Önceden Tasarlanmış Boyut ve Şekle Sahip Polimerik ve Biyohidred Elyafların Mikroakışkan İmalatı
Summary
Yivli bir mikroakışkan kanaldan geçen iki bitişik sıvı, bir prepolimer çekirdeğinin etrafında bir kılıf oluşturmaya yönlendirilebilir; böylece hem şekil hem de kesit belirlenir. Tiyol tıklama kimyası gibi fotoinitiated polimerizasyon, çekirdek sıvısını önceden belirlenmiş boyut ve şekle sahip bir mikrofiber haline hızlı bir şekilde katılaştırmak için çok uygundur.
Abstract
Düşük Reynolds sayısındaki mikroakışkan bir kanaldan geçen bir “kılıf” sıvısı başka bir “çekirdek” akışı etrafında yönlendirilebilir ve şekli ve çekirdek akışının çapını dikte etmek için kullanılabilir. Mikroakışkan bir kanalın üst ve alt kısmındaki oluklar kılıf sıvısını yönlendirmek ve çekirdek sıvısını şekillendirmek için tasarlanmıştır. Kılıf ve çekirdek sıvılarının viskozitesi ve hidrofilizitesi eşleştirilerek, interfasiyal etkiler en aza indirilir ve karmaşık sıvı şekilleri oluşturulabilir. Kılım ve çekirdek sıvılarının göreli akış hızlarının kontrol altına uzaklıkları, çekirdek sıvının kesit alanını belirler. Lifler 300 nm ila ~1 mm arasında değişen boyutlarda üretilmiştir ve fiber kesitler çift çapa liflerinde olduğu gibi yuvarlak, düz, kare veya karmaşık olabilir. Çekirdek sıvının şekillendirme bölgesinden aşağı doğru polimerizasyonu lifleri katıleştirir. Fotoinitiated tıklama kimyaları, ultraviyole ışıkla ışınlama ile çekirdek sıvısının hızlı polimerizasyonu için çok uygundur. Sıvı kristaller, poli (methylmethacrylate), tiyol-ene ve tiol-yne reçineleri, polietilen glikol ve hidrojel türevleri dahil olmak üzere çok çeşitli şekillere sahip lifler polimerler listesinden üretilmiştir. Şekillendirme işlemi sırasında minimum kesme ve hafif polimerizasyon koşulları, imalat sürecini hücrelerin ve diğer biyolojik bileşenlerin kapsüllenmesi için de çok uygun hale getirir.
Introduction
Doku iskeleleri1,kompozit malzemeler2,optik iletişim3ve iletken hibrid malzemeler4 özel polimer lifleri kullanarak araştırma alanlarıdır. Lif üretimi için geleneksel yöntemler arasında eriyik ekstrüzyon, iplik, çizim, döküm ve elektrospinning sayar. Bu yöntemlerle üretilen polimer liflerinin çoğu, imalat sırasında polimer ve hava arasındaki yüzey geriliminden oluşan yuvarlak kesitler sergiler. Bununla birlikte, yönlendirilmemiş kesitlere sahip lifler kompozit malzemelerin mekanik özellikleriniartırabilir 5,6, yüzey alanı-hacim oranlarını artırabilir, ıslatma veya fitilleme7’yikontrol edebilir ve dalga kılavuzları8 veya polarizatörler9olarak kullanılabilir.
Başka bir akışı (çekirdek akışı) çevrelemek ve şekillendirmek için bir akış (kılıf akışı) kullanan mikroakışkan sistemler tarafından özel polimer liflerin üretimi, yüksek oranda tekrarlanabilir liflerin sürekli üretimi için hafif koşullar ve kapasite nedeniyle çekicidir. İlk deneyler, prepolimer ve kılıf sıvılarının bağıl akış hızlarına bağlı boyutlara sahip yuvarlak lifler üretti10-12. Mikroakışkan kanalın üst ve alt kısmındaki olukların, 13,14 çekirdek akışı için önceden belirlenmiş bir şekil üretmek için kılıfı saptırabileceğinin keşfi,10-12,15-17daha karmaşık lif şekilleri üretmek için teknolojiye yol açtı.
