预设计尺寸和形状的聚合物纤维和生物贿赂纤维的微流体制造

此协议描述了使用光启动硫化物单击化学制造空心纤维。微通道有雪佛龙槽或”条纹”作为塑造功能在通道的底部和顶部（图1）。引入三种流体，并定向同心流：从内流到外流流，这些流被称为核心流、包层流和护套流体。只有包层流被聚合形成空心纤维。所选材料如下： 核心流体：PEG （M.W. = 400），+100毫帕。秒（20°C） 包层流体：硫化物聚合物（PETMP + ODY），启动器（DMPA） 护套流体：PEG （M.W. = 400），+100毫帕。秒（20°C） 微通道装置由数控铣削和 PDMS 铸造制造的铝和塑料部件组装而成。流经微通道由三个注射器泵控制。 1. 微通道的设计和模拟 在微通道内计算流体速度和对流/扩散时，为每个传入流体分配适当的粘度至关重要。 创建要导入计算流体动力学软件 （COMSOL） 所需的微通道的计算机模型。 图1 中的示例是用欧特克发明家CAD软件生成的。下列步骤是指使用 COMSOL 多物理来计算微通道内的流体流动。 将设计微通道导入 COMSOL 后，可将迭流流速率引入纳维尔-斯托克斯溶剂中。 初始化程序设置并选择 3D 层流+对流/扩散方程。微通道中生成的低雷诺兹数字允许设备内完全层压流。 设计一个有限元素的网格，在上面进行数字计算。网格应在属性变化迅速的区域更精细（有小的部门）。建议将成形特征和出口的网格细化为<1 μm侧长。这为核心护套流体接口提供了"清晰"的可视化。 流体流动的输入材料特性， 即 粘度、扩散常数和浓度。此时，还设置了出口流的边界条件。我们建议零粘性应力来模拟一个开放的插座。 通过一系列输入流速反复循环计算流体流速研究。例如，核心流体 = 7.5 μl/min，护套流体 = 30μl/分钟。 导入速度场解决方案作为解决微通道流对流/扩散特性的初始值。对流/扩散问题的解决方案将说明核心-护套流体接口，并有助于预测最终流体流和产生的纤维的形状。 从计算结果中，可以预测所需的成型特征数量和类型，以达到所需的光纤形状。流体流速输入也将与生成纤维所需的流速相关。通过这些预测，可以制造出用于挤出聚合物纤维的微通道设备。 2. 护套流器件的制造 可将直接微磨、热浮雕和/或聚合物铸造相结合，以创建护套流装置的组件。根据资源，相应地选择策略。举例是使用计算机数字代码 （CNC） 的直接铣削过程。有五层（从上到下），这是在 图2：1中描绘的。入口夹头（铝），2。紧固板（铝），3.微通道顶层（环烯烃共聚物、COC 或 PDMS），4.微通道底层（COC或聚醚醚酮，PEEK），5.紧固板（铝）。（直接铣削的示例文件可在支持信息中以*.stl 格式提供） 使用与 COMSOL 模拟兼容的设计，通过计算机辅助绘图 （CAD） 开发系统的 3D 模型。为设备的每一层创建一个单独的 CAD 文件。 当要通过直接微铣制造一层时，将 CAD 模型导入计算机辅助加工应用程序，以生成数字代码 （NC），由计算机数控 （CNC） 磨坊解释该数字代码以生产设备。 获得5张30.5厘米×30.5厘米的牺牲层材料，最小厚度为3.2毫米。 获得 1 张 COC、PEEK、铝和聚（甲基甲基酸酯）30.5 厘米× 30.5 厘米和 3.2 毫米厚。 获得1片30.5厘米×30.5厘米厚和9.5毫米厚的铝板。 将每张床单在步骤 2.4-2.5 中贴在一张从步骤 2.3 到双面胶粘剂的牺牲品表上。确保最多存在 2.5 厘米的外部未绑带边框。胶带用于在磨削时将工作材料保持到位，并在磨削部分在磨削周期结束时从库存材料中切开后保护它。 将 COC + 牺牲库存固定到 CNC 磨坊的表中，加载数字代码 （NC） 中引用的工具，并将工具和库存（工作）材料校准为 x、y 和 z。 加载NC代码并碾磨COC层。 从磨坊中取出材料板，并小心地从基板上取下加工过的部分。在此过程中，磨坊冷却剂将饱和部分和库存。在轻轻取出部分之前彻底冲洗。用温和的洗涤剂清洗，然后用70%的异丙醇清洗。