורות הנוזלים והסיבים הנובעות מכך.
- התאמת הצמיגות והשלב (הידרופיליות) של הנדן ונוזלי הליבה היא קריטית כדי למנוע חוסר יציבות סוג קריסה, הנובע וריאציה בזן גזירה על פני ממשק הנוזל. אם יש צמיגות גדולה או אי התאמה שלב קריסה צמיג יכול להתרחש, אולי מעוות את צורת הסיבים הסופית או אפילו סתימת microchannel.
- סיבים יכולים להיווצר על ידי יציקה או פולמור, אבל פולמור מספק שליטה רבה יותר על הצורה.
- פילינג (התגבשות נוזל הליבה) חייב להתרחש לפני היציאה מהמיקרו-שנל. עם זאת, פולמור איטי יותר בתוך הערוץ עלול לגרום לעלייה בצמיגות, להשפיע על צורת הסיבים או אפילו סתימת הערוץ. יש לשלוט בקפידה בזמן ובמיקום של אירועי פולמור.
- בשל קינטיקה התגובה המהירה שלהם, פולמריזציות רדיקלים חופשיים הנגרמת על ידי צילום, במיוחד כימאים קליקים מבוססי תיול, מתאימים במיוחד לייצור סיבים.
- ניתן לשנות את קצבי הזרימה היחסיים במהלך הייצור כדי ליצור קטרים סיבים שאינם אחידים.
- ניתן לשלב קבוצות מרובות של תכונות עיצוב בערוץ יחיד מהסיבות הבאות:
- כדי להפריד בין פונקציות העיצוב והגודל
- כדי ליצור סיבים רב שכבתיים או חלולים
- כדי לייצר סיבים מרובים מערוץ מיקרופלואידי יחיד
- מזוזות גביש נוזלי המשולבות בפולימר בריכוזים נמוכים מאוד מפגינות בירפרינגנס תחת אור מקוטב, דבר המצביע על כך שניתן ליישר מולקולות פולימר לאורך ציר הסיבים.
- תאים יכולים להיות משולבים prepolymers הידרוג’ל תאימות ביולוגית ולשרוד את תהליך הייצור עם כדאיות גבוהה22.
בעת ייצור סיבי פולימר באמצעות התמקדות הידרודינמית על ידי זרם נדן לעצב זרם prepolymer, מבחר של חומרים פולימריים הוא צעד ראשון מעשי. יש לזהות את הפולימרים המתאימים, כימאים יוזמים מתאימים ונוזלי נדן במסגרת ההנחיות הבאות:
- נוזלי פולימר ומעטפת הם מוטעים והם בעלי צמיגות דומה. לדוגמה, פתרון מונומר מימי יכול לנצל מים כמו נוזל נדן קיימא, אבל לא יכול להעסיק הקסאן כמו נוזל נדן.
- מנגנון הפולמליזציה חייב להיות מהיר מספיק קינטיקה קצב כדי לחזק את נוזל הליבה לאחר עיצוב ומיד לפני הסיבים יוצא הערוץ.
לאחר בחירת החומרים, יש לעצב מיקרו-שנל ליצירת צורת הסיבים והגודל הרצויים. כדי לקבוע את תכונות העיצוב הנדרשות (פסים, עצמות הרינג, סוגריים זוויתיים), ניתן להשתמש בתוכנת דינמיקת נוזלים חישובית כדי לחזות את דפוסי זרימת הנוזלים. תכונות העיצוב מעבירות את נוזל הנדן סביב נוזל הליבה. באופן כללי, פסים מזיזים את נוזל הנדן לרוחב החלק העליון והתחתון של הערוץ מצד לצד, ואילו עצמות הרינג ושברונים מזיזים את הנוזל מהצדדים לכיוון החלק העליון ו/או התחתון של הערוץ ואז חוזרים לכיוון מרכז הערוץ ישירות מתחת לנקודת המבנה. מספר החריצים החוזרים על עצמו בחלק העליון והתחתון של הערוץ משפיע על המידה שבה נוזל הנדן מופנה. היחס בין קצבי הזרימה של הליבה ונוזל הנדן גם לתווך את האפקט. סימולציות באמצעות תוכנת COMSOL Multiphysics הוכיחו אמינות בהערכת האינטראקציות של תכונות העיצוב ויחסי קצב הזרימה כדי לחזות את הצורה החתך. סימולציות אלה מספקות גם תובנה שימושית על דיפוזיה של מסיסות בין הליבה למעטפת עם גודל הערוץ, צמיגות וקצבי זרימה המוצעים.