NRL araştırmacıları aşağıdaki kritik teknik özellikleri göstermiştir13-21:
- Kılıfi sıvısını çekirdek akışını şekillendirmeye yönlendirmek için çeşitli şekillendirme özellikleri kullanılabilir: oluklar veya sırtlar çizgili, köşeli çift ayraç veya herringbon olarak yapılandırılabilir.
- Bu özelliklere sahip bir araç kutusu istenen akış sonucuyla eşlenebilir.
- Mikrokanetler litografi, kalıplama, frezeleme veya baskı teknikleri kullanılarak oluşturulabilir. Substrat malzemeler prepolimer veya kılıf çözeltilerinde çözülmemeli veya aşındırılmamalı ve fotoinitiated polimerizasyonlar için dış katmanlar ultraviyole ışığa şeffaf olmalıdır.
- Tek bir şekillendirme özelliği kümesi tarafından oluşturulan şekil, kanal üzerinden akış hızları değiştirilerek değiştirilebilir. COMSOL Mikrokanellerdeki sıvı akışının multifizik simülasyonları, elde edilen sıvı ve lif şekillerini tahmin edebilir.
- Kılıf ve çekirdek sıvılarının viskozitesi ve fazının (hidrofiliklik) eşleşmesi, sıvı arayüzü boyunca kesme suşundaki değişimden kaynaklanan bükülme tipi kararsızlığını önlemek için kritik öneme sahiptir. Büyük bir viskozite veya faz uyuşmazlığı varsa viskoz bükülme meydana gelebilir, muhtemelen son lif şeklini deforme edebilir veya hatta mikrokananı tıkayabilir.
- Lifler döküm veya polimerizasyon ile oluşturulabilir, ancak polimerizasyon şekil üzerinde daha fazla kontrol sağlar.
- Polimerizasyon (çekirdek sıvının katılaşması) mikrokanalden çıkmadan önce gerçekleşmelidir. Bununla birlikte, kanal içindeki daha yavaş polimerizasyon viskozitede bir artışa, lif şeklinin artmasına ve hatta kanalın tıkanmasına neden olabilir. Polimerizasyon olaylarının zamanı ve yeri dikkatle kontrol edilmelidir.
- Hızlı reaksiyon kinetiği nedeniyle, fotoğraf kaynaklı serbest radikal polimerizasyonları, özellikle tiyol bazlı tıklama kimyaları, özellikle lif üretimi için çok uygundur.
- Göreli akış hızları, nonuniform fiber çapları oluşturmak için imalat sırasında değiştirilebilir.
- Aşağıdaki nedenlerden dolayı birden fazla şekillendirme özelliği grubu tek bir kanala entegre edilebilir:
- Şekillendirme ve boyutlandırma işlevlerini ayırmak için
- Çok katmanlı veya içi boş lifler oluşturmak için
- Tek bir mikroakışkan kanaldan birden fazla lif üretmek için
- Polimere çok düşük konsantrasyonlarda dahil edilen sıvı kristal mezojenler polarize ışık altında birefringence gösterir, bu da polimer moleküllerinin liflerin ekseni boyunca hizalanabileceğini düşündürmektedir.
- Hücreler biyouyumlu hidrojel prepolimerlere dahil edilebilir ve yüksek canlılık ile imalat sürecinde hayatta kalabilir22.
Bir prepolimer akışını şekillendirmek için bir kılıfiz akışı ile hidrodinamik odaklama kullanarak polimer lifleri imal ederken, polimer malzemelerin seçimi pratik bir ilk adımdır. Uygun polimerler, karşılık gelen başlatıcı kimyalar ve kılım sıvıları aşağıdaki kılavuzlar içinde tanımlanmalıdır:
- Polimer ve kılıfet sıvıları yanılgıya kaptır ve benzer viskoziteye sahip. Örneğin, sulu bir monomer çözeltisi suyu canlı bir kılım sıvısı olarak kullanabilir, ancak kılım sıvısı olarak heksanı kullanamaz.
- Polimerizasyon mekanizması, şekillendirdikten sonra ve lif kanaldan çıkmadan hemen önce çekirdek sıvıyı katılaştıracak kadar hızlı oranlı kinetiklere sahip olmalıdır.
