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생체공학

첨가제 제조 기술은 자석으로 응답 구성 요소와 히드로 기반 Micromachines의 손쉬운 고 빠른 제작을 위해

Published: July 18, 2018
doi:
10.3791/56727
, , ,
1Molecular Engineering Laboratory, Biomedical Sciences Institute,Agency for Science Technology and Research, 2Department of Biomedical Engineering,Columbia University

Summary

UV crosslinkable hydrogels 처리 첨가제 제조 전략 개발 되었습니다. 이 전략 ﹙ 하이드로 겔 구조의 레이어, 레이어 조립 뿐만 아니라 저조한 자석 회전에 반응 하는 움직이는 구성 요소를 포함 하는 통합된 장치 독립적인 구성 요소, 어셈블리 허용 한다.

Abstract

폴 리 에틸렌 글리콜 (PEG)-기반된 hydrogels는 생체 hydrogels 인간에서 사용 하기 위해 FDA에 의해 승인 된. 전형적인 PEG 기반 hydrogels 간단한 단일 아키텍처 및 조직 엔지니어링 응용 프로그램에 대 한 자료를 발판으로 종종 기능 있다. 더 정교한 구조는 일반적으로 하 고 조작 시간이 오래 걸릴 이동 구성 요소를 포함 하지. 이 프로토콜 손쉬운 고 빠른 소 말뚝 구조 및 장치에 대 한 수는 포토 리소 그래피 방법을 설명 합니다. 이 전략 위쪽 레이어, 레이어 방식으로 구축 하 여 3 차원 구조의 급속 한 제조에 대 한 허용 하는 사내 개발된 제조 단계를 포함 한다. 독립적인 구성 요소 이동 또한 정렬 하 고 통합된 장치를 지원 구조 조립 수 있습니다. 이러한 독립적인 구성 요소는 superparamagnetic 산화 철 나노 입자를 자기 발동 하기와 마약에 취해. 이러한 방식으로 조작된 장치 외부 자석 운동 내에서 구성 요소를 사용 하 여 작동 수 있습니다. 따라서,이 기술은 정교한 MEMS와 같은 장치 (micromachines) 생체 히드로, 온보드 전원 없이 기능 수 중 완전히 구성 되어 작동의 연락처-이 방법에 응답의 제조 수 있습니다. 이 원고 제작 설치 뿐만 아니라이 hydrogels 기반 MEMS와 같은 소자의 제작에 대 한 단계적인 방법의 제조를 설명합니다.

Introduction

MEMS 장치는 특히 의료 기기 분야에서에서 다양 한 응용 프로그램을 발견 했다. 비록 그들은 많은 추가 기능 및 이러한 장치의 소형된 자연 있도록 implantables1,로 사용을 위한 매력적인2,3, 종종 이들이 소자는 고유의 안전 및 생체 적합성 문제, 그들은 인간의 몸 (예: 금속, 배터리 등)4,,56에 유해할 수 있는 물질의 구성. PEG 기반 hydrogels 액체 부 폴리머 네트워크 그리고 그들의 높은 생체 적합성7,8때문에 부속에서 크게 조직 엔지니어링 건설 기계 같은 애플리케이션에 자주 사용 되었습니다. PEG 기반 hydrogels 또한 인간9,,1011에 사용 하기 위해 FDA 승인 되었습니다. 그러나, 하이드로 겔의 물성으로 인해 그들은 할 하지 쉽게 견딜 전형적인 실리콘 기반의 제작에 사용 되는 기술 등 정상적인 제조 공정. 따라서, 히드로 기반 구조는 일반적으로 간단한 단일 아키텍처 제한 됩니다. 미크론 크기의 기능; 구조물 hydrogels의 제작에 현재 노력 결과 그러나, 이러한 구조는 종종 단일 레이어 및 단일 소재12,13 및 부족 구성 요소14,,1516이동.

이전 작품에서 우리 생체 PEG 기반 하이드로 겔 소재17의 전적으로 구성 된 micromachines를 날조를 위한 전략을 설명 합니다. 마이크론 크기의 기능 사진 평판 메서드를 사용 하 여 쉽게 날조 될 수 있다 그리고 이러한 구조는 위쪽으로 hydrogels 생산은 기판의 정확한 z 축 움직임에 의해 활성화 된 레이어, 레이어 메서드를 사용 하 여 건축 될 수 있다. 다른 작곡의 Hydrogels 서로 인접 한 날조 될 수 있다. 또한, 이러한 장치는 이동 구성 요소를 외부 자석을 사용 하 여 작동 될 수 있습니다. 이 다재 다능 한 기술은 또한 어떤 부드러운 소재 또는 사진 polymerizable은 히드로 처리 위해 적당 하다.입니다. 따라서,이 기술은 hydrogels 전적으로 구성 된 정교한 MEMS와 같은 장치를 조작 하는 데 적합 이다.

