あらかじめ設計されたサイズと形状を用いるポリマー繊維およびバイオハイブリッド繊維のマイクロ流体製造
Summary
溝状のマイクロ流体チャネルを通過する2つの隣接流体は、前重合体コアの周りに鞘を形成するように導くことができる。その後、形状と断面の両方を決定します。チオールクリック化学のような光開始重合は、コア液を所定の大きさおよび形状を有するマイクロファイバーに迅速に固化させるのに適している。
Abstract
低レイノルズ数でマイクロ流体チャネルを通過する「シース」流体は、別の「コア」ストリームの周りに向けられ、形状とコアストリームの直径を指示するために使用することができます。マイクロ流体チャネルの上部と下部の溝は、シース流体を導き、コア流体を形作るように設計されました。鞘とコア液の粘性と親水性を合わせることによって、界面効果が最小限に抑えられ、複雑な流体形状を形成することができる。シースおよびコア流体の相対的な流量を制御すると、コア流体の断面積が決定されます。繊維は300 nmから~1mmまでのサイズで製造されており、ファイバー断面は、ダブルアンカー繊維の場合と同様に、円形、平坦、正方形、または複雑であることができます。成形領域から下流のコア流体の重合は、繊維を固化させる。光開始のクリックケミストは、紫外線を照射することにより、コア流体の迅速な重合に適しています。液晶、ポリ(メチルメタクリレート)、チオールエネ、チオールイン樹脂、ポリエチレングリコール、ヒドロゲル誘導体など、多種多様な形状の繊維が製造されています。成形プロセス中の最小せん断と軽度の重合条件により、細胞および他の生物学的成分のカプセル化に適した製造プロセスも行われます。
Introduction
組織足場1、複合材料2、光通信3、および導電性ハイブリッド材料4 は、特殊なポリマー繊維を利用した研究分野である。繊維製造のための従来の方法は、溶融押出、紡績、描画、鋳造およびエレクトロスピニングを含む。これらの方法によって製造されるポリマー繊維のほとんどは、製造中にポリマーと空気の表面張力によって生じる丸い断面を示す。しかしながら、非円形断面を有する繊維は、複合材料5,6の機械的特性を増強し、表面積対体積比を増加させ、湿潤またはウィッキング7を制御し、導波ガイド8 または偏光子9として利用することができる。
1つの流れを利用したマイクロ流体システムによる特殊ポリマー繊維の製造は、別の流れ(コアフロー)を取り囲み、形成する際に、高い再現性の高い繊維を連続生産する際の条件と能力が穏やかであるため、魅力的です。初期の実験では、前重合体およびシース流体10〜12の相対流量に依存するサイズの丸繊維を作製した。マイクロ流体チャネルの上下に溝が入り、鞘を偏向してコアストリーム13,14 に対して所定の形状を生成する可能性が発見され、より複雑な繊維形状10-12,15-17を生成する技術が得た。
NRLの調査官は、次の重要な技術的特徴を実証しています 13-21:
- シース流体を導き、コアストリームを形成するためにさまざまなシェーピング機能を使用できます:溝や尾根はストライプ、シェブロン、またはニシンボーンとして構成することができます。
- これらの機能のツールボックスは、目的のフロー結果にマッピングできます。
- マイクロチャネルは、リソグラフィ、成形、粉砕、または印刷技術を使用して作成できます。基質材料は、プレポリマーまたはシース溶液中で溶解または侵食してはならない、と光開始重合のために、外部層は紫外線に対して透明でなければならない。
- 単一のシェーピング フィーチャーセットによって作成されるシェイプは、チャネルを通じて流量を変更することによって変更できます。マイクロチャネルにおける流体流量のCOMSOLマルチフィジックスシミュレーションは、得られた流体と繊維形状を予測することができます。
- シースとコア液の粘度と相(親水性)を一致させることは、流体界面全体のせん断歪の変動から生じる座屈型の不安定性を避けるために重要です。粘度が大きいか位相ミスマッチが存在する場合は粘性座屈が起こり得る、おそらく最終的な繊維形状を変形するか、マイクロチャネルを詰まらせる。
- 繊維は、鋳造または重合によって形成することができるが、重合は、形状をより制御することができます。
