Dit artikel beschrijft het proces van de microfluidic en de parameters te bereiden geregelde deeltjes uit vloeibaar kristallijne elastomeren. Dit proces maakt de voorbereiding van de bedieningsrichting deeltjes en de variatie van de grootte en de vorm (van oblate te sterk prolate, kern-shell, en Janus morphologies) evenals de omvang van de bediening.
Dit document richt zich op het microfluidic-proces (en bijbehorende parameters) voor te bereiden van geregelde deeltjes uit vloeibaar kristallijne elastomeren. De voorbereiding bestaat meestal in de vorming van druppels met lage molaire massa vloeibare kristallen bij verhoogde temperaturen. Vervolgens zijn deze precursoren deeltje georiënteerd op het gebied van de stroom van het capillair en verhard door een crosslinking polymerisatie, die de definitieve geregelde deeltjes produceert. De optimalisatie van het proces is nodig om de geregelde deeltjes en de juiste variatie van de procesparameters (temperatuur en debiet tarief) te verkrijgen en kan verschillen van grootte en vorm (van oblate te sterk prolate morphologies), alsmede de omvang van de bediening. Het is bovendien mogelijk te variëren van het soort frontale rek tot contractie afhankelijk van het profiel van de directeur aan de druppels geïnduceerde tijdens de stroom in het capillair, die weer afhangt van het microfluidic-proces en de bijbehorende parameters. Deeltjes van meer complexe vormen, zoals kern-shell structuren of Janus deeltjes, kunnen bovendien worden voorbereid door het aanpassen van de installatie. Door de variatie van de chemische structuur en de wijze van crosslinking (stolling) van de vloeibaar kristallijne elastomeer is het ook mogelijk om te bereiden geregelde deeltjes veroorzaakt door warmte of UV-vis bestraling.
Microfluidic syntheses geworden een bekende methode voor de fabrikatie van vloeibaar kristallijne elastomeer (LCE) actuatoren in de laatste paar jaar1,2,3. Deze aanpak kan niet alleen de productie van een groot aantal goed geregelde deeltjes maar maakt het ook mogelijk de fabricage van vormen en morphologies die niet toegankelijk zijn door andere methoden. Aangezien LCE aandrijvers veelbelovende kandidaten voor een toepassing als kunstspieren in micro-robotica zijn, zijn nieuwe methoden voor het synthetiseren van dergelijke deeltjes van groot belang dat deze technologie van de toekomst-4.
In LCEs, de mesogens van vloeibare kristallen (LC) gekoppeld aan de polymeerketens van een elastomere netwerk5,6,7,8. De koppeling van de mesogens aan de keten van het polymeer kan daardoor gebeuren in de vorm van een zijketen, een main-keten of een gecombineerde LC-polymeer9,10,11. De afstand tussen de punten van het crosslinking moet worden ver genoeg om een gratis heroriëntering van de polymeer-keten tussendoor (in feite, dit geldt voor elke elastomeer, die hen van “thermoharders onderscheidt”). Daarmee kunnen crosslinking permanente of omkeerbaar als gevolg van de sterke niet-covalente interacties12,13,14. Dit soort materiaal combineert de eigenschappen van beide, het anisotrope gedrag van vloeibare kristallen met de entropische elasticiteit van een elastomeer. In het temperatuurbereik van de vloeibaar kristallijne fase vast de polymeerketens een (min of meer) gestrekt conformatie veroorzaakt door de anisotropie van de vloeibaar kristallijne fase, die wordt gekwantificeerd door de nematic orde parameter. Wanneer het monster boven de nematic-naar-isotrope fase overgang temperatuur wordt gebracht, de anisotropie verdwijnt en het netwerk ontspant aan de conformatie energiek favoriete willekeurige spoel. Dit leidt tot een macroscopische vervorming en dus bediening5,15. Naast de verwarming van het monster, kan deze faseovergang ook worden veroorzaakt door andere prikkels zoals licht of oplosmiddel diffusie in de LCEs16,17,18,19.
