UV-crosslinkable hydrogels işlemek için bir katkı üretim stratejisi geliştirmiştir. Bu strateji microfabricated hidrojel yapıları katman katman Meclisi hem de, bağımsız bileşenler Meclisi tümleşik aygıtlar için manyetik çalıştırma duyarlı hareket bileşenleri içeren verimli sağlar.
Polietilen glikol (PEG)-tabanlı hydrogels olan insanlar olarak kullanılmak üzere FDA tarafından onaylanmış olan biyouyumlu hydrogels. Normal PEG tabanlı hydrogels basit monolitik mimarileri ve sık sık malzeme doku mühendisliği uygulamaları için iskele olarak işlev var. Daha karmaşık yapılar genellikle almak imal ve yapmak için a uzun zaman hareketli bileşenleri içermez. Bu iletişim kuralı, PEG yapıların ve aygıtları facile ve hızlı microfabrication için sağlar bir fotolitografi yöntemini açıklar. Bu strateji yukarı doğru bir katman katman moda bina tarafından 3D yapılar hızlı imalatı için sağlar bir şirket içinde geliştirilen imalat sahne içerir. Bileşenleri taşıma bağımsız da hizaladım ve tümleşik aygıtlar oluşturmak için destek yapıları monte. Bu bağımsız bileşenler için manyetik çalıştırma duyarlıdır superparamagnetic demir oksit nano tanecikleri ile katkılı. Bu şekilde, uydurma cihazlar dış mıknatıslar hareket içinde bileşenlerinin vermeye kullanarak tahrik. Bu nedenle, bu tekniği tamamen dışarı biyouyumlu hidrojel, işlev bir dahili güç kaynağı olmadan mümkün oluşmaktadır ve çalıştırma iletişim-az yöntemine yanıt sofistike MEMS benzeri aygıtları (micromachines) imalatı için izin verir. Bu el yazması hem imalat kurulum, hem de microfabrication bu hydrogels tabanlı MEMS benzeri cihazların için adım adım yöntemi imalatı açıklar.
MEMS cihazlar uygulamalar özellikle tıbbi cihazlar alanında bulduk. Her ne kadar onlar ekledi işlevleri çok ödünç ve bu cihazların küçültülmüş doğa onları çekici implantlarla1,olarak kullanmak için2,3, bu cihazlar genellikle var doğasında Emanet ve biyouyumluluk sorunları, insan vücudunun (Örneğin, metaller, pil, vb)4,5,6için zararlı olabilecek malzeme oluşan oldukları gibi. PEG-esaslı hydrogels sıvı şişmiş polimer ağlar ve sık sık doku mühendisliği iskele büyük ölçüde kısmen nedeniyle onların yüksek biyouyumluluk7,8gibi uygulamalar için kullanılmıştır. PEG-esaslı hydrogels-si olmak da be insanlar9,10,11olarak kullanılmak üzere FDA onaylı. Ancak, hidrojel malzeme özellikleri nedeniyle, onlar kolayca normal üretim süreçleri tipik silikon tabanlı microfabrication kullanılan teknikler gibi dayanıklı değil. Böylece, hidrojel tabanlı basit monolitik mimarileri için genellikle sınırlı yapılarıdır. Hydrogels microfabrication, şimdiki çabalar yapıları mikron büyüklüğünde özellikleri ile sonuçlandı; Ancak, bu kez tek bir katman ve bir tek malzeme12,13 ve bileşenleri14,15,16hareket-sizlik çekmek-yapılardır.
Bir önceki çalışmalarda, biz tamamen bir biyouyumlu PEG tabanlı hidrojel malzemesi17‘ oluşan micromachines imalatı için bir strateji tanımlarlar. Mikron büyüklüğünde özellikleri kolayca fotolitografi yöntemini kullanarak sahte olduğu ve bu yapıların yukarı üzerinde hydrogels polimerli substrat kesin z ekseni hareketi tarafından etkin bir katman katman yöntemi kullanılarak inşa edilecek. Hydrogels farklı kompozisyon birbirine bitişik sahte olduğu. Ayrıca, bu cihazları harici bir mıknatıs kullanarak tahrik hareketli bileşenleri vardır. Bu çok yönlü teknik herhangi bir yumuşak malzeme veya fotoğraf polymerizable hidrojel işlemek için de uygundur. Böylece, bu tekniği tamamen hydrogels oluşan karmaşık MEMS benzeri cihazlar imalatı için çok uygundur.