- 重合(コア流体の凝固)は、マイクロチャネルを出る前に起こらなければならない。しかし、チャネル内の重合が遅くなると、粘度の上昇を引き起こし、繊維形状に影響を与えたり、チャネルを詰まらせることさえある。重合イベントの時間と位置は、注意深く制御する必要があります。
- これらの反応速度が速いため、光誘導フリーラジカル重合、特にチオール系のクリック化学は、繊維製造に特に適しています。
- 製造時に相対的な流量を変更して、不均一な繊維径を作成できます。
- シェーピング機能の複数のグループは、次の理由により、単一のチャネルに統合できます。
- シェーピング関数とサイズ変更機能を分離するには
- 多層ファイバーまたは中空ファイバーを作成するには
- 単一のマイクロ流体チャネルから複数のファイバーを生成するには
- 非常に低い濃度でポリマーに取り込まれた液晶メソゲンは偏光下で複屈折を示し、ポリマー分子が繊維の軸に沿って整列できることを示唆している。
- 細胞は生体適合性ヒドロゲル前重合体に組み込まれ、高い生存率22で製造プロセスを生き残ることができる。
シースストリームによる流体力学的集光を用いてポリマー繊維を作製する場合、ポリマー材料の選択は実用的な第一歩である。適切なポリマー、対応するイニシエーターの化学、およびシース流体は、次のガイドラインの範囲内で特定する必要があります。
- ポリマーおよびシース流体は混和性であり、同様の粘度である。例えば、水性モノマー溶液は、水を生き生きとする外装液として利用することができたが、シース流体としてヘキサンを採用することができなかった。
- 重合機構は、成形後、そしてファイバがチャネルを出る直前にコア流体を固めるのに十分な速度の速度を持っている必要があります。
材料を選択した後、所望の繊維形状とサイズを生成するマイクロチャネルを設計する必要があります。必要なシェーピング機能(ストライプ、ニシンボーン、シェブロン)を決定するために、流体力学ソフトウェアを使用して流体の流れパターンを予測することができます。シェーピング機能は、芯液の周りにシース流体を輸送します。一般に、ストライプはシース流体をチャネルの上下に移動し、ニシンボーンとシェブロンは流体を側面からチャネルの上部および/または下部に向かって移動し、その後、構造物のポイントのすぐ下のチャネルの中心に向かって戻ります。チャネルの上部と下部の繰り返し溝の数は、シース流体が向けられる度合いに影響を与えます。コアとシース流体の流速の比率も効果を媒介する。COMSOLマルチフィジックスソフトウェアを使用したシミュレーションは、断面形状を予測するためのシェーピング機能と流量比の相互作用を評価する際に信頼性が証明されています。これらのシミュレーションはまた、提案されたチャネルのサイズ、粘度、および流量とコアとシースの間の溶物の拡散に有用な洞察を提供する。
複雑な形状が望ましい場合は、ボイドらで説明される「ダブルアンカー」 などである。23、整形とサイズの機能を分離することが有用である。複雑な形状は、1セットの特徴で作成することができ、2番目のシージングストリームの入り口に配置された戦略的に配置された単一溝構造を使用して、その形状を大幅に変更することなく、重合性ストリームの断面領域を減少させることができます。
複雑なマイクロチャネル設計の別の例は、多層繊維を生成することができます。この設計では、シーケンシャルなシェーピングフィーチャーのセットと追加のクラッディング流体が導入されています。これらの同心円流は固体コアクラッディング繊維または中空管に固めることができる。このデバイスの例を以下に示します。
マイクロ流体デバイスの設計が選択されると、マイクロチャネル製造プロセスを開始することができます。使用することができる製造用具は柔らかいリソグラフィ、CNCのミリング、熱いエンボスおよび3D印刷を含んでいる。使用するツールにかかわらず、マイクロ流体チャネルの壁に誤って導入された特徴もシースフローを導き、その装置を使用して作られたすべての繊維の断面形状の非常に再現性の高い偏差をもたらすことを認識することが重要です。マイクロチャネル基板材料は、物理的に堅牢で化学的に不活性で、UV損傷に対する耐性を持つため、慎重に選択する必要があります。例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)は、簡単にキャストすることができ、ガスケット状のシールを提供し、UV透明である。PDMS は、チャネルの透明な上部には有用ですが、より剛性を必要とするチャネルの側面と底部には役立ちません。