Malzemeler seçildikten sonra, istenen lif şeklini ve boyutunu oluşturmak için bir mikrokanel tasarlanmalıdır. Gerekli şekillendirme özelliklerini (şeritler, herringbones, köşeli çift ayraçlar) belirlemek için, akışkan akışkan akış modellerini tahmin etmek için hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımı kullanılabilir. Şekillendirme özellikleri kılım sıvısını çekirdek sıvısının etrafına taşır. Genel olarak, şeritler kılım sıvısını kanalın üst ve alt kısmı boyunca bir taraftan diğerine taşırken, herringbonlar ve şeritler sıvıyı yanlardan kanalın üst ve/veya altına doğru uzaklaştırır ve daha sonra doğrudan yapının noktasının altındaki kanalın merkezine doğru geri döner. Kanalın üst ve alt kısmındaki tekrarlayan olukların sayısı kılım sıvısının yönlendirilme derecesini etkiler. Çekirdek ve kılım sıvısının akış hızlarının oranı da etkiye aracılık eder. COMSOL Multiphysics yazılımını kullanan simülasyonlar, kesit şeklini tahmin etmek için şekillendirme özelliklerinin ve akış hızı oranlarının etkileşimlerini değerlendirmede güvenilir olduğunu kanıtlamıştır. Bu simülasyonlar ayrıca, önerilen kanalın boyutu, viskozite ve akış hızları ile çekirdek ve kılıf arasındaki solutların yayılması hakkında yararlı bir içgörü sağlar.
Boyd ve ark.’da açıklanan “çift çapa” gibi karmaşık bir şekil isteniyorsa. 23, şekillendirme ve boyutlandırma işlevlerini ayırmak yararlıdır. Karmaşık bir şekil, bir dizi özellik ile oluşturulabilir ve daha sonra ikinci bir kılım akışının girişine yerleştirilen stratejik olarak yerleştirilmiş tek kanallı bir yapı, şeklini önemli ölçüde değiştirmeden polimerize edilebilir akışın kesit alanını azaltmak için kullanılabilir.
Karmaşık mikrokanel tasarımının başka bir örneği çok katmanlı lifler üretebilir. Bu tasarımda, sıralı şekillendirme özellikleri setleri ve ek kaplama sıvıları tanıtılmıştır. Bu eşmerkezli akışlar katı çekirdek kaplama liflerine veya içi boş borulara katılaştırılabilir. Bu cihazın bir örneği aşağıda sunulacaktır.
Mikroakışkan cihazın tasarımı seçildikten sonra, mikrokanel imalat süreci başlayabilir. Kullanılabilecek imalat aletleri arasında yumuşak litografi, CNC frezeleme, sıcak kabartma ve 3D baskı bulunur. Kullanılan aletlerden bağımsız olarak, mikroakışkan kanalın duvarına yanlışlıkla sokulan özelliklerin kılıf akışını da yönlendireceğini ve bu cihaz kullanılarak yapılan tüm liflerin kesit şeklinde yüksek oranda tekrarlanabilir sapmalara neden olabileceğini fark etmek önemlidir. Mikro kanal substrat malzemeleri de fiziksel olarak sağlam, kimyasal olarak hareketsiz ve UV hasarına dayanıklı olacak şekilde dikkatlice seçilmelidir. Örneğin, polidimetilsiloksan (PDMS) kolayca dökilebilir, conta benzeri contalar sağlar ve UV şeffaftır; PDMS, kanalın şeffaf üst kısmı için yararlıdır, ancak daha sertliğe ihtiyaç duyan kanalın kenarları ve alt kısmı için kullanışlı değildir.
Sonuç olarak, sıvı dinamiği simülasyonları tarafından tahmin edilen akış hızlarında uygun şekilde seçilmiş çekirdek ve kılıma sıvılarını tanıtarak, şekillendirme özellikleri uygun akışkan profilini oluşturacak ve aşağı akış UV kürleme lambası tasarlanan polimer liflerini katılaştıracaktır. Polimerize elyafların kanaldan sürekli ekstrüzyonu, sadece sıvı rezervuarlarının hacmi ile sınırlı uzunluklarda tekrarlanabilir lifler sağlayabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Polimer liflerin kılım akışı yaklaşımını kullanarak imalatı, diğer lif imalat tekniklerine göre birden fazla avantaja sahiptir. Bu avantajlardan biri, çeşitli reaktif kombinasyonlarını kullanarak lifler üretebilme yeteneğidir. Burada belirli bir tiyol-yne kombinasyonu sunulmasına rağmen, diğer birkaç tiol tıklaması (thiol-ene dahil) kimya kombinasyonları eşit derecede iyi çalışır. Kılım çözeltisi polimerize edilecek çekirdek malzeme ile yanıltıldığı sürece lif üretmek için çok çeşitli kombinasyonlar kullanılabilir. Bu katkı maddelerinin prepolimer çözeltisinin viskozitesine katkıları dikkate alındığı sürece nanofiberler, parçacıklar ve hücreler gibi inklüzyonlar da mümkündür.
