JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bio-ingénierie

Микрофлюидное изготовление полимерных и биогибридных волокон с заранее разработанным размером и формой

Published: January 08, 2014
doi:
10.3791/50958
, , ,
1Center for Bio/Molecular Science & Engineering,US Naval Research Laboratory, 2Joint Department of Biomedical Engineering,North Carolina State University and University of North Carolina at Chapel Hill

Summary

Две соседние жидкости, проходящие через рифленый микрофлюидный канал, могут быть направлены на формирование оболочки вокруг преполимерного ядра; тем самым определяя как форму, так и поперечное сечение. Фотоинициалированная полимеризация, такая как химия кликов thiol, хорошо подходит для быстрой затвердеть основной жидкости в микроволокно с заранее определенным размером и формой.

Abstract

“Оболочка” жидкости, проходящей через микрофлюидный канал при низком количестве Рейнольдса может быть направлена вокруг другого “основного” потока и используется для диктовать форму, а также диаметр основного потока. Grooves в верхней и нижней части микрофлюидного канала были разработаны, чтобы направить оболочки жидкости и формы основной жидкости. Сопоставляя вязкость и гидрофиличность оболочки и основных жидкостей, межрасовые эффекты сводятся к минимуму и могут образовы образованы сложные формы жидкости. Контроль относительных темпов потока оболочки и основных жидкостей определяет поперечную область основной жидкости. Волокна были произведены с размерами от 300 нм до 1 мм, и волокна поперечные сечения могут быть круглыми, плоскими, квадратными или сложными, как в случае с двойными волокнами якоря. Полимеризация основной жидкости вниз по течению от формирующейся области затвердевает волокна. Фотоинициализированные химии кликов хорошо подходят для быстрой полимеризации основной жидкости путем облучения ультрафиолетовым светом. Волокна с широким спектром форм были произведены из списка полимеров, включая жидкие кристаллы, поли (метилметакрилат), тиол-эн и тиол-тайн смолы, полиэтиленгликоль, и гидрогель производных. Минимальный слять во время процесса формирования и мягкие условия полимеризации также делает процесс изготовления хорошо подходит для инкапсуляции клеток и других биологических компонентов.

Introduction

Ткань леса 1 ,композитныематериалы 2 ,оптическиекоммуникации 3, и проводящих гибридныхматериалов 4 являются областями исследований с использованием специализированных полимерных волокон. Обычные методы изготовления волокон включают экструзию расплава, спиннинг, рисование, литье и электроспиннинг. Большинство полимерных волокон, производимых этими методами, демонстрируют круглые поперечные сечения, порожденные поверхностным натяжением между полимером и воздухом во время изготовления. Тем не менее, волокна с некрутыми поперечными сечениями могут повыситьмеханические свойства композитных материалов 5,6,увеличить соотношение площади поверхности к объему, контролировать смачиваниеили wicking 7, и быть использованы в качестве волновыхгидов 8 или поляризаторов 9.

Производство специализированных полимерных волокон микрофлюидными системами, использующими один поток (поток оболочки) для окружения и формирования другого потока (основного потока), является привлекательным из-за мягких условий и способности к непрерывному производству высокоразвеченных волокон. Первоначальные эксперименты производили круглые волокна с размерами, зависящими от относительных темпов потока преполимера и оболочкижидкостей 10-12. Открытие того, что канавки в верхней и нижней части микрофлюидного канала может отвлечь оболочку для получения заранее определеннойформы для основного потока 13,14 привело к технологии для генерации болеесложных форм волокна 10-12,15-17.