Met het oog op een sterke vervorming, is het noodzakelijk dat het monster ofwel een monodomain of functies de stand van ten minste een voorkeur voor het interne domein bestuurders tijdens het crosslinking stap20 vormt. Voor de productie van LCE films, wordt dit vaak bereikt door het uitrekken van een vooraf gepolymeriseerde monster, via de oriëntatie van de domeinen in een elektrische of magnetische veld, met de hulp van foto-uitlijning lagen of via 3D-printing21 ,22,23,24,25,26.
Een andere benadering is de continue voorbereiding van LCE deeltjes met capillaire gebaseerde microfluidic druppel generatoren. Vloeibare kristallijnen monomeer druppels zijn gedispergeerd in een zeer viskeuze continue fase, die stroomt rond de druppels en een schuintrekken tarief is van toepassing op de druppels oppervlak. Daarom wordt een oplage binnen de monomeer-droplet waargenomen, waardoor een algehele aanpassing van de kristallijne vloeistoffase27. Daarmee is de omvang van de shear tarieven op de druppels heeft een sterke invloed op zowel de druppel de vorm en de grootte, evenals op de richting van de vloeibaar kristallijne directeur veld. Deze goed georiënteerde druppels kunnen vervolgens worden polymeervorm verder stroomafwaarts in de microfluidic-instellingen. De voorbereiding van aandrijvingen met verschillende vormen (bijvoorbeeld, deeltjes en vezels) en meer complexe morphologies zoals kern-shell en Janus deeltjes zijn dus mogelijk28,29,30,31. Het is zelfs mogelijk om te bereiden oblate deeltjes, die uit te breiden langs hun symmetrie-as en zeer prolate, vezel-achtige deeltjes, die tijdens de faseovergang krimpen. Beide soorten deeltjes kunnen worden gemaakt met het zelfde soort microfluidic opstelling, enkel door het variëren van de shear rate27. Hier presenteren we het protocol over het produceren van dergelijke LCE aandrijvingen van verschillende morphologies in de microfluidic van zelf vervaardigde capillair gebaseerde apparaten.
Naast het effect van mesogen uitlijning in LCE druppels en de toegankelijkheid van polymeren met uiteenlopende vormen hebben microfluidic benaderingen verdere voordelen. In vergelijking met andere deeltje fabricage methoden zoals neerslag in een niet-solvent of schorsing polymerisatie32 (wat leidt tot deeltjes met een brede grootteverdeling), monodispers deeltjes (de variatiecoëfficiënt van de deeltjesgrootte is < 5%) kan worden gesynthetiseerd met behulp van microfluidics33,34. Daarnaast is het gemakkelijk te breken van de symmetrie van de bol van de druppels door een stroom. Grote deeltjes met een cilindrische symmetrie zijn dus toegankelijk, die nodig is voor de actuatoren. Dit verschilt van LC-deeltjes gemaakt door schorsing polymerisatie32. Bovendien, de deeltjesgrootte is goed verstelbaar door microfluidics in een bereik van enkele micrometers tot honderden micron, en additieven kunnen gemakkelijk worden gebracht in de deeltjes of aan hun oppervlak. Dit is de reden waarom microfluidic deeltje voorbereiding vaak in onderwerpen als drug delivery35 of het vervaardigen van cosmetica36 gebruikt wordt.
De opstellingen van de microfluidic gebruikt in dit artikel werden geïntroduceerd door Serra et al. 33 , 37 , 38 . Deze zijn zelf vervaardigd en bestaat uit het krachtige vloeibare chromatografie (HPLC) polytetrafluorethylene (PTFE) buizen en realiseren, evenals gesmolten siliciumdioxide haarvaten waarmee de afzonderlijke fasen. Dus de setup kan eenvoudig worden aangepast en enkele onderdelen eenvoudig kunnen worden uitgewisseld, zoals ze commercieel verkrijgbaar zijn. Een photoinitiator wordt toegevoegd aan het monomeer mengsels, waardoor het gebruik van een geschikte lichtbron voor het opwekken van de polymerisatie van de druppels on-the-fly, nadat zij het capillair verlaten. Bestraling afgezien van de haarvaten is noodzakelijk om te voorkomen dat een verstopping van de setup. Andere soorten de polymerisatie start alleen de polymerisatie nadat de druppel heeft verlaten het capillair (b.v.met initiatiefnemers op basis van redox processen)39. Echter, als gevolg van de snelheid van de foto-geïnduceerde crosslinking polymerisatie en de mogelijkheid om op afstand worden gecontroleerd, photoinitiation is de voordeligste.
