مثبط لصناعة تقنية لتلفيق ميكروماتشينيس على أساس المائية مع مكونات مغناطيسيا استجابة سريعة وسهلة
Summary
وقد وضعت استراتيجية تصنيع مضافة لتجهيز الهلاميات المائية كروسلينكابل الأشعة فوق البنفسجية. هذه الاستراتيجية تسمح للجمعية طبقة بطبقة من الهياكل المائية ميكروفابريكاتيد، فضلا عن تجميع مكونات مستقلة، تسفر عن الأجهزة المتكاملة التي تحتوي على مكونات المتحركة التي تستجيب ليشتغل المغناطيسية.
Abstract
البولي إثيلين غليكول (شماعة)-هي أساس الهلاميات المائية متوافق حيويا الهلاميات المائية التي أقرتها إدارة الأغذية والعقاقير للاستخدام في البشر. وقد الهلاميات المائية النموذجية القائمة على شماعة أبنية متراصة بسيطة وغالباً ما الدالة كسقالات مواد النسيج التطبيقات الهندسية. هياكل أكثر تطورا عادة ما يستغرق وقتاً طويلاً لاختلاق والقيام لا تحتوي على عناصر متحركة. هذا البروتوكول وصف أسلوب الطباعة التصويرية التي يسمح ميكروفابريكيشن سهلة وسريعة لربط الهياكل والأجهزة. وتتضمن هذه الاستراتيجية إلى مرحلة تصنيع المتقدمة داخلية تسمح لتصنيع هياكل ثلاثية الأبعاد السريع ببناء صعودا بشكل طبقة بطبقة. يمكن أيضا الانحياز المستقلة نقل المكونات وتجميعها على هياكل الدعم لتشكيل الأجهزة المتكاملة. هذه المكونات المستقلة هي يخدر مع أكسيد الحديد سوبيرباراماجنيتيك جسيمات نانوية حساسة ليشتغل المغناطيسية. بهذه الطريقة، يمكن دفعتها أجهزة مصنعة باستخدام مغناطيس خارجي تسفر عن حركة العناصر داخل. ومن ثم فإن هذا الأسلوب يسمح لتصنيع الأجهزة مثل ممس متطورة (ميكروماتشينيس) التي تتكون كلياً من أصل هيدروجيل متوافق حيويا، قادرة على العمل بدون مصدر طاقة على متن الطائرة، وتستجيب لوسيلة الاتصال بين أقل من يشتغل. ويصف هذه المخطوطة تلفيق إنشاء تلفيق فضلا عن أسلوب خطوة بخطوة ميكروفابريكيشن من هذه