NRL следователи продемонстрировали следующие критические техническиеособенности 13-21:

  1. Различные функции формирования могут быть использованы для на direct оболочки жидкости для формирования основного потока: канавки или хребты могут быть настроены как полосы, шевроны, или елочка.
  2. Набор инструментов этих функций можно сопоставить с желаемым результатом потока.
  3. Микроканалы могут быть созданы с использованием литографии, литья, фрезерования или методов печати. Субстратные материалы не должны растворяться или разрушаться в преполимерных или оболочках, а для фотоинициализированных полимеризаций внешние слои должны быть прозрачными для ультрафиолетового света.
  4. Форма, созданная одним набором функций формирования, может быть изменена путем изменения тарифов потока через канал. Мультифизика COMSOL, моделирование потока жидкости в микроканале, способно предсказать полученные формы жидкости и волокна.
  5. Соответствие вязкости и фазы (гидрофильности) оболочки и основных жидкостей имеет решающее значение, чтобы избежать нестабильности типа пряжки, возникающие из-за изменения деформации стрижки через интерфейс жидкости. Если есть большая вязкость или фазовое несоответствие вязкое раскряжевки может произойти, возможно, деформации окончательной формы волокна или даже засорения микроканал.
  6. Волокна могут образовыться путем литья или полимеризации, но полимеризация обеспечивает больше контроля над формой.
  7. Полимеризация (затвердевание основной жидкости) должна происходить до выхода из микроканал. Однако более медленная полимеризация в канале может привести к увеличению вязкости, влияя на форму волокна или даже засорение канала. Необходимо тщательно контролировать время и место проведения мероприятий по полимеризации.
  8. Из-за их быстрой реакции кинетики, фото-индуцированной свободных радикальных полимеризации, особенно на основе тиола нажмите химии, особенно хорошо подходят для производства волокон.
  9. Относительные темпы потока могут быть изменены во время изготовления для создания неуниформных диаметров волокон.
  10. Несколько групп формирующих функций могут быть интегрированы в единый канал по следующим причинам:
    1. Отделить функции формирования и размера
    2. Создание многослойных или полых волокон
    3. Производство нескольких волокон из одного микрофлюидного канала
  11. Кристаллические мезогены, включенные в полимер в очень низких концентрациях, обладают бирифрингом при поляризованном свете, что позволяет предположить, что молекулы полимера могут быть выровнены вдоль оси волокон.
  12. Клетки могут быть включены в биосовместимые преполимеры гидрогеля и выжить процесс изготовления с высокойжизнеспособностью 22.

При изготовлении полимерных волокон с использованием гидродинамической фокусировки потоком оболочки для формирования преполимерного потока выбор полимерных материалов является практическим первым шагом. Соответствующие полимеры, соответствующие химические установки и оболочки жидкости должны быть определены в рамках следующих руководящих принципов:

  1. Полимерные и оболочки жидкости являются неодобовежительными и имеют аналогичную вязкость. Например, аквиозный раствор мономера может использовать воду в качестве жизнеспособной оболочки жидкости, но не может использовать шестиугольный в качестве оболочки жидкости.
  2. Механизм полимеризации должен иметь достаточно быструю кинетическую скорость, чтобы укрепить основную жидкость после формирования и непосредственно перед выходом волокна из канала.

После того, как материалы были выбраны, микроканал для создания желаемой формы волокна и размера должны быть разработаны. Для определения необходимых функций формирования (полосы, елочка, шевроны), вычислительное программное обеспечение динамики жидкости могут быть использованы для прогнозирования моделей потока жидкости. Формирующие особенности транспортируют оболочку жидкости вокруг основной жидкости. Как правило, полосы перемещают оболочку жидкости по верхней и нижней части канала с одной стороны на другую, в то время как елочка и шевроны перемещают жидкость от сторон к верхней и / или нижней части канала, а затем обратно к центру канала непосредственно под точкой структуры. Количество повторяющихся канавок в верхней и нижней части канала влияет на степень, в которой оболочка жидкости направлена. Соотношение скорость потока основной и оболочки жидкости также посредником эффект. Моделирование с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics доказало свою надежность в оценке взаимодействий формирующих функций и соотношения скорости потока для прогнозирования поперечной формы. Эти моделирования также дают полезную информацию о распространении растворов между ядром и оболочкой с размером канала, вязкостью и предлагаемыми темпами потока.