温和的洗涤剂会去除油性残留物，酒精会去除残留的粘合剂。如果毛刺被困在微观结构中，则可能需要声波化来驱赶它们。 对于用于创建护套流设备的其他每个图层重复步骤 2.7 和 2.9。 除 PMMA 层外，已为此准备到此点的每个图层将直接用于设备。PMMA 将用于准备 PDMS 层，将 10 个部件 Sylgard 184 碱基与 1 个零件固化剂相结合，并通过搅拌彻底混合。如果人们宁愿用类似垫片的 PDMS 材料替换其中一个 COC 层，则提供此信息。 将 Sylgard 184 倒入之前准备的 PMMA 模具腔中，确保消除气泡。如有必要，气泡可以在真空中去除。PDMS 可在室温下固化 48 小时，45 分钟在 100 °C，20 分钟在 125 °C，或 10 分钟在 150 °C。 3. 护套流设备总成 通过在底部放置一个紧固板，然后将 COC 层放在另一个 COC 层，以及剩余的紧固板（图 2），从下到上组装护套流装置。确保成形槽沿通道边缘相互对齐，并确保 COC 层中流体成形几何形状完全重叠。解剖显微镜可用于辅助对齐。 在设备中心插入螺栓，并手紧固螺母和螺栓，将设备夹在一起。 从左到右交替，从中心向外重复步骤 3.2 以锁定对齐并防止泄漏。到达安装孔时加入进液夹头，并以交替方式继续安装螺钉。 使用标准 HPLC 配件将护套流装置与包含护套流体和预聚合物溶液的管子和注射器接口。手紧固足以满足所有连接。 使用环形支架和夹子垂直安装设备。确保设备使用最上面部分的水平是垂直的。如果护套流动装置不是垂直的，纤维可能会接触微通道壁并导致堵塞。 将紫外线源垂直定位在护套流装置的 COC 表面约 1 厘米处，以便对微通道的最后 3-5 厘米进行辐照。紫外线源应校准，以提供 ±200 mW/cm2。 4. 解决方案准备 如前所述，许多材料可用于使用类似的协议和护套流系统创建微纤维，但硫化物化学在这里使用。在开始纤维挤出过程之前立即准备前聚合物溶液，以避免在存储中随着时间的推移可能出现的粘度增加。 准备聚乙二醇400（PEG 400）的亚力克作为护套流体。 用PEG 400填充1ml Luer-尖注射器，作为不可填充的核心液体，并填充一个30毫升的Luer尖注射器与PEG 400作为护套流体。 准备一个前聚合物溶液，其中包含 0.01 熔醇五角星四重奏 3 甲基苯丙酸酯 （PETMP） 和 0.01 醇 1，7-八角星 （ODY）。确保这两个组件在整个实验中混合良好，最大限度地减少所有聚合物试剂暴露在紫外光源中，包括环境光（例如 用铝箔包装注射器）。 用 4 x 10-4 熔胶 2，2-二甲基二甲基丙酮 （DMPA） 光启动器补充 PETMP/ODY 解决方案。继续确保解决方案混合良好，并且通过用铝箔覆盖容器，不会暴露在紫外线下。 用前聚合物溶液装载 5 毫升铝箔包装的 Luer 尖注射器。 5. 微纤维生产（视频焦点） 确保微流体通道的出口与收集浴缸中的溶液接触（图 3）。对于复杂的结构，收集浴中的溶液应与核心和护套流体粘度匹配，但对于简单的空心纤维，水就足够了。 将芯、包层和护套液体注射器泵分别注入 1、30 和 120 μl/min。确保各自的注射器直径已正确输入注射器泵。 将注射器安装到相应的注射器泵中，并将其连接到护套流量装置，并配有紫外线保护 Tygon 管。 启动护套流体，为护套流动装置提供素数，并消除系统中的空气。目视检查微通道，确保在进入下一步之前，微通道中不会存在气泡。特别注意条纹。解剖显微镜可用于辅助微通道检查。如果存在气泡，请通过旋转和 / 或在时轻轻敲击来搅拌设备，以冲洗设备中的气泡。 启动包层流体，也使流量稳定下来。在进入下一步之前，确保微通道中不会存在气泡。特别注意塑造槽。如果存在气泡，在流动时搅拌设备，将气泡冲出设备。 最后，启动核心流体：再次，确保系统中不存在气泡。 打开紫外线源，观察收集浴，以持续生产空心微纤维（图4A），因为它与护套流体一起喷射。使用改良的铲子或接种环从收集浴缸中检索纤维，并允许在电动滑阀上收集连续纤维（图 3）。