Protocol

1. 제작 단계 단계 및 PDMS 챔버 히드로 부품 생산 하는 자체 구성 된 제조 (그림 1) 설정에 조립. 제조 단계는 아크릴 가기, 트랙 및 채널 진공 연결, 마이크로 미터 헤드 진공 사용 단계에서의 조명 기구에 대 한 소유자 수 있도록 가공 했다 및 스레드 고정 전체 단계를 허용 하는 강철 포스트의 구성 에 스틸 안정화에 대 한 기본. 가공 진공 연결에 대 한 트랙을가지고 하는 아크릴 조각으로는 마이크로미터의 머리를 수정 합니다. 진공 연결 PDMS 챔버를 누른 하 고 유연한 막 PDMS 챔버 내 이동 사용자를 수 있습니다. 빛의 입사 각도 단계 (보충 그림 1)의 수평 평면에 수직이 되도록 UV 광원 (320-500 nm) 제조 단계 위에 위치. 2. PDMS 약 실 및 그것의 “제로” 수준 결정의 제조 PDMS 챔버는 hydrogels을 생산 것을 확인 (하십시오 그림 1A, PDMS 챔버 참조). 유리 coverslip 보 세는 유연한 막으로 잘 PDMS이 약이 실에 의하여 이루어져 있다. 유연한 PDMS 막에 접착 유리 coverslip hydrogels (2.1.7 단계)의 접착을 방지 하기 위해 추가 처리 됩니다. 9 부분 PDMS 기반 에이전트 혼합물 (무게)에 의해 경화 1 부분을 준비 합니다. 기본 및 경화 에이전트는 잘 혼합 되도록 유리 막대와 잘 저 어. 공기 방울을 제거 하려면 1000 x g에서 원심. 신중 하 게 두꺼운 층 (3 m m) 및 얇은 레이어 (~0.2 m m)을 2 개의 유리 접시에 PDMS 혼합물을 부 어. PDMS 가득 접시 평면에 배치, 평면 및 치료 실내 온도에 또는 오븐에서 30 분 동안 최소 75 ° c.에 설정 온도와 하룻밤참고: PDMS의 얇은 층이 쉽게 이동할 수 있습니다부터 z-방향으로 마이크로미터 나사 게이지에 의해 유연한 레이어 생성 보장으로 PDMS 챔버의 필요 합니다. PDMS 층 평면 및 수준 균일 한 두께의 생산 히드로 레이어는 되도록 해야 합니다. PDMS는 완전히 치료 후 메스 블레이드 또는 주머니칼을 사용 하 여 두꺼운 층으로 4 cm 직경 원형 잘라. 유리 페 트리 접시에서에서 두꺼운 PDMS 레이어를 벗기다. 두꺼운 PDMS 층을 배치 (밑면까지)와 플라즈마 오븐에 (아직도 유리 페 트리 접시)에 얇은 PDMS 층. 플라즈마는 PDMS 박막의 상단 측면에 두 PDMS 레이어 (30 s, 공기 플라즈마) 및 채권 두꺼운 PDMS 층의 밑바닥 측을 취급 합니다. 유리 원형 잘 유연한 막 기본을 형성 하는 얇은 층으로 형성 하 페 트리 접시에서에서 보 세 조각을 제거 합니다.참고: 유리 페 트리 접시에서에서 보 세 층의 제거, 이전 두 보 세 레이어는 레이어 결합을 장려 하기 위해 95 ° C에서 뜨거운 접시에 배치할 수 있습니다. 플라즈마 본드 (제 2 호, 22 x 22 mm) 유리 coverslip 유연한 PDMS 막;의 상단 측면 플라즈마는 유연한 막 막에 접착 시키는 기본의 30 s (공기 플라즈마) 및 장소 상단 측면 접촉 유리 coverslip 4 단계에서 유리 coverslip 및 PDMS 챔버를 취급 합니다. 30 분 이상; silanize trichloro (1 시간, 1 시간, 2 시간, 2 H perfluorooctyl) 실 란 (PFOTS)와 PDMS 챔버 증기 PFOTS의 60 µ L로 작은 페 트리 접시를 함께 진공 desiccator에서 PDMS 챔버를 놓고 봉인된 desiccator 중앙 연구소 진공 시스템에 연결 합니다. 적어도 30 분 동안 진공 시스템에 연결 된 desiccator를 둡니다. 진공 물개는 desiccator의 생성 되는 PFOTS의 물방울 “거품” 5-10 분 후 확인 합니다. PDMS 챔버의 증기 silanization 형성된 하이드로 겔의 손쉬운 제거 레이어 및 장기간된 사용 후 유리 표면에 못 hydrogels 생산의 강한 접착을 방지 수 있습니다. PDMS 챔버의 “0” 단계를 확인 하려면 진공 활성화 단계 (실험실 중앙 진공 시스템에 연결)에 놓습니다. PDMS 챔버를 부정적인 압력을 적용 합니다. PEG 하이드로 겔 구조가 PDMS 챔버 (그림 1A, 제조 영역) 내에서 생산 될 것입니다. 잘 다루고 치료 유리 coverslip을 PDMS 챔버 위에 놓습니다. 최고의 유리 coverslip (최고 기판)와 하단 유리 coverslip (하단 기판) 사이의 거리는 PDMS 챔버 내에서 형성 되는 하이드로 겔 층의 두께 정의 합니다. 마이크로 미터 헤드를 사용 하 여 밀어 하단 기판 위로 가기 기판에 접촉 될 때까지. 사용 하 여 읽기 마이크로 미터 헤드에 PDMS 챔버의 “제로” 수준으로, 참조로 생산 하이드로 겔 층의 두께 정의할 때. 3. 포토 마스크 디자인 히드로 마이크로 구조의 Photopolymerization에 대 한 포토 디자인, CAD 소프트웨어를 사용 합니다. 히드로의 독특한 각 계층 구조는 디자인 날조 될 것입니다. 이 프로토콜을 사용 하 여 조작 예제 장치 그림 2 를 참조 하십시오. 그림 2 는 3D이이 소자의 구조도 이러한 개별 계층의 제작을 위해 설계 된 포토 뿐만 아니라 조작에 해당 레이어. 어두운 분야에 디자인 포토 기능 수 생산을 투명 해야 이며 배경 불투명 (그림 2 C, 보충 그림 2). 