При желании сложной формы, например, “двойной якорь”, описанный в Boyd et al. 23, полезно разделить функции формирования и размера. Сложная форма может быть создана с одним набором функций, а затем стратегически размещены одной канавки структуры, размещенные на входе второй оболочки поток может быть использован для уменьшения поперечной области полимеризируемого потока без существенного изменения его формы.

Другой пример сложной конструкции микроканал может генерировать многослойные волокна. В этой конструкции вводятся последовательные наборы формирующих функций и дополнительных облицовочных жидкостей. Эти концентрические потоки могут быть затвердевали в твердые волокна облицовки ядра или полые трубки. Пример этого устройства будет представлен ниже.

После того, как дизайн микрофлюидного устройства был выбран, процесс изготовления микроканал может начаться. Инструменты изготовления, которые могут быть использованы включают мягкую литографию, чпучение, горячее тиснение и 3D-печать. Независимо от используемых инструментов, важно понимать, что функции, случайно введенные в стену микрофлюидного канала, также будут направлять поток оболочки и могут привести к весьма воспроизводимым отклонениям в поперечной форме всех волокон, сделанных с помощью этого устройства. Материалы микроканального субстрата также должны быть тщательно отобраны для физической надежности, химически инертной и устойчивой к УФ-повреждениям. Например, поликиметилсилоксан (PDMS) может быть легко отлит, обеспечивает прокладку, как уплотнения, и уф-прозрачный; PDMS полезен для прозрачной верхней части канала, но не для сторон и нижней части канала, которые нуждаются в большей жесткости.

В конечном счете, путем введения правильно выбранного ядра и оболочки жидкости на скорость потока предсказал моделирования динамики жидкости, формирование функции будут генерировать соответствующий профиль жидкости и вниз по течению УФ-лечения лампы будет затвердевать разработанные полимерные волокна. Непрерывная экструзия полимеризованных волокон из канала может обеспечить воспроизводимые волокна длиной, ограниченные только объемом резервуаров жидкости.