אם רצויה צורה מורכבת, כגון “העוגן הכפול” המתואר ב- Boyd et al. 23, כדאי להפריד את הפונקציות של עיצוב וגודל. צורה מורכבת יכולה להיווצר עם קבוצה אחת של תכונות ולאחר מכן מבנה בעל חריץ יחיד הממוקם אסטרטגית בכניסה לזרם נדן שני יכול לשמש להקטנת האזור החתך של הזרם הניתן לפולימריז מבלי לשנות באופן משמעותי את צורתו.
דוגמה נוספת לתכנון מיקרו-ערוצי מורכב יכולה ליצור סיבים רב שכבתיים. בעיצוב זה, ערכות רציפות של תכונות עיצוב ונוזלי חיפוי נוספים מוצגים. זרימות קונצנטריות אלה יכולות להתגבש לסיבים מוצקים לחיפוי ליבה או לצינורות חלולים. דוגמה של התקן זה תוצג להלן.
לאחר העיצוב של המכשיר microfluidic נבחר, תהליך ייצור microchannel יכול להתחיל. כלי הייצור שניתן להשתמש בהם כוללים ליתוגרפיה רכה, כרסום CNC, הבלטה חמה והדפסה בתלת-ממד. ללא קשר לכלים המשמשים, חשוב להבין כי תכונות שהוכנסו בטעות לתוך הקיר של הערוץ microfluidic גם לכוון את זרימת הנדן ועלול לגרום סטיות לשחזור מאוד בצורה חתך של כל הסיבים שנעשו באמצעות מכשיר זה. חומרים מצע Microchannel צריך גם להיבחר בקפידה להיות חזק פיזית, אינרטי מבחינה כימית, ועמיד בפני נזק UV. לדוגמה, polydimethylsiloxane (PDMS) ניתן ללהק בקלות, מספק אטמים דמויי אטם, והוא UV שקוף; PDMS שימושי לחלק העליון השקוף של הערוץ, אך לא לצדדים ולתחתית הערוץ, הזקוקים לנוקשות רבה יותר.
בסופו של דבר, על ידי החדרת נוזלי הליבה והמעטפת שנבחרו כראוי בקצבי הזרימה החזויים על ידי סימולציות דינמיקת הנוזלים, תכונות העיצוב ייצרו את פרופיל הנוזל המתאים ומנורת הריפוי UV במורד הזרם תחזק את סיבי הפולימר המעוצבים. שחול מתמשך של סיבים פולימריים מהערוץ יכול לספק סיבים לשחזור באורכים מוגבלים רק על ידי נפח מאגרי הנוזלים.
Protocol
Representative Results
Discussion
ייצור סיבי פולימר באמצעות גישת זרימת נדן יש יתרונות רבים בהשוואה לטכניקות ייצור סיבים אחרים. אחד היתרונות הללו הוא היכולת לפברק סיבים באמצעות שילובים ריאגנטיים שונים. למרות שילוב תיול-yne ספציפי הוצג כאן, כמה לחץ תיול אחרים (כולל תיול-ene) שילובי כימיה לעבוד באותה מידה. מגוון רחב של שילובים אחרים ניתן להעסיק כדי לייצר סיבים כל עוד פתרון נדן הוא miscible עם חומר הליבה להיות פולימריזציה. תכלילים כגון nanofibers, חלקיקים, ותאים אפשריים גם כל עוד התרומות של תוספים אלה צמיגות של הפתרון prepolymer נלקחים בחשבון.