Aangezien van de LCE monomeer mengsel kristallijn bij kamertemperatuur is, is het noodzakelijk een nauwkeurige temperatuurregeling van de hele microfluidic setup. Daarom wordt het deel van de installatie waarin de droplet-vorming optreedt in een waterbad geplaatst. Hier, worden de druppels gevormd bij hoge temperaturen in de isotrope smelt van het mengsel. Voor de oriëntatie, moeten de druppels worden gekoeld in de vloeibaar kristallijne fase. Daarom is de polymerisatie buisje wordt geplaatst op een hete plaat die is ingesteld op de lagere temperatuurbereik van de LC-fase (Figuur 1).
Hier beschrijven we een flexibele en eenvoudige methode voor de fabrikatie van LCE actuatoren in een stroom. Dit protocol biedt de vereiste stappen voor het bouwen van het microfluidic-setup voor de synthese van enkele deeltjes evenals Janus en core-shell deeltjes in een paar minuten. Vervolgens beschrijven we hoe u een synthese en de typische resultaten evenals de eigenschappen van de geregelde deeltjes tonen. Tot slot bespreken we de voordelen van deze methode en waarom we denken dat het misschien vooruit op het gebied van LCE actuatoren.
Wij hebben de fabricage van deeltjes met verschillende morphologies via een microfluidic benadering tot LCE microactuators beschreven. Voor dit doel, werden capillair gebaseerde microfluidic opstellingen gebouwd waarmee druppel vorming gevolgd door photopolymerization bij bepaalde temperaturen.
Een kritisch aspect van een succesvolle synthese is hier de juiste montage van de setup. Alle verbindingen tussen de interne onderdelen naar behoren moeten worden vastgesteld om te voorkomen dat eventuele lekken van vloeistoffen, en moet het apparaat schoon voordat elke synthese ter voorkoming van verstoppingen. Het is ook van cruciaal belang dat het experiment wordt uitgevoerd onder zonder UV-voorwaarden, sinds, anders voorbarig polymerisatie van het monomeer mengsel en dus weer verstoppingen van de instellingen zou het resultaat.
Tot op de dag, is de hier beschreven aanpak van de microfluidic de enige methode kunnen produceren geregelde LCE deeltjes. Hierbij het microfluidic-proces voldoet aan twee eisen op hetzelfde moment. Naast de fabricage van een veelheid van even grootte micro-objecten, wordt een oriëntatie van de vloeibaar kristallijne directeur geïnduceerd in deze deeltjes. Daarnaast, is het een vrij eenvoudige procedure, omdat een groot aantal actuatoren kan gesynthetiseerd worden in een enkele stap. Andere methoden toe te passen, vereist de oriëntatie van de mesogens gewoonlijk een extra stap als het oprekken van het monster of de toepassing van foto-uitlijning lagen. Bovendien, zijn deze processen handmatige, wat betekent dat de productie van veel actuatoren is zeer tijdrovend. Anderzijds de LCE morfologie is-in meeste gevallen-beperkt tot polymeerlagen. Nadelen van de microfluidic benadering zijn de beperking van het deeltje grootte (zoals de diameter beperkt tot waarden tussen 200 en 400 µm is), de kwetsbaarheid voor verstopping van het capillair en de noodzaak van zonder UV-voorwaarden tijdens de voorbereiding van de deeltjes in de setup.