Protocol

Этот протокол описывает изготовление полого волокна с использованием фотоинициплины тиол-yne нажмите химии. Микроканал имеет шеврон канавки или “полосы”, как формирование функций в нижней и верхней части канала (Рисунок 1). Три жидкости вводятся и направляются в концентрические потоки; от внутренних к внешним потокам жидкости, они называются ядром, облицовкой и оболочкой жидкости. Только облицовочных поток полимеризован для формирования полого волокна. Выбранные материалы следующие: Основная жидкость: PEG (М.В. 400), 100 мПа. сек (20 oC) Облицовка жидкости: Тил-yne полимер (PETMP и ODY), Инициатор (DMPA) Оболочка жидкости: PEG (М.В. 400), 100 мПа. сек (20 oC) Микроканальные устройства были собраны из алюминиевых и пластиковых деталей, изготовленных с помощью фрезерования ЧПУ и литья PDMS. Поток через микроканал контролировался тремя шприц-насосами. 1. Проектирование и моделирование микроканал При расчете скорости жидкости и конвекции/ диффузии в микроканале крайне важно назначить правильную вязкость каждой поступающей жидкости. Создайте компьютерную модель желаемого микроканала, который будет импортироваться в программное обеспечение для динамики вычислительной жидкости (COMSOL). Пример на рисунке 1 был создан с помощью программного обеспечения Autodesk Inventor CAD. Следующие шаги связаны с использованием мультифизики COMSOL для расчета потока жидкости в микроканале. После импорта разработанного микроканал в COMSOL, итеративные темпы потока жидкости могут быть введены в Navier-Stokes решателя. Инициализируйте настройки программы и выберите 3D уравнения ламинарного потока и конвекции/диффузии. Низкие числа Рейнольдса, генерируемые в микроканалах, позволяют обеспечить полный ламинарный поток внутри устройства. Создать сетку конечного элемента, на которой будут делаться численные вычисления. Сетка должна быть более изысканной (иметь небольшие деления) в областях, где свойства быстро меняются. Предлагается уточнить сетку как при формировании функции, так и на выходе <1 мкм по боковой длине. Это обеспечивает "хрустащую" визуализацию интерфейса жидкости с основной оболочкой. Входные свойства материала для потока жидкости, т.е. вязкость, диффузионная константа и концентрация. В это время также устанавливаются пограничные условия для выхода потока. Мы предлагаем нулевой вязкий стресс для имитации открытой розетки. Рассчитайте исследования скорости потока жидкости, итеративно проехав по ряду скоростей потока ввода. Например, основная жидкость 7,5 мкл/мин, оболочка жидкости 30 мкл/мин. Импорт решений поля скорости в качестве исходных значений для решения конвекционных/диффузионных свойств потока микрокана. Решение проблем конвекции/диффузии иллюстрирует интерфейс жидкости с основной оболочкой и поможет предсказать форму конечного потока жидкости и производимого волокна. Из результатов вычислений можно предсказать необходимое количество и тип формирующих элементов для достижения желаемой формы волокна. Входы скорости потока жидкости также будут соотноситься с требуемыми скоростями потока для генерации волокон. С помощью этих прогнозов, микроканальный прибор может быть изготовлен для экструзии полимерных волокон. 2. Изготовление компонентов аппарата потока оболочки Сочетание прямого микромильного, горячего тиснирования и/или полимерного литья может быть использовано для создания компонентов устройства потока оболочки. В зависимости от ресурсов выбирайте стратегию соответствующим образом. В качестве примера приводится процесс прямого фрезерования, в который используется компьютерный цифровой код (CNC). Есть пять слоев, которые должны быть сделаны (сверху вниз), которые изображены на рисунке 2: 1. Входная чака (алюминий), 2. Крепежная пластина (алюминий), 3. Верхний слой микроканали (циклический олефин кополитер, COC или PDMS), 4. Микроканальный нижний слой (COC или полиэтер эфир кетон, PEEK), 5. Крепежная пластина (алюминий). (Примеры файлов для прямого фрезерования доступны в формате «К.