Bu teknik, hidrojel microstructures katman katman fotolitografi facile ve hızlı bir yöntemdir. Yaklaşım üretim bir katkı maddesi kullanılarak, biz kolayca 3D yapılar biyouyumlu malzemeler dışında çeşitli inşa ve hatta hareketli parçalar dahil. Bu nedenle tamamen biyouyumlu microdevices oluşumunu sağlayacak. Teknik alt yüzey yolu ile bir mikrometre kafa yüksekliği kesin bir denetim tarafından etkin olan basit litografi adımları, tekrarı temel alır. Geleneksel üretim teknikleri, MEMS endüstrisinde kullanılan sert içeren işleme teknikleri ve kurban malzemeleri, yumuşak hydrogels işleme ile uyumlu kez değil. Gibi yöntemler, ekstrüzyon tabanlı 3D baskı hydrogels için diğer yöntemleri ve 200 µm yukarıda kayma kararlar için sınırlı baskı hızı mm/s parçaları18,19hareket içermeyen basit yapılar için. Stereolitografi (SLA) ve belki daha iyi kararlar ama kurulum için de çok costlier vardır elde edebilmek dayalı dijital ışık Projesi (DLP) bioprinters. Bu üretim stratejileri de tanıtmak ve tamamlanan aygıttan kaldırmak zor olabilir substrat malzemeleri destek olmadan kolayca çıkıntılar yazdırmanız mümkün değildir. Bu hizalayarak ve fabrikasyon destek yapısı önceden biçimlendirilmiş mühürleme katmana tamamlanmış cihazın için son bir adım olarak polymerizing engelleyecek. İmalat kurulum tasarımını fabrikasyon yapıları da Kullanıcı kolay erişim sağlar ve çeşitli bileşenleri kolay hizalama hizalama işaretlerini kullanımı ile sağlar.
Burada sunulan strateji de çok benzer kararlar diğer teknikleri hızlıdır; bir dönen cihazın gösterdiği imalatı için kullanılan toplam süre yaklaşık 15 dakikadır. Başka bir avantaj olsa değil bu protokol için gösterdi ama bizim önceki iş17‘ de gösterilen bu stratejinin imalat, hızlı bir şekilde Kullanıcı için yeteneğidir ve kolayca küçük cilt olarak yapılabilir adımlar arasında kullanılan polimer türünü değiştirmek ekledi . Bu şekilde, bir bileşik hydrogels farklı türde aygıtları oluşturabilirsiniz. Vites dişli manyetik çalıştırma için hassas işleme demir oksit nano tanecikleri ile katkılı ve böylece bir harici kullanarak tahrik bir bölümünü içerdiğinden bu strateji aynı zamanda kullanarak fabrikasyon cihaz temassız çalıştırma avantajı vardır mıknatıs. Ayrıca, aygıtın tamamen biyouyumlu ve bu nedenle güvenli bir şekilde implante vivo içindeolabilir.
Bu tekniğin önemli bir özelliği tercihen uygun veya alt veya üst cam alt katman polimerli hidrojel püskürtmek Kullanıcı sağlayan farklı cam yüzeylerde tedavisidir. İşlenmemiş cam kombinasyonu ile bir PFOTS tedavi cam yüzey (alt yüzey) kullanıldığında, PFOTS tedavi cam flüorlu yüzeyinden püskürttü oldukları gibi kurulan hydrogels tercihen işlenmemiş cam için uygun olacaktır. PDMS kaplı cam PFOTS tedavi alt yüzey ile kullanıldığında, diğer taraftan, hydrogels PDMS yüzeyler daha güçlü kurulan hydrogels püskürtmek gibi PFOTS tedavi yüzeyde kalır eğiliminde olacaktır. Bu özellik bir yukarı doğru yapılır, öyle ki cam yüzeyler üzerinde immobilize ve zaman içinde daha sonra bir noktada diğer yapıları için hizalama için ayrılmış veya hatta aşağıya doğru inşa hydrogels uygun sağlar. Bu tekniği ve sahte olduğu tasarımları türlü esnekliğini ekler aynı zamanda birleşme ve bağımsız, özgür hareket eden hidrojel bileşenleri sızdırmazlık sağlar.