제조 과정은 포토의 맞춤을 촉진 하기 위하여 포토 마스크 디자인으로 통합 맞춤 표시 합니다. 가능한 가장 높은 해상도 높은 픽셀 밀도에서 투명도 포토로 디자인을 인쇄 합니다. 4. Hydrogels의 접착을 방지 하기 위해 유리 Coverslips의 치료 Polymerized 못 hydrogels를 격퇴 하는 표면, 만들려고 유리 coverslips는 PDMS의 얇은 층으로 입힌 다. PDMS (경화 에이전트 비율을 9:1 자료)를 준비 하 고 기포를 제거 하려면 1000 x g에서 원심. 청소 유리 coverslips에 PDMS의 얇은 코트를 적용 하 고 오븐 내에서 플랫, 레벨 표면에 치료를 두고 (> 75 ° C, 30 분). 5. 레이어-의해-레이어 제작 Hydrogels: 최고 봉인 레이어 및 하단 지원 구조 이후 형성된 장치를 봉인 하는 데 사용 됩니다 히드로 레이어를 만들려면 “뚜껑”으로 유리 coverslip (2 호)에의 한 치료 부분을 사용 하 여 PDMS 챔버에 대 한. 이 “뚜껑” 최고 기판 이라고 합니다. 장치의 “제로” 수준에서 starting 하단 기판 마이크로 미터 헤드를 원하는 높이 사용 하 여 낮은. 위쪽 및 아래쪽 기판 사이의 거리는 첫 번째 하이드로 겔 층 (Z1, 그림 3A)의 두께 정의합니다. PEGDA prepolymer의 작은 볼륨을 입금 (예를 들어, 1 0Da PEGDA의 혼합물 Darocur 1173), 하단 기판 커버 하기에 충분. 최고 기판 PDMS 챔버에 배치 합니다.참고: 위쪽 및 아래쪽 기판 사이 갇혀 아무 공기 방울을 중요 하다. (그림 2C (i)) 최고의 기판 위에 원하는 디자인으로 포토 마스크를 배치 합니다. 전체 최고 기판 접촉 및 아래쪽 기판에 정렬 마스크 인지 확인 합니다. (1 단계, 그림 3A) 포토 마스크를 통해 자외선을 히드로 prepolymer를 노출 합니다. 보장 노출 주변 지역에 길 잃은 UV 빛 노출 방지 밀폐 된 공간 내에서 이루어집니다.주의: UV 보호 (예를 들어, UV 고글) 착용 시스템을 운영 하는 경우.참고: 전원 및 노출의 기간 UV 시스템 및 PEGDA prepolymer 사용의 종류에 따라 다릅니다. 예를 들어 200 W UV 램프 및 99%에 대 한 PEGDA (400 다 1 %photoinitiator (v/v)와 PEGDA) 중합체 솔루션 램프 전력 16% (~2.3 W/c m2에 해당) 설정 하 고 완벽 하 게는 hydrogels 4 초 이내에 치료. 노출의 기간 램프 전력 감소 및 사용 prepolymer의 PEG 사슬 길이 증가 함께 증가 한다. 하이드로 겔 레이어 생산 되었습니다 후 PDMS 상공에서 최고 기판을 들어올립니다. Polymerized 레이어 가기 기판 (1 단계, 그림 3A인세트)에 준수 해야 됩니다. 이 준수 레이어 조립된 장치를 밀봉 하기 위하여 나중에 사용 하기 위해 예약. 빛에서이 polymerized 레이어 방패.참고: 멀리 빛이 polymerized 레이어를 유지 하 고 밖으로 건조 및 균열에서 레이어를 방지 하기 위해 초과 uncrosslinked prepolymer와 젖은. 하단 지원 구조를 만들려면 PDMS 챔버의 최고 기판으로 PDMS 코팅 유리 coverslips를 사용 합니다. 아래쪽 기판에 더 많은 히드로 prepolymer 보증금과 PDMS 코팅 유리 coverslip로 잘 PDMS를 커버. 이것은 polymerized 레이어 하단 기판, 사용자는 위쪽으로 레이어를 구축 (2 단계, 그림 3A)에 유지 되도록. 5.1.4-원하는 포토 마스크 디자인 (그림 2 c (iii)) 5.1.5 단계 반복 합니다. 더 많은 PEGDA prepolymer 최고 기판 제거 더하고 하단 기판 마이크로 미터 헤드를 사용 하 여 원하는 수준으로 낮은. 이 레벨의 생산 (Z2, 3 단계, 그림 3A) 하이드로 겔 2nd 층의 두께 일치 해야 합니다. 커버 최고 기판 (PDMS 코팅 유리)와 잘 PDMS 고 5.1.4, 5.1.5 단계를 반복 합니다. 으로 원하는 사용 하 여 5.2.1 단계와 단계 5.2.2 원하는 지원 구조는 형성 될 때까지 지속적으로 하이드로 겔의 층을 구축. 6. 조립 및 히드로 기반 장치를 씰링 하려면 조립 및 봉인 장치, 먼저 가기 기판 (PDMS 코팅 유리) 제거와 핀셋의 쌍을 사용 하 여, 미리 형성 된 하이드로 겔에 구성 요소 (예: 기어, 철 실수로 구성 요소) (부분 (i), 4 단계, 그림 3A 지원 구조 ).참고: 영구 자석 (산화 철 제조 단계에 대 한 구성 요소 하이드로 겔의도 핑 참조) 어떤 철 실수로 구성 요소 정렬에 사용할 수 있습니다. 밀봉 장치, 먼저가지고 하단 기판 조립된 장치 마이크로미터 나사 게이지를 사용 하 여 최종 원하는 높이를 합니다. 이것은 레이어, 내부 구성 요소 및 구성 요소 (Z4, 5 단계, 그림 3A) 이동에 대 한 주어진 어떤 클리어런스의 두께 고려 하는 장치의 최종 높이 이어야 한다 장소는 미리 형성 된 하이드로 겔 레이어 부분적으로 조립된 장치 (부 (ii), 4 단계, 그림 3A)에 5.1에서 치료 유리 coverslip에 준수 됩니다. 신중 하 게 아래 구조에 올바르게 정렬 되는 미리 형성 된 레이어를 놓습니다. 장치의 씰링에만 보호 하는 UV 노출에서 구성 요소를 이동 하는 인테리어 포토 마스크를 배치 합니다. 