стл» в вспомогательной информации) Используя дизайн, совместимый с моделированием COMSOL, разработайте 3D-модель системы с помощью компьютерной разработки (CAD). Создайте отдельный файл CAD для каждого слоя устройства. Когда слой должен быть изготовлен с помощью прямого микромильного, импортировать модели CAD в компьютерную помощь обработки приложения для создания числового кода (NC), который будет интерпретироваться компьютером численно-управляемой (CNC) мельницы для производства устройства. Приобрети 5 листов толщиной 30,5 × и 30,5 см жертвенного слоя толщиной не менее 3,2 мм. Приобретите по 1 листу COC, PEEK, алюминия и поли (метилметакрилата), толщиной 30,5 см × 30,5 см и 3,2 мм. Приобрети 1 лист алюминия толщиной 30,5 см × 30,5 см и 9,5 мм. Прикрепите каждый из листов шагами 2,4-2,5 к листу жертвенного запаса от шага 2.3 с двусторонним клеем. Убедитесь, что при максимальной неохаблойной границе 2,5 см существует. Лента служит для держать материал работы в месте пока фрезеровается и защитить его как только фрезерная часть отрезана далеко от материала штока на конце цикла мельницы. Прикрепите coC и жертвенный запас к столу CNC Mill, загрузите инструменты, указанные в числовом коде (NC), и откалибровать инструменты и запас (рабочие) материалы в x, y и z. Загрузите код NC и измельчите слой COC. Снимите лист материала с мельницы и аккуратно снимите обустратую часть с подложки. В ходе этого процесса мельница-хладок насытит часть и бульон. Тщательно промыть перед аккуратной удалением части. Вымойте с мягким моющим средством, а затем мыть с 70% изопропилового спирта. Мягкий моющее средство будет удалить масляные остатки, и алкоголь будет удалить остаточный клей. Если заусенцы оказались в ловушке в микроархитектурах, sonication может быть необходимо, чтобы выбить их. Повторите шаги 2.7 и 2.9 для каждого из других слоев, которые будут использоваться для создания устройства потока оболочки. За исключением слоя PMMA, каждый из слоев, которые были подготовлены к этому моменту, будет использоваться в устройстве непосредственно. PMMA будет использоваться для подготовки слоя PDMS путем объединения 10 частей Sylgard 184 базы с 1 частью лечения агента и смешивания тщательно перемешивания. Эта информация предоставляется в случае, если лучше заменить один из слоев COC с прокладкой, как материал PDMS. Налейте Sylgard 184 в полость формы PMMA подготовлены ранее, гарантируя, что пузырьки воздуха устранены. При необходимости пузырьки можно удалить в вакууме. PDMS можно вылечить при комнатной температуре в течение 48 часов, 45 минут при температуре 100 градусов по Цельсию, 20 мин при температуре 125 градусов по Цельсию или 10 мин при температуре 150 градусов по Цельсию. 3. Сборка аппарата оболочки потока Соберите устройство потока оболочки снизу вверх, поместив одну крепление пластины в нижней части, то слой COC следуют другие coC слой, а остальные крепления пластины (Рисунок 2). Убедитесь, что формовонные канавки выравниваются друг с другом по краям канала и что жидкость, формуя геометрия в слоях COC, идеально перекрывается. Микроскоп вскрытия может быть использован для оказания помощи в выравнивании. Вставьте болты по центру устройства, и руки затянуть гайки и болты, чтобы зажать устройство вместе. Чередуя слева направо от центра, повторите шаг 3.2 из центра, чтобы зафиксировать выравнивание и предотвратить утечки. Добавить на входе патрон, когда его монтажные отверстия достигли и продолжать монтаж винты в чередующихся моды. Используйте стандартные фитинги HPLC для интерфейса устройства потока оболочки к трубам и шприцам, которые содержат оболочку жидкости и преполимерного раствора. Затягивания рук достаточно для всех соединений. Намонтировать устройство вертикально с помощью кольца стоять и зажим. Убедитесь, что устройство вертикально, используя уровень на верхней части. Если устройство потока оболочки не вертикально, волокно может коснуться стенки микроканали и вызвать засорение. Распоить УФ-источник перпендикулярно 1 см от coC лица оболочки потока устройства таким образом, что последние 3-5 см микроканал облучается. Уф-источник должен быть откалиброван для доставки 200 мВт/см2. 