最終的には、流体力学シミュレーションによって予測される流速で適切に選択されたコアおよびシース流体を導入することによって、シェーピング機能は適切な流体プロファイルを生成し、下流のUV硬化ランプは設計されたポリマー繊維を固める。チャネルからの重合繊維の連続的な押出は、流体貯留層の体積によってのみ制限される長さの再生可能な繊維を提供することができる。
Protocol
Representative Results
Discussion
シースフローアプローチを用いたポリマー繊維の作製は、他の繊維製造技術と比較して複数の利点を有する。これらの利点の1つは、種々の試薬の組み合わせを用いて繊維を製造する能力である。具体的なチオールとインの組み合わせがここに提示されたが、いくつかの他のチオールクリック(チオールエネスを含む)化学の組み合わせは同様にうまく機能する。多種多様な他の組合せは、重合する芯材料とシース溶液が混和可能である限り繊維を製造するために採用することができる。ナノファイバー、粒子、細胞などの含有物は、プレポリマー溶液の粘度に対するこれらの添加剤の寄与を考慮に入れられている限り可能である。
チオールクリック化学は、チオール基を有する複合体がUV光光重合によりアルケン(二重結合)またはアルキン(トリプルボンド)官能基を有する複合体に共有結合することができるクリック化学ファミリーのサブセットである。アルケンを含む反応はチオール-エネ反応と呼び、アルキンを含む反応はチオール-イン反応と呼ぶ。1つのpi結合(アルケンまたはアルキンから)は、UV光照射時に1つのチオール基に付着する。このプロセスは、反応のクリックファミリー内にうまく収まり、マイクロ流体チャネルで効果的に使用され、多数のチオールクリック開始成分から様々な形状(例えば 、円形、リボン状、ダブルアンカー)の繊維を生成しています。
他のほとんどの類似プロセスと比較してここで概説する方法に対する具体的な利点は、製造された繊維の形状とサイズの両方を制御する能力である(図4A-H)。ストライプ、シェブロン、ニシンボーンを持つチャンネルを設計することにより、生成された繊維は異なる断面形状になります。一般に、ストライプは、円形の形状を生成したり、以前に形状の流れを完全に囲み、重合する前にチャネル壁から離れて移動する追加のシースストリームの導入に便利です。シェブロンは、水平方向の対称性を維持し、形の流れの中心の垂直方向の寸法を減少させます。ニシンボーンは、形の流れの片側の垂直寸法を減少させ、非対称性を生み出します。これらの整形ツールは、無数の組み合わせで混合することができます。同等の特徴の数(すなわち 、7シェブロン対10のシェブロン)は、異なる断面プロファイルを持つ繊維を製造するためにも使用することができます。
繊維形状を制御する能力に加えて、提示された繊維製造方法論は、単一のシースフローアセンブリを使用しても、製造された繊維のサイズを制御する能力を有する(例えば図1)。シース:コア流量比を調整することは、断面の異なる領域を持つ繊維を作製する1つの手段です。また、追加のシージングステージを有するようにチャネル設計を調整することによって、繊維のサイズを制御することも可能である。シェーピングが 1 つ以上のステージで発生する場合でも、単純な最終段階を使用して、形状を変更せずにコアのサイズを小さくすることができます。
このマイクロ流体チャネル設計を用いて、さまざまな形状や大きさの繊維を製造するために多数の試薬の組み合わせを使用できる容易さは、組織工学から光学通信、スマートテキスタイルまで、幅広い用途で有用であることが証明されます。
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ダリル・A・ボイドとマイケル・A・ダニエレは国家研究評議会の博士研究員です。この作業は、ONR/NRL作業ユニット4286と9899によってサポートされました。見解は著者のものであり、米海軍や国防総省の意見や政策を表すものではありません。
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 |
Referenzen
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