움직이는 구성 요소 작동 하는 동안 그들의 움직임을 방지 장치의 가장자리를 생산 하지는 확인 하십시오. 자외선 ((i) 부분, 5 단계, 그림 3A)에 전체 구조를 노출 합니다. 제조 단계에서 유리 coverslip을 들어올립니다. 봉인된 장치 ((부 (ii), 5 단계, 그림 3A) 최고 기판에 준수 해야 합니다.참고: 경우 장치 아래쪽 기판에 준수, 조심 스럽게 한 쌍의 (비-톱니) 핀셋 평면 절삭 또는 편평한 주걱으로 장치를 들어올립니다. 진공 흡입을 사용 하 여 초과 unpolymerized PEGDA를 조심 스럽게 제거 하 고 평평한 핀셋 또는 편평한 주걱의 쌍을 사용 하 여 유리 coverslip에서 장치를 조심 스럽게 들어올립니다. 디 물 또는 생리 식 염 수로 장치를 놓습니다. Hydrogels는 솔루션에서 팽창. 장치 솔루션 및 장치 및 내부 구성 부품의 확장 있도록 30 분 이상 둡니다.참고: 장치가 vivo에서 이식에 사용할 경우, 그것은 린스와 어떤 uncrosslinked prepolymers에서 리치는 것이 중요. 이것은 장치 (적어도 3 린스) 매 시간 마다에서 incubated 솔루션을 변경 하 고 떠나 장치 솔루션에서 하룻밤, 그리고 떨어져 rinsing 더 솔루션 여 행 해질 수 있다. 적어도 30 분 동안 디 물 또는 진공 챔버 (중앙 연구소 진공 시스템에 연결 된) 내 식 염 수로 채워진 페 트리 접시 내 장치를 배치 하 여 장치 내에서 공기를 제거 합니다. 이 소자의 기체 제거 귀 착될 것 이다 하 고 부정적인 압력 제거 되 면 장치 솔루션으로 가득 합니다.참고: 유지 장치 화/솔루션 항상. 장치가 균열 수 건조 남아 있어야. 7. 산화 철 하이드로 겔 성분의도 핑 1% photoinitiator PEGDA 중합체 솔루션 준비 (예: 99% (v/v) PEGDA (400 다) 1% Darocur 1173). 산화 철 (II, III)의 5% (w/v) 솔루션을 만들이 중합체 솔루션을 사용 하 여 나노 솔루션. 그리고 산화 철 나노 입자의 5 밀리 그램을 무게 PEGDA prepolymer의 100 µ L를 추가. 피 펫 아래로 하 고 균일 한 혼합 되도록 소용돌이. 나노 입자는 나노 시간이 지나면서 앙금으로 각 사용 하기 전에 PEGDA prepolymer 내 분산 homogenously는 확인 하십시오. 산화 철-PDMS 챔버의 아래쪽 기판에 PEGDA 중합체 혼합물의 작은 볼륨 플라스틱 아래쪽 기판에 형성된 된 hydrogels 유지 되도록 최고 기판 (PDMS 코팅 유리)와 잘 PDMS를 커버. 하단 기판 마이크로 미터 헤드를 사용 하 여 원하는 높이 가져.참고: 철 산화물 첨가 PEGDA의 얇은 층 (200 µ m) 각 단일 노출으로 생산 한다. 이것은 자외선의 침투의 깊이 감소 빛으로 산화 철 나노 입자는 불투명 하 고 흡수 하 고 자외선을 차단할 수 있습니다. 움직이는 구성 요소 내에서 산화 철을 첨가, UV 빛 (그림 4(i))도 핑된 prepolymer 철 산화물의 얇은 층을 노출 하는 세그먼트의 모양을 정의 하는 포토 마스크를 사용 하 여.참고: UV 노출 시간 수 있도록 철 실수로 세그먼트 완전히 상호 링크 (~ 10 초) 증가 되어야 합니다. 하단 기판 낮은 고 건물 얇은 층에서 철 첨가 세그먼트를 원하는 높이 만큼 (그림 4(ii)) 때마다 6 단계를 반복 합니다. 총 5 층 1 m m 높이 철 실수로 세그먼트를 생산 한다. 철 첨가 세그먼트 완료 (그림 4(iii)) 후에, 진공 흡입을 사용 하 여 모든 초과 철 실수로 prepolymer를 제거 합니다. 제조 단계에서 철 첨가 세그먼트를 제거 하지 마십시오. (Undoped) polymerized 철 실수로 세그먼트에 PEGDA prepolymer를 입금. 완료 해야 하는 구성 요소의 최종 높이 아래쪽 기판가지고. 최고 기판 (PDMS 코팅 유리)와 잘 PDMS를 커버. 움직이는 컴포넌트의 전체 모양을 정의 하는 포토 마스크를 사용 하 여 철 실수로 세그먼트, UV 빛 (그림 4(iv))로 서 PEGDA prepolymer 노출. 최고 기판 제거 하 고 초과 unpolymerized PEGDA prepolymer 진공 흡입을 사용 하 여 제거 합니다. 도 핑된 산화 철 세그먼트와 말뚝 구성 요소 아래쪽 기판에 있어야 합니다. 부드럽게 핀셋의 쌍을 사용 하 여이 구성 요소를 들어올립니다. PEG 기반 장치 (부분 (i), 4 단계, 그림 3A)의 지원 구조에 어셈블리에 대 한이 철 실수로 구성 요소를 보유 합니다. 빛에서이 구성 요소를 보호 하 고 그것은 사용 하기 전에 uncrosslinked prepolymer와 유체 유지. 8입니다. 조립된 장치 작동 참고: 조립된 장치 내에서 철 첨가 부품 네오디뮴 (N52 강도) 등 강력한 영구 자석을 사용 하 여 이동 작동 수 있습니다. 이 자석 강자성 재료에 아주 강하게 끌리는 대로 위험을 곤란 하지 않도록 주의 해야 합니다. 네오디뮴 자석을 아래 또는 1-2 cm는 장치에서 내 장치 위에 놓습니다. 자석 이동 하는 동안 산화 철도 핑된 구성의 움직임 자석의 움직임을 그림자 해야.참고: 액추에이터 세워질 수 있다 자석으로 연결 된 모터를 사용 하 여. 모터의 회전 철도 핑된 구성의 회전 작동 허용 합니다.