4. Подготовка решения Как указывалось ранее, многие материалы могут быть использованы для создания микроволокна с использованием аналогичных протоколов и систем потока оболочки, но тиол-yne химии используется здесь. Подготовка преполимер раствор непосредственно перед началом процесса экструзии волокна, чтобы избежать увеличения вязкости, которые могут возникнуть с течением времени в хранилище. Подготовка алицит полиэтиленгликоль 400 (PEG 400), чтобы служить в качестве оболочки жидкости. Заполните 1 мл Luer-наконечником шприц с PEG 400, чтобы служить в качестве неполимеризируемой жидкости ядра, и заполнить 30 мл Luer наконечником шприц с PEG 400 в качестве оболочки жидкости. Подготовьте преполимерное решение, которое содержит 0,01 мол пентаэритрола тетраки 3-меркаптопропионат (PETMP) и 0,01 мол 1,7-октадий (ODY). Убедитесь, что эти два компонента хорошо перемешаются на протяжении всего эксперимента, минимизируют воздействие всех преполимерных реагентов на источники УФ-излучения, включая окружающий свет(например, обертывание шприцев фольгой). Дополнить решение PETMP/ODY 4 x 10-4 mol 2,2-dimethoxy-2-фенилацетофенон (DMPA) фотоинициатором. Продолжайте следить за тем, чтобы решения были хорошо смешаны, и чтобы они не подвергались воздействию ультрафиолетового света, покрывая контейнеры алюминиевой фольгой. Загрузите 5 мл алюминиевой фольги обернутый, Luer-наконечником шприц с преполимерным раствором. 5. Производство микроволокна (Фокус видео) Убедитесь, что выход микрофлюидного канала находится в контакте с раствором в коллекторской ванне(рисунок 3). Для сложных структур раствор в коллекторской ванне должен соответствовать вязкости, сопрягался с ядром и оболочкой жидкости, но для простых полых волокон воды достаточно. Установите ядро, облицовку, и оболочки жидкости шприц насосы настояться на 1, 30 и 120 мл / мин, соответственно. Убедитесь, что соответствующие диаметры шприцев были должным образом введены в шприц насосы. Намонтировать шприцы в соответствующие шприц насосы и подключить их к оболочке потока устройства с УФ-защитных труб Tygon. Запустите оболочку жидкости для премьер оболочки потока устройства и устранить воздух из системы. Визуально осмотрите микроканал, гарантируя, что пузырьки воздуха не останутся в микроканале, прежде чем идти на следующий шаг. Обратите особое внимание на полосы. Микроскоп вскрытия может быть использован для оказания помощи в микроканальной инспекции. Если пузырьки воздуха присутствуют, агитировать устройство, вращая и / или нажав мягко в то время как под потоком, чтобы смыть пузырьки воздуха из устройства. Запустите облицовочных жидкости, а также позволяет потоку стабилизироваться. Убедитесь, что пузырьки воздуха не остаются в микроканале, прежде чем идти к следующему шагу. Обратите особое внимание на формирование канавки. Если пузырьки воздуха существуют, агитировать устройство в то время как под потоком, чтобы смыть пузырьки воздуха из устройства. Наконец, запустите основную жидкость; опять же, убедитесь, что пузырьки не присутствуют в системе. Включите УФ-источник и наблюдать сбор ванны для непрерывного производства полой микроволокна (Рисунок 4A), как это выбрасывается с оболочкой жидкости. Извлеките волокно из ванны коллекции с помощью модифицированного шпателя или инокуляции петли, и позвольте непрерывному волокну быть собранным на моторизованной катушке(рисунок 3).