כימיה ת’יול קליק היא תת קבוצה של משפחת הכימיה קליק שבו קומפלקס עם קבוצת תיול יכול להיות מחובר covalently למתחם עם או אלקין (קשר כפול) או אלקין (קשר משולש) קבוצה פונקציונלית על ידי פוטופוליזציה אור UV. תגובות המערבות אלקנס נקראות תגובות תיול-ene, ותגובות המערבות אלקינים נקראות תגובות תיול-יין. קשר פאי אחד (מאלקין או אלקין) יתחבר לקבוצת תיול אחת עם הקרנת אור UV. התהליך משתלב היטב במשפחת התגובות הקליקות ומשמש ביעילות בערוץ המיקרופלואידי שלנו לייצור סיבים בצורות שונות(למשל עגול, בצורת סרט, עוגן כפול) מרכיבי התחלה רבים של קליקים על תיול.
יתרון ספציפי לשיטה המתוארת כאן בהשוואה לרוב התהליכים הדומים האחרים הוא היכולת לשלוט הן בצורה והן בגודל הסיבים המיוצרים (איורים 4A-H). על-ידי עיצוב ערוץ בעל פסים, סוגריים זוויתיים או עצמות הרינג, לסיבים המיוצרים תהיה צורת חתך שונה. באופן כללי, הפסים שימושיים לייצור צורות עגולות או להכנסת זרמי נדן נוספים כדי לכתר לחלוטין נחלים בצורת הקודם ולהרחיק אותם מקירות התעלה לפני הפולימור. הסוגריים הזוויתיים מפחיתים את הממד האנכי במרכז הזרם המעוצב ושומרים על הסימטריה האופקית. עצמות הרינג מפחיתות את הממד האנכי של צד אחד של הזרם המעוצב, ויוצרות אסימטריה. ניתן לערבב כלי עיצוב אלה באינספור שילובים. מספר התכונות המקבילות (כלומר 7 סוגריים זוויתיים לעומת 10 סוגריים זוויתיים) יכול לשמש גם לייצור סיבים עם פרופילים חתך שונים.
בנוסף ליכולת לשלוט בצורת הסיבים, מתודולוגיית ייצור הסיבים המוצגת מאפשרת גם את היכולת לשלוט בגודל הסיבים המפוברקים, אפילו באמצעות מכלול זרם נדן יחיד (למשל איור 1). התאמת יחס קצב הזרימה של הנדן:הליבה היא אמצעי אחד לייצור סיבים עם אזורים חתוכים שונים. ניתן גם לשלוט בגודל הסיבים על ידי התאמת עיצוב הערוץ כדי לקבל שלבי נדן נוספים. בין אם העיצוב מתרחש בשלב אחד או יותר, ניתן להשתמש בשלב סופי פשוט כדי להקטין את גודל הליבה מבלי לשנות את הצורה.
הקלות שבה ניתן להשתמש במגוון שילובים ריאגנטיים כדי לייצר סיבים בצורות וגדלים שונים באמצעות עיצוב ערוץ מיקרופלואידי זה תוכיח שימושית במגוון רחב של יישומים, מהנדסת רקמות לתקשורת אופטית ועד טקסטיל חכם.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
דריל בויד ומייקל א. דניאלה הם עמיתי פוסט דוקטורט במועצת המחקר הלאומית. העבודה נתמכה על ידי יחידות עבודה ONR /NRL 4286 ו- 9899. הדעות הן של המחברים ואינן מייצגות את דעתו או מדיניותו של חיל הים האמריקאי או משרד ההגנה האמריקאי.
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 |
References
- Khademhosseini, A., Langer, R., Borenstein, J., Vacanti, J. P. Microscale technologies for tissue engineering and biology. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 2480-2487 (2006).
- Blond, D., McCarthy, D. N., Blau, W. J., Coleman, J. N. Toughening of artificial silk by incorporation of carbon nanotubes. Biomacromolecules. 8, 3973-3976 (2007).