Representative Results

그림 3B hydrogels 제작 설정 사용 하 여 생산의 레이어의 이미지를 보여줍니다. 그림 3B (i)는 조작된 400 µ m 두께 기본 레이어를 600 µ m 조리개와 보여줍니다. 그림 3B (ii)는 추가 2를 보여줍니다; 기본 레이어 위에 레이어 된 레이어 500 µ m 키 큰 경계 하 고 중간에서 800 µ m 높이 차축. 이 세 계층에 대 한 총 제작 시간 3 분 미만 각 계층 및 하단 기판의 높이 포토의 맞춤을 조정 하는 데 걸린 시간에 대 한 노출의 4 초를 고려 했다. 동일한 제작 설정에 수행 하는 이전 작업 100 µ m로 높은 해상도로 다양 한 디자인을 날조 될 수 있다 보여줍니다. 하이드로 겔 구성 요소 산화 철 나노 입자와 쉽게 실수로 수 또한. 노출 시간 산화 철 나노 입자를 완전히 생산 수와 마약에 취해 PEGDA prepolymers의 얇은 레이어 (200 µ m)를 보장 하기 위해 최적화 되었다. 그림 5A 는 생산 수에 산화 철 세그먼트의 모양을 정의 하는 데 사용 하는 포토 마스크를 보여 줍니다. 유엔도 핑 PEGDA prepolymer UV 노출의 4 초 이내에 완벽 하 게 생산 될 수 있습니다. 그러나, 산화 철도 핑된 prepolymer UV 4 초 노출 되었다 때 결과 하이드로 겔은 하지 완전히 생산, 그림 5C에서 볼 수 있습니다. 생성 된 세그먼트 (완벽 하 게 상호 연결 된 세그먼트 그림 5B참조),이 비해 얇은 고 가장자리는 포토 마스크에 의해 정의 된 모양에 비해 손상된 충실도 아니었다. 10 초의 자외선 노출 하는 데 필요한 완벽 하 게 크로스 연결 산화 철 세그먼트 및 그림 5B 보여줍니다; 생성 된 산화 철 세그먼트 철 산화물 생산 세그먼트 직선 가장자리, 전체 두께 (200 µ m)의 고 모양 충실도 (그림 5A) 포토 마스크에 비해 밀접 하 게 유지 됩니다. 반대로, 노출 오버 (> 15 초) 자외선에 생성 된 산화 철 세그먼트를 이상 생산 했다. 그림 5D 이상의 생산 가난한 모양 충실도 가지 며는 포토 마스크에 의해 정의 된 모양을 보다 더 큰 세그먼트를 보여 줍니다. 그림 6A 정렬 표시와 포토를 활용 하 여 적절 한 맞춤으로 씰링 후 완전 한 장치를 보여 줍니다. 장치 내의 기어 장치의 중앙 무효 내 이며 따라서 자기 발동에 반응. 그림 6B 고르지 봉인 레이어와 장치를 보여 줍니다. 그림 6 c 히드로와 검은 윤곽선으로 해명 자체 기어 아래쪽 레이어를 표시 하 고 그림 6D 흰색 윤곽선에 해명 최고 하이드로 겔 층의 고르지 씰링 보여줍니다. 마찬가지로 그림 6D, 어디 합 기어 하이드로 겔 소재의 대량에 고정 되 고의 부분에 (에 표시 된 빨간 칠) 씰링 결과 동안 자리를 차지할 것 이라고 하는 지역 내에 있는 장비 부분에서에서 볼 수 있습니다. 이 작동 하는 동안 이동에서 기어를 방지할 수 있습니다. 그림 7 에 조립 되었다 기능 단일 기어 장치 (총 제작 시간 ~ 15 분). 소자의 총 두께 2mm 이며 소자의 가장 긴 차원의 13 m m. 장치의 위쪽과 아래쪽 레이어 두께가 400 µ m 이며 기어는 1 m m의 높이. 이 디자인 운동에 대 한 수 있도록 기어 위쪽 및 아래쪽 표면에 100 µ m 클리어런스에 대 한 수 있습니다. 장치의 상위 대부분 레이어는 600 µ m 조리개 이며 장비에 대 한 차축 직경에서 400 µ m. 그림 5B (vi)를 통해 (i)에서 산화 철 세그먼트의 위치 변화에서 관찰 될 수 있다, 전체 회전 기어 수행 되도록 자석으로 작동은 때 소자의 이미지를 보여줍니다. 그림 1 . Micromachines 히드로-기반에 대 한 제작 설정. 제작 무대의 A) 회로도 이 회로도 hydrogels 제조 영역 내에서 형성 되는 PDMS 챔버, 진공 사용 단계는 PDMS 챔버 아래로 보유로 연결 하는 유연한 막 제작 설정의 다양 한 구성 요소 표시를 마이크로미터 헤드 높이 제어, 그리고 치료 되거나 PDMS 코팅 유리 coverslip로 구성 된 최고의 기판에 대 한. B) (PDMS 챔버) 없이 제작 무대의 최고 보기의 회로도 UV 광원은 빛의 입사 각도 제작 단계 (그림에는 표시 되지 않음)의 수평 평면에 수직이 되도록에 배치 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 2 . 싱글 기어 히드로 기반 장치와 각 레이어에 사용 되는 포토의 도식. A) 회로도의 상단-및 간접-보기의이 전략을 사용 하 여 날조 될 수 있다는 전형적인 히드로 기반 장치 자기 제어는 철 실수로 세그먼트를 포함 하는 단일 기어가이 장치에 의하여 이루어져 있다. 개별 레이어 및 장치 구성 요소 B) 회로도 톱 씰링 레이어 (i), 지원 구조 철 첨가 장비와 벽의 장치 (ii)로 아래 레이어 (iii)에 대 한 게시물 등이 단일 기어 장치에 의하여 이루어져 있다. C) 포토 마스크 디자인 단일 기어 장치를 조작 하는 데 사용. 포토는 설계 다크 필드; 원하는 기능 배경에 어두운 투명 남아 있습니다. 이 패널에 해당 상위 레이어 (i), 지원 구조 (ii)와 아래쪽 레이어 (iii)를 씰링 하는 포토 마스크 디자인을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 3 . 하이드로 겔 기반 micromachines의 레이어, 레이어 사진 평판. PDMS 챔버의 제조에서 장치 제조에 대 한 단계별 과정의 A) 회로도 1: 작은 양의 PEGDA prepolymer PDMS 챔버 (하단 기판)의 유연한 막에 접착 유리 coverslip에 pipetted. 