Representative Results

Простой 2-сценический дизайн, используя формовонные канавки и три ввода раствора, был использован для создания полых волокон(рисунок 1). Моделирование COMSOL было использовано для определения соответствующих коэффициентов скорости потока для получения желаемого поперечного размера(рисунок 1, ESI Video). Сочетание фрезерования и литья производится компоненты для сборки оболочки потока для изготовления волокон (Рисунок 2). Полная сборка включала в себя устройство потока оболочки, волоконно-оптический ультрафиолетовый лазер, три шприца насосы, коллекция ванны (стакан), и волокна сбора катушки (Рисунок 3). Полимеризация облицовочных материалов была инициирована источником УФ-излучения, а полые волокна были экструдированы из микроканал в упаковочной ванне. Волокно формировалось и собиралось непрерывно до тех пор, пока уфимный свет не был выключен. Производство волокон продолжалось в течение нескольких минут и генерируется одно волокно более метра в длину. Волокна, сделанные в этих условиях, были примерно 200 мкм в диаметре. Структура волокон была визуализирована с помощью оптической и электронной микроскопии. Волокна имели овальную форму с полым ядром. Капиллярное действие было использовано для введения жидкости и пузырьков в внутреннюю часть волокна и подтвердило, что полая структура была непрерывной по длине волокна(рисунок 4A). Рисунок 1. Конструкция устройства потока оболочки и данные COMSOL. Двухсеголовое устройство изготовления с прямыми канавками было выбрано для производства полого волокна (повернутого вокруг х-оси 45″). Моделирование COMSOL слева демонстрирует, как коэффициенты потока оболочки (числа ниже каждого моделирования) влияют на конечный размер полых волокон. Поперечное сечение микроканал составляет 1 мм х 0,75 мм, а полосы шириной 0,38 мм и глубиной 250 мкм. Полосы находятся на ∠45 ” по отношению к каналу. Рисунок 2. Взорван вид сборки потока оболочки. Сверху вниз, ( A )входчак, ( B )крепежнаяпластина, ( C )микроканальнойкрышкой, ( D )микроканальнойбазы, (E) крепления пластины. Компоненты изготовлены из алюминия, алюминия, COC (или PDMS), COC (или PEEK) и алюминия, соответственно. Регулярно размещаемые отверстия вмещают сборочные винты. Рисунок 3. Фотография макета и схематический обзор. Установка включает в себя сборку оболочки потока обеспеченных вертикально над стаканом, содержащим ванну для воды, волоконно-оптический лазер для фотополимеризации, три шприц насоса, и шпиндель для сбора полимерных волокон. Вставка показывает сборку изготовления с УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫм освещением. (A) Оболочка и основные входы, (B) микрофлюидный канал, ( C )УФ-излучение,(D) резервуар сбора, (E) полимеризованное волокно собирается. Рисунок 4. Оптические и сканирующие электронные микрографические изображения волокон, сделанные с использованием гидродинамической фокусировки. Волокна были изготовлены в следующих формах с использованием гидродинамической фокусировки: (A) Полыетрубки,( B ) Прямоугольные ленты, (C) Тонкие эластичные ленты, (D) Треугольники, (E) Фасоль, ( F )Строкажемчуга, ( G )Круглое волокно совстроенной углеродной нановолокна, и (H) Двойной якорь формы. Волокна изготовлены из различных материалов, включая акрилаты, метакрилаты и тиол-эны. ESI Видео. Фрагмент сюжета, выполненного в COMSOL Multiphysics, изображающий половину микроканал с ядром, облицовкой и оболочкой жидкостей, походящих в устройство и пересекающих двухступенчатый поток изменения диагональной полосой канавки. Скорость потока ядра, облицовки и оболочки моделируется 1, 28 и 256 мкл/мин соответственно. Видео представляет 6 сек в режиме реального времени, замедлился в 6 раз для иллюстративных целей.

Discussion

Изготовление полимерных волокон с использованием подхода оболочки потока имеет несколько преимуществ по сравнению с другими методами изготовления волокна. Одним из таких преимуществ является способность изготавливать волокна с использованием различных комбинаций реагентов. Хотя конкретные thiol-yne комбинация была представлена здесь, несколько других thiol нажмите (в том числе thiol-ene) химии комбинации работают одинаково хорошо. Широкий спектр других комбинаций могут быть использованы для производства волокон до тех пор, как оболочка решение неправильно с основным материалом, который будет полимеризована. Включения, такие как нановофиберы, частицы и клетки также возможны до тех пор, пока учитывается вклад этих добавок в вязкость преполимерного раствора.

Thiol нажмите химии является подмножеством нажмите химии семьи, в которой комплекс с группой тиола может быть ковалентно прилагается к комплексу либо алкен (двойная связь) или alkyne (тройной связи) функциональной группы УФ-излучения фотополимеризации. Реакции с участием alkenes называются тиол-эне реакции, и реакции с участием алкинов называются тиол-yne реакции. Одна пи-связь (от алкена или алкины) будет прикрепляться к одной группе тиола при облучению ультрафиолетовым светом. Этот процесс хорошо вписывается в семейство кликов реакций и был эффективно использован в нашем микрофлюидном канале для производства волокон различных форм(например, круглые, лентообразные, двойной якорь) из многочисленных тиол нажмите стартовых компонентов.