- Aykut, Y., Saquing, C. D., Pourdeyhimi, B., Parsons, G. N., Khan, S. A. Templating quantum dot to phase-transformed electrospun TiO(2) nanofibers for enhanced photo-excited electron injection. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 3837-3845 (2012).
- Puigmarti-Luis, J., Schaffhauser, D., Burg, B. R., Dittrich, P. S. A Microfluidic Approach for the Formation of Conductive Nanowires and Hollow Hybrid Structures. Adv. Mater. 22, 2255-22 (2010).
- Edie, D. D., Fox, N. K., Barnett, B. C., Fain, C. C. Melt-spun noncircular carbon-fibers. Carbon. 24, 477-482 (1986).
- Park, S. J., Seo, M. K., Shim, H. B. Effect of fiber shapes on physical characteristics of non-circular carbon fibers-reinforced composites. Mater. Sci. Eng. A Struct. 352, 34-39 (2003).
- Haile, W. A., Phillips, B. M. Deep grooved polyester fiber for wet lay applications. Tappi. 78, 139-142 (1995).
- Yamada, J. Radiative properties of fibers with non-circular cross sectional shapes. J. Quant. Spectrosc. Ra. 73, 261-272 (2002).
- Kopp, V. I., et al. Chiral fiber gratings. Science. 305, 74-75 (2004).
- Thangawng, A. L., Howell, P. B., Richards, J. J., Erickson, J. S., Ligler, F. S. A simple sheath-flow microfluidic device for micro/nanomanufacturing: fabrication of hydrodynamically shaped polymer fibers. Lab Chip. 9, 3126-3130 (2009).
- Thangawng, A. L., Howell, P. B., Spillmann, C. M., Naciri, J., Ligler, F. S. UV polymerization of hydrodynamically shaped fibers. Lab Chip. 11, 1157-1160 (2011).
- Thangawng, A. L., et al. A hard microflow cytometer using groove-generated sheath flow for multiplexed bead and cell assays. Anal. Bioanal. Chem. 398, 1871-1881 (2010).
- Mott, D. R., Howell Jr, ., B, P., Obenschain, K. S., Oran, E. S. The Numerical Toolbox: An approach for modeling and optimizing microfluidic components. Mech. Res. Commun. 36, 104-109 (2009).
- Mott, D. R., et al. Toolbox for the design of optimized microfluidic components. Lab Chip. 6, 540-549 (2006).
- Howell Jr, ., B, P., Ligler, F. S., Shields, A. R. Sheath fow device and method. United States patent US20110193259. , (2011).
- Howell, P. B., Ligler, F. S., Shields, A. R. Creating sheathed flow for applications e.g. particle counting, by introducing sheath and core streams at proximal end of channel that creates multiple sheathed flows, and polymerizing multiple sheathed flows to form multiple fibers. United States patent US2011193259-A1. , (2009).
- Mott, D., Howell Jr, ., B, P., Ligler, F. S., Fertig, S., Bobrowski, A. Sheath flow device and method. United States patent US20090208372. , (2009).
- Daniele, M. A., et al. Rapid and continuous hydrodynamically controlled fabrication of biohybrid microfibers. Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2012).
- Howell, P. B., Mott, D., Golden, J. P. Numerical toolbox for design of fluidic components and systems. United States patent US20080221844. , (2008).
- Shields, A. R., et al. Hydrodynamically directed multiscale assembly of shaped polymer fibers. Soft Matter. 8, 6656-6660 (2012).
- Boyd, D. A., Shields, A. R., Naciri, J., Ligler, F. S. Hydrodynamic shaping, polymerization, and subsequent modification of thiol click fibers. ACS Appl. Mater. Inter. 5, 114-119 (2012).
- Daniele, M. A., et al. Rapid and Continuous Hydrodynamically Controlled Fabrication of Biohybrid Microfibers. Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2013).
- Boyd, D. A., Shields, A. R., Howell, P. B., Ligler, F. S. Design and fabrication of uniquely shaped thiol-ene microfibers using a two-stage hydrodynamic focusing design. Lab Chip. 13, 3105-3110 (2013).