치료 유리 coverslip 조각 최고 기판으로 사용 되 고 있는 포토 마스크가 최고 기판 위에 배치 됩니다. 하단 기판의 높이 마이크로미터 헤드를 사용 하 여 원하는 높이 (Z1)에 오게 됩니다. 하이드로 겔 prepolymer 다음 UV는 포토 마스크를 통해 빛에 노출 됩니다. 최고 기판 PDMS 챔버와 남아 최고 기판 (삽입 된)를 준수 하는 히드로 다음 해제 수 있습니다. 이 레이어 다음 나중에 사용 하도록 예약 되어 있습니다. 2: 1 단계를 반복 하지만 최고의 기판 지금 PDMS 코팅 유리 대체. Polymerized 히드로 아래쪽 기판에 준수 상태로 유지 됩니다. 3: 하단 기판의 높이 낮 췄 다 (Z2> Z1) 더 많은 prepolymer 제조 영역에 추가할 수 있습니다. 두 번째 포토 마스크 사용 되 고 있는 prepolymer 다시 한번 자외선에 노출 되. 4: 3 단계를 반복 수 (Z3 > Z2)까지 원하는 지원 구조가 만들어집니다. (i) 지원 구조 완료 되 면 최고 기판 제조 영역에 미리 형성한 하이드로 겔 구성 요소 (예: 철 실수로 기어)의 도입에 대 한 액세스 수 있도록 제거할 수 있습니다. (ii) 일단 미리 형성한 구성 요소는 배치 하 고 제대로 정렬, 1 단계에서에서 하이드로 겔 층은 조립된 구조 위에 고 정렬 수 있습니다. 5: 모든 레이어 UV 장치의 가장자리 물개 포토 마스크를 통해 빛에 노출 됩니다. (i) 봉인 단계 동안 내부 구성 요소는 추가 UV 노출에서 차폐 된 전체 장치 물개. (ii) 봉인된 장치 최고 기판에 우선적으로 준수 것으로 해제 제조 약 실에서 다음 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 4 . 산화 철 나노 하이드로 겔 성분의도 핑에 대 한 단계. (i) 자외선 히드로 기어에서 철 산화물 첨가 세그먼트를 정의 하는 포토 마스크를 통해 노출 됩니다. (ii) 가늘게 (200 µ m) 레이어 철 산화물 첨가 하이드로 겔의 각 시간을 생산 이며 서로 스택. (iii) 얇은 레이어의 레이어 1 m m의 총 높이 세그먼트를 만듭니다. 이 세그먼트는 제조 레이어 남아 있습니다. (4) 취소도 핑 prepolymer는 다음 제조 지역으로 예치 하 고 장비의 완전 한 모양을 정의 하는 포토 마스크 다음 교차 연결 하는 동안 사용 됩니다. 철 산화물 첨가 세그먼트와 완전 한 기어 형성 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 5 . 철 산화물 첨가 히드로 구성 요소 Photopolymerization. A) 산화 철 나노 입자를 첨가를 기어 세그먼트의 포토 마스크. B) 철 분 산화-실수로 히드로 최적 생산 (10 s 노출) 되었습니다. C) 산화 철 실수로 히드로에서 생산 (4 s 노출) 되었습니다. D) 철 분 산화-실수로 히드로-생산 (20 s 노출) 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 6 . 장치의 씰링 동안 하이드로 겔의 정렬 레이어. A) 이미지 무료 이동 하이드로 겔 층의 정확한 줄 맞춤을 보여주는 즉 기어 장치의 무효 내. (B, C 및 D는 동일한 장치만 강조 하는 다른 레이어와 이미지) 고르지 히드로 레이어와 B) 이미지 표시 장치. C) 동일 (B) 에서처럼 이미지 하지만 검은 윤곽선으로는 올바르게 정렬 됩니다 레이어 elucidating 하단. 기어는 아래쪽 레이어 내에서 올바르게 배치 됩니다. D) 동일 (B) 에서처럼 이미지 하지만 히드로의 고르지 상위 계층을 표시 하는 흰색 윤곽선. 기어 부분적으로 봉인 단계 생산 되는 고 기어 (빨간 칠)의 부분 장치의 대량 물자에 고정 되었습니다. 이 장치를 작동 하지 않는 렌더링합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 7 . 단일 기어 히드로 기반 micromachine의 개폐. A) 조작된 장치를 보여주는 이미지입니다. B) 작동 시 기어의 다른 방향을 보여주는 이미지. (i)에서 초기 방향 (0 °), 장비 (ii) 60 °, (iii) 120 °, (iv) 180 °, (v) 240 °, 및 300 ° 회전 합니다. 눈금 막대는 1 m m 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 8 . Micromachines 히드로-기반에 대 한 다양 한 디자인의 다양 한 제작. 단일 저수지에서 약물의 방출 제어 A)는 간단한 게이트 밸브. 철 산화물 첨가 하이드로 겔 성분의 선형 운동 확산을 통해 밖으로 가상 약물과 콘센트 문. B) A 문이 여러 저수지에서 약물의 방출 제어 선형 매니폴드. 각 저수지 가상 약물과 철 산화물 첨가 구성 요소 게이츠의 운동 외관을 밖으로 이러한 약물의 확산에 대 한 허용 하는 하이드로 겔의 창을 통해이 저수지에서 약물의 움직임을 포함 합니다. C) 축에 대해 회전 작동 될 수 있는 간단한 회전자. 제네바 드라이브에 따라 D)는 세련 된 디자인. 핀 구동 기어는 더 큰 구동된 기어 하 고 간헐적인 움직임; 생산 수 운전 장비의 전체 회전 구동된 기어 60 ° 회전. 모든 규모 막대기는 1 m m 이다. 턱, S. Y. 그 외 첨가제에서에서 다음-세대 이식 재 의료 장비에 대 한 하이드로 겔 기반 재료의 제조. 과학 로봇입니다. 2 (2), (2017)입니다. AAAS17에서 허가로 증 쇄. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Discussion