Специфическим преимуществом метода, изложенного здесь по сравнению с большинством других подобных процессов, является способность контролировать как форму, так и размер производимых волокон(цифры 4A-H). При проектировании канала, чтобы иметь полосы, шевроны, или елочка, волокна производства будет иметь различные поперечные формы. Как правило, полосы полезны для создания круглых форм или для введения дополнительных потоков оболочки, чтобы полностью окружить ранее сформированные потоки и переместить их от стен канала до полимеризации. Шевроны уменьшают вертикальное измерение в центре формы потока, сохраняя горизонтальную симметрию. Елочки уменьшают вертикальное измерение одной стороны формового потока, создавая асимметрию. Эти инструменты формирования могут быть смешаны в бесчисленных комбинациях. Количество эквивалентных объектов(т.е. 7 шевронов против 10 шевронов) также может быть использовано для производства волокон с различными поперечных профилей.

В дополнение к способности контролировать форму волокна, представленная методология изготовления волокон также дает возможность контролировать размер изготовленных волокон, даже используя одну сборку потока оболочки(например, рисунок 1). Корректировка соотношения оболочки:основной скорости потока является одним из средств изготовления волокон с различными поперечных областях. Также можно контролировать размер волокна, регулируя конструкцию канала, чтобы иметь дополнительные этапы оболочки. Независимо от того, происходит ли формирование на одном или нескольких этапах, можно использовать простую заключительную стадию для уменьшения размера ядра без изменения формы.

Легкость, с которой множество комбинаций реагентов могут быть использованы для производства волокон различных форм и размеров с помощью этого микрофлюидного канала дизайн окажется полезным в широком диапазоне применений, от тканевой инженерии для оптических коммуникаций для умных текстиля.

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Дэррил А. Бойд и Майкл А. Даниэле являются научными стипендиатами Национального исследовательского совета. Работа была поддержана подразделениями ONR/NRL 4286 и 9899. Мнения авторов не отражают мнения или политику ВМС США или Министерства обороны.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Edie, D. D., Fox, N. K., Barnett, B. C., Fain, C. C. Melt-spun noncircular carbon-fibers. Carbon. 24, 477-482 (1986).
  6. 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).
  7. Haile, W. A., Phillips, B. M. Deep grooved polyester fiber for wet lay applications. Tappi. 78, 139-142 (1995).
  8. Yamada, J. Radiative properties of fibers with non-circular cross sectional shapes. J. Quant. Spectrosc. Ra. 73, 261-272 (2002).
  9. Kopp, V. I., et al. Chiral fiber gratings. Science. 305, 74-75 (2004).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Mott, D. R., et al. Toolbox for the design of optimized microfluidic components. Lab Chip. 6, 540-549 (2006).
  15. Howell Jr, ., B, P., Ligler, F. S., Shields, A. R. Sheath fow device and method. United States patent US20110193259. , (2011).
  16. 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).
  17. Mott, D., Howell Jr, ., B, P., Ligler, F. S., Fertig, S., Bobrowski, A. Sheath flow device and method. United States patent US20090208372. , (2009).
  18. Daniele, M. A., et al. Rapid and continuous hydrodynamically controlled fabrication of biohybrid microfibers. Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2012).
  19. Howell, P. B., Mott, D., Golden, J. P. Numerical toolbox for design of fluidic components and systems. United States patent US20080221844. , (2008).
  20. Shields, A. R., et al. Hydrodynamically directed multiscale assembly of shaped polymer fibers. Soft Matter. 8, 6656-6660 (2012).
  21. 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).
  22. Daniele, M. A., et al. Rapid and Continuous Hydrodynamically Controlled Fabrication of Biohybrid Microfibers. Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2013).
  23. 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).

Tags

Microfluidic FabricationPolymeric FibersBiohybrid FibersPredesigned Size And ShapeSheath And Core FluidsViscosity And Hydrophilicity ControlFlow Rate ControlFiber Cross-sectionsPhotoinitiated Click ChemistriesPolymerizationEncapsulation Of Cells And Biological Components

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
Boyd, D. A., Adams, A. A., Daniele, M. A., Ligler, F. S. Microfluidic Fabrication of Polymeric and Biohybrid Fibers with Predesigned Size and Shape. J. Vis. Exp. (83), e50958, doi:10.3791/50958 (2014).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image