Katman katman imalat sırasında kullanılan polimerizasyon zaman optimize etmek önemlidir. Öyle ki onlar tam kalınlıkta yanı sıra yüksek sadakat photomask tarafından tanımlanmış şekilleri karşılaştırıldığında, formu Hydrogels en iyi şekilde çapraz bağlı olmalıdır. Bu gücü lamba ve kullanılan hidrojel türünü bağlıdır. Her ne kadar bu protokol için gösterilen değil, polimerizasyon zaman ile artan lamba gücü azaltır ve PEG zincir uzunluğu artan ve azalan kullanılan PEGDA konsantrasyonları ile artırır. Enerji photopolymerization gibi prepolymer demir oksit nano tanecikleri (Şekil 4) eklenmesi nedeniyle opaklığını değiştirmek için kullanılabilir miktarını etkileyen diğer faktörler de polimerizasyon süresini etkiler. Farklı hidrojel besteleri için koşullar cross-linking için en iyi duruma getirme böylece cihazların imalat süreci başlamadan önce gereklidir.
Photomasks hizalama işaretlerini kullanımı ve hidrojel katmanlar, özellikle son mühürleme kat, doğru hizalaması uygun sızdırmazlık gerçekleştirilir ve iç bileşenleri için yanlışlıkla çapraz bağlı değildir sağlamak önemlidir Destek yapıları üretim işlemi sırasında çevreleyen. Bu bu bileşenleri serbestçe manyetik çalıştırma sırasında hareket etmesini önler. Şekil 5‘ te gösterildiği gibi yanlış hizalanmış bir üst katman ve photomask sızdırmazlık crosslinking ve dişli toplu malzeme aygıtın bir kısmının ankraj sonuçlanır. Sonuç olarak, bu dişli bir mıknatıs ile tahrik zaman döndürmek değil.
Belgili tanımlık aygıt güçlü kalıcı mıknatıslar Neodim mıknatıslar gibi kullanarak tahrik. Bu mıknatısların ferromanyetik malzemeler için yakın mesafeden zaman güçlü manyetik kuvvetler oluşturmak ve yaralanma önlemek için dikkat edilmelidir. Aygıtın aygıt ile temas geliyor mıknatıs olmadan taşımak için tahrik; Mıknatıs düzenlenen veya ~ 1 cm uzakta belgili tanımlık aygıt yerleştirilir. Demir katkılı bileşenleri hareketi mıknatıs hareketini taklit etmemelidir ve sürekli taşımak için çalıştırmalı veya zaman zaman istediğiniz gibi odaklı. Aygıtı el ile tahrik veya bir çalıştırma kurulum kullanılabilir. Mıknatıs dönme hareketi için herhangi bir aktüatör (Örneğin, servo motor) eklenebilir. Mıknatıs, dönme hızı ve dolayısıyla demir katkılı bileşeninin dönme hızı kontrol edilebilir bir mikrodenetleyici kullanarak. Bu çalıştırma için bir daha kesin yöntem sağlar.
Şekil 8 şemalar ve bu aynı teknikle fabrikasyon ve bu yöntem çok yönlülük göstermek çeşitli tasarımlar önceki işten görüntüleri gösterir. Vanaları aralıklı üreten 2 nişanlı vites oluşturan esin kaynağı Geneva sürücü tasarım (Şekil 8D) daha karmaşık ve sofistike tasarımları (Şekil 8A) benzer basit cihazlar bu tasarımlar aralığından hareketi. Bu tekniği kullanarak oluşturulan en küçük özellikler genellikle yaklaşık 100 µm oldu ve her tasarım çok katmanlı (3-6 kat) oluşmaktadır. Farklı türde hidrojel besteleri (ile farklı mekanik güçlü ve porozite) Ayrıca polimerli ve birbirine bağlı. Bu nedenle, bir hydrogels bir cihaza bağlı olarak farklı bileşenleri cihazın içinde gerekli işlevi içinde kullanılan türleri kolayca birleştirebilirsiniz.
The authors have nothing to disclose.
Bu eser bir NSF Kariyer Ödülü, NIH R01 grant (HL095477-05) ve NSF ECCS-1509748 grant tarafından desteklenmiştir. S.Y.C. Ulusal Bilim hangi teşkilat tarafından bilim, teknoloji ve araştırma (Singapur) için ödüllendirildi burs (Doktora), tarafından desteklenmiştir. Biz Keith Yeager imalat kurulum ve Cyrus W. Beh fotoğraf set-up ve cihazlar için oluşturma konusunda yardım için teşekkür ederim.
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 |