Tiyol tıklama kimyası, tiyol grubuna sahip bir kompleksin UV ışık fotopolimerizasyonu ile alkene (çift bağ) veya alkin (üçlü bağ) fonksiyonel grubu olan bir komplekse kurcalanabilir olduğu tıklama kimyası ailesinin bir alt kümesidir. Alkenes içeren reaksiyonlar thiol-ene reaksiyonları olarak, alkinleri içeren reaksiyonlar ise thiol-yne reaksiyonları olarak adlanır. Bir pi bağı (bir alkene veya alkinden) UV ışık ışınlanması üzerine bir tiyol grubuna bağlanır. İşlem, tıklama reaksiyon ailesine iyi uyum sağlar ve mikroakışkan kanalımızda çok sayıda tiyol tıklama başlangıç bileşeninden çeşitli şekillerde(örneğin yuvarlak, kurdele şeklinde, çift çapa) lifler üretmek için etkili bir şekilde kullanılmıştır.
Burada özetlenen yöntemin diğer benzer süreçlerin çoğuna kıyasla özel bir avantajı, üretilen liflerin hem şeklini hem de boyutunu kontrol etme yeteneğidir (Şekil 4A-H). Çizgili, köşeli çift ayraçlı veya herringbonlu bir kanal tasarlayarak, üretilen lif farklı bir kesit şekline sahip olacaktır. Genel olarak, şeritler yuvarlak şekiller üretmek veya daha önce şekillendirilen akışları tamamen çevrelemek ve polimerizasyondan önce kanal duvarlarından uzaklaştırmak için ek kılı kılı kılıt akışlarının tanıtılması için yararlıdır. Köşeli çift ayraçlar, yatay simetriyi koruyarak şekilli akışın ortasındaki dikey boyutu azaltır. Herringbonlar, şekilli akışın bir tarafının dikey boyutunu azaltarak asimetri üretir. Bu şekillendirme araçları sayısız kombinasyon halinde karıştırılabilir. Eşdeğer özelliklerin sayısı(yani 7 köşeli çift ayraç ve 10 köşeli çift ayraç) farklı kesit profillerine sahip lifler üretmek için de kullanılabilir.
Lif şeklini kontrol etme yeteneğine ek olarak, sunulan lif imalat metodolojisi, tek bir kılıf akış tertibatı kullanarak bile üretilen liflerin boyutunu kontrol etme yeteneğine sahiptir(örneğin Şekil 1). Kılıma:çekirdek akış hızı oranının ayarlanması, farklı kesit alanlarına sahip liflerin imalatının bir yoludur. Kanal tasarımını ek kılıf aşamalarına sahip olacak şekilde ayarlayarak fiberin boyutunu kontrol etmek de mümkündür. Şekillendirme ister bir veya daha fazla aşamada gerçekleşse de, şekli değiştirmeden çekirdeğin boyutunu küçültmek için basit bir son aşama kullanılabilir.
Bu mikroakışkan kanal tasarımını kullanarak çeşitli şekil ve boyutlarda lifler üretmek için çok sayıda reaktif kombinasyonunun kullanılabilme kolaylığı, doku mühendisliğinden optik iletişime ve akıllı tekstillere kadar çok çeşitli uygulamalarda yararlı olacaktır.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Darryl A. Boyd ve Michael A. Daniele, Ulusal Araştırma Konseyi Doktora Sonrası Bursiyerleridir. Çalışma ONR/NRL Çalışma Birimleri 4286 ve 9899 tarafından desteklendi. Görüşler yazarların görüşleridir ve ABD Donanması veya Savunma Bakanlığı’nın görüşünü veya politikasını temsil etmez.
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).