Op de chip systemen worden vaak gebruikt voor microfluidic deeltjes verzinsels omdat zij gemakkelijk kunnen worden geproduceerd en zijn gemaakt van slechts één stuk. Deze opstellingen, echter niet alleen gebrek aan de nodige verstelbaarheid van verschillende temperaturen tijdens de stroom maar ook zijn niet flexibel genoeg is om gemakkelijk uitwisselen verstopte of gebroken onderdelen van de microreactor. Vandaar, de capillaire gebaseerde opstellingen die we gebruiken zijn meer geschikt voor de synthese van LCE actuatoren, als zij voldoen aan de essentiële eisen.
Naast onze gepresenteerde resultaten van de bedieningsrichting Janus-deeltjes- en core-shell micropumps, complexere bedieningsrichting deeltjes met nieuwe eigenschappen in de toekomst kunnen worden gesynthetiseerd en opent nieuwe mogelijkheden voor zachte actuator toepassingen. De verdere wijziging van Janus deeltjes bij multi responsieve deeltjes is reeds aan de gang. We streven er dan ook voor de invoering van een tweede temperatuur responsieve polymeer naast de geregelde LCE. Verdere mogelijkheden voor nieuwe ontwerpen van de deeltjes kunnen ook voortvloeien uit het gebruik van vloeibaar kristallijne azo-monomeren, wat in de licht gestuurde bediening van LCE-deeltjes17,18 resulteert. In dat geval kunnen we denken aan Janus deeltjes met zowel een temperatuur-responsieve als een foto-bedieningsrichting deel. De synthese van licht-gedreven core-shell deeltjes of buis-achtige structuren biedt een ander mogelijk deeltje ontwerp, hetgeen tot foto-responsieve micropumps leiden zou. De wijziging van de procedures voor het microfluidic van beginsel die we hierboven mag een verscheidenheid van nieuwe aandrijvingen.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs bedanken de Duitse Science Foundation voor de financiering van dit werk (Ze 230/24-1).
NanoTight fitting for 1/16'' OD tubings | Postnova_IDEX | F-333N | |
NanoTight ferrule for 1/16'' OD tubings | Postnova_IDEX | F-142N | |
PEEK Tee for 1/16” OD Tubing | Postnova_IDEX | P-728 | T-junction |
Female Fitting for 1/16” OD Tubing | Postnova_IDEX | P-835 | female luer-lock |
Male Fitting for 1/8” OD Tubing | Postnova_IDEX | P-831 | male luer-lock |
Female Luer Connectors for use with 3/32” ID tubings | Postnova_IDEX | P-858 | for the syrringe's tip |
NanoTight FEP tubing sleeve ID: 395 µm OD: 1/16'' | Postnova_IDEX | F-185 | |
Fused Silica Capillary Tubing ID: 100 µm OD: 165 µm | Postnova | Z-FSS-100165 | glass capillary |
Fused Silica Capillary Tubing ID: 280 µm OD: 360 µm | Postnova | Z-FSS-280360 | glass capillary |
‘‘Pump 33’’ DDS | Harvard Apparatus | 70-3333 | syringe pump |
Precision hot plate | Harry Gestigkeit GmbH | PZ 28-2 | |
Stereomicroscope stemi 2000-C | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 455106-9010-000 | |
Mercury vapor lamp Oriel LSH302 | LOT | Intensity: 500 W | |
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,75mm | WICOM | WIC 33104 | teflon tube |
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,50mm | WICOM | WIC 33102 | teflon tube |
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,17mm | WICOM | WIC 33101 | teflon tube |
Silicion oil 1.000 cSt | Sigma Aldrich | 378399 | |
Silicion oil 100 cSt | Sigma Aldrich | 378364 | |
1,6-hexanediol dimethacrylate | Sigma Aldrich | 246816 | Crosslinker |
Lucirin TPO | Sigma Aldrich | 415952 | Initiator |
Polarized optical microscope BX51 | Olympus | For analysis | |
Hotstage TMS 94 | Linkam | For analysis | |
Imaging software Cell^D | Olympus | For analysis |