이 기술은 하이드로 겔 마이크로 구조의 레이어, 레이어 포토 리소 그래피에 대 한 신속 하 고 손쉬운 방법 이다. 접근을 제조 하는 첨가제를 사용 하 여 쉽게 다양 한 생체 재료의 3 차원 구조를 구축 하 고 심지어 움직이는 부품을 통합 수 있습니다 우리. 이 따라서 완전히 생체 렌의 형성을 활성화 것. 기술은은 마이크로 미터 헤드를 통해 하단 기판의 높이의 정확한 제어도 사용 되는 리소 그래피 단계의 간단한 반복을 기반으로 합니다. MEMS 산업에 사용 되는 전통적인 제조 기법, 가혹한 포함 처리 기술과 희생 재료, 종종 호환 되지 않습니다 부드러운 hydrogels의 처리와 함께. 3D 인쇄 hydrogels 압출 기반 방법, 같은 다른 방법 200 µ m 이상의 공간 해상도로 제한 되며 m m/s 이동 부품18,19를 포함 하지 않는 간단한 구조에 대 한 인쇄. 스테레오 리소 그래피 (SLA) 및 아마 더 나은 해상도 하지만 또한 많은 설치 costlier 달성할 수 있을 기반 디지털 조명 프로젝트 (DLP) bioprinters. 이러한 제조 전략은 또한 쉽게 소개 하 고 완성 된 장치에서 제거 하기 어려울 수 있는 기판 재료 지원 없이 돌출부를 인쇄할 수 없습니다. 우리는 정렬 하 고 마지막 단계로 완성 된 장치를 조작된 지원 구조를 미리 형성 된 봉인 레이어를 polymerizing 하 여 이것을 포위. 제작 설정의 디자인 조립된 구조를 사용자 편리를 제공 하 고 정렬 마크를 사용 하 여 다양 한 부품의 쉬운 정렬 허용 합니다.

여기에 제시 된 전략은 또한 유사한 해상도;의 다른 기술 보다 훨씬 빨리 회전 장치 시연된 제작에 대 한 총 시간은 약 15 분입니다. 다른 활용이 제조 전략, 하지만이 프로토콜에서 설명 아니지만 우리의 이전 작품17에 표시 된 사용자에 대 한 능력을 신속 하 게는 작은 볼륨에서 할 수 있는 단계 사이 사용 하는 폴리머의 유형을 쉽게 변경할 추가 . 이 방법에서는, 하나 hydrogels 여러 종류의 합성 하는 장치를 만들 수 있습니다. 또한이 전략을 사용 하 여 조작 하는 장치는 비접촉 식 개폐의 추가한 이점이 기어 들어 자기 발동에 민감한 장비를 렌더링 하는 산화 철 나노 입자를 첨가 하 고 따라서 외부를 사용 하 여 작동 수 있습니다 세그먼트 자석입니다. 또한, 장치는 전적으로 생체 이며 따라서 안전 하 게 이식 비보에있을 수 있습니다.

이 기술의 중요 한 특징은 우선적으로 준수 하거나 하단 또는 상단 유리 기판 polymerized 하이드로 겔을 물리칠 수 있는 다른 유리 기판의 치료. 치료 유리의 조합 PFOTS 처리 유리 표면 (하단 기판)와 함께 사용 됩니다, 그들은 PFOTS 처리 유리의 불 표면에서 격퇴 형성된 hydrogels 치료 유리, 우선적으로 준수 것입니다. 반대로, PDMS 코팅 유리 PFOTS 대우 하단 기판 사용, hydrogels PDMS 표면 더 강하게 격퇴 형성된 hydrogels PFOTS 처리 표면에 남아 있을 하는 경향이 것입니다. 이 기능은 위쪽으로 구축, 그들은 유리 기판에 움직일 시간, 나중에 다른 구조를 맞춤 예약 수 있습니다 또는 심지어 아래쪽으로 구축 되도록 hydrogels 준수 하나 있습니다. 이 기술과 유형의 날조 될 수 있다 디자인의 유연성에 추가 뿐만 아니라 설립 및 독립, 자유 이동 히드로 구성 요소 씰링.

레이어, 레이어 제작 도중 사용 중 합 시간을 최적화 하는 것이 중요 하다. 그들은 형성 하는 포토 마스크에 의해 정의 된 모양에 비해 높은 충실도에서 뿐만 아니라 전체 두께 Hydrogels 최적으로 상호 링크 해야 합니다. 이 하이드로 겔 사용의 유형과 램프의 능력에 따라 달라 집니다. 이 프로토콜에 표시 되지 않지만 중 합 시간 증가 램프 전력 감소와 페그 체인 길이 증가 하 고 사용 하는 PEGDA의 농도 감소와 함께 증가. Photopolymerization, 산화 철 나노 입자 (그림 4)의 추가 때문 prepolymer의 불투명도에 변화 등에 사용할 수 있는 에너지의 양을 영향을 주는 다른 요인에는 중 합에 영향을 줍니다. Cross-linking 다른 히드로 작곡에 대 한 조건에 대 한 최적화 따라서 장치의 제조 과정의 시작 하기 전에 필요 합니다.

맞춤 표시는 포토를 사용 하 여 및 하이드로 겔 층, 특히 마지막 봉인 레이어, 적절 한 정렬 적절 한 씰링을 수행 하 고 내부 구성 요소를 실수로 복사해올 있습니다 중요 하다는 제조 과정에서 주변 지원 구조입니다. 이 자유롭게 자기 작동 하는 동안 이동에서 이러한 구성 요소를 방지할 것 이다. 그림 5에서 보듯이, 레이어 및 포토 마스크 씰링 고르지 상위 결과 가교 장치 자체의 대량 물자에 기어 부분의 고정. 그 결과, 자석으로 작동 하는 때이 기어 회전 하지 않습니다.

네오디뮴 자석 같은 강력한 영구 자석을 사용 하는 장치를 작동 수 있습니다. 이 자석 강자성 재료에 가까운 거리에 있을 때 강한 자기력을 생성 하 고 부상을 방지 하기 위해 주의 기울여야 한다. 자석 장치; 만남 없이 이동 하는 장치를 작동 수 있습니다. 자석 개최 하거나 장치에서 ~ 1 cm 배치 될 수 있습니다. 철 첨가 부품의 움직임 자석의 움직임을 반영 해야 합니다 이동 지속적으로 작동 하거나 간헐적으로 원하는 지향 될 수 있습니다. 장치를 수동으로 작동 수 있습니다 또는 작동 설정 사용할 수 있습니다. 자석 회전 운동에 어떤 액추에이터 (예: 서보 모터)에 연결할 수 있습니다. 자석의 회전의 속도 및 따라서 철 실수로 구성 요소의 회전 속도 제어할 수 있는 마이크로컨트롤러를 사용 하 여. 이 작동 하는 더 정확한 방법에 대 한 제공합니다.

그림 8 도식과이 동일한 기술을 사용 하 여 조작 된이 방법의 다양성을 설명 하는 이전 작품에서 다양 한 디자인의 이미지를 보여줍니다. 더 복잡 하 고 정교한 디자인에 제네바 드라이브 디자인 (그림 8D)에서 영감을 그릴을 간헐적으로 생산 하는 2 약혼 기어 구성 하는 밸브 (그림 8A)를 닮는 간단한 장치에서 이러한 설계 범위 운동입니다. 이 기술을 사용 하 여 생성 될 수 있는 가장 작은 기능 일반적으로 약 100 µ m 고 각 디자인은 여러 레이어 (3 ~ 6 층)으로 구성. ()와 함께 다른 기계적 강점을 다공성 하이드로 겔의 종류 또한 생산 하 고 서로 보 세 수 있습니다. 따라서, 하나는 쉽게 hydrogels 장치 내의 다른 구성 요소가 필요한 기능에 따라 장치 내에서 사용할 수의 종류를 결합할 수 있습니다.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 작품은 NSF 경력 수상, NIH R01 보조금 (HL095477-05), NSF ECCS-1509748 교부 금에 의해 지원 되었다. S.Y.C. 국가 과학 장학금 (박사), 과학, 기술 및 연구 (싱가포르)에 대 한 기관에 의해 수 여 되었다에 의해 지원 되었다. 사진 설정 및 장치에 대 한 제작 설정, 그리고 사이러스 W. Beh 구축 도움에 감사 키이 스 예 거 하 고.

Materials

Poly(ethylene glycol) (n) diacrylate [MW 400Da] Polysciences, Inc 01871-250 PEGDA reagent for prepolymer
Darocur 1173 Ciba Specialty Chemicals, Inc – Photoinitiator
Iron oxide (II, III) Sigma Aldrich 637106-25G  Iron oxide nanoparticles
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane Sigma Aldrich 448931 Fluorinated compound that is used to vapor silanize the PDMS chamber to prevent adhesion of hydrogel to the glass coverslip that is bonded to the flexible PDMS membrane with prolonged use of the PDMS chamber
Petri dish, glass Sigma Aldrich BR455743 Glass petri dishes for casting PDMS layers for forming PDMS chamber
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit (PDMS) Dow Corning 240-4019862 PDMS for fabrication chamber
Glass coverslips (No. 2), 50 x 45 mm Fisher Scientific FIS#12-543F Glass substrates that cover the fabrication chamber
Fisherbrand Straight Flat Tip Forceps 4.75in Fisher Scientific FIS#16-100-112 Tweezers for handling polymerized hydrogel layers/devices
Omnicure S2000 Cadence Technologies Pte Ltd 010-00148R UV lamp
5 mm Adjustable Collimating Adaptor Cadence Technologies Pte Ltd 810-00042 Collimator for UV lightsource
Photomasks CAD/Art Services Inc – Photomasks used to define hydrogel microstructures
Adobe Illustrator Adobe – Designing of photomasks
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References

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Chin, S. Y., Poh, Y. C., Kohler, A., Sia, S. K. An Additive Manufacturing Technique for the Facile and Rapid Fabrication of Hydrogel-based Micromachines with Magnetically Responsive Components. J. Vis. Exp. (137), e56727, doi:10.3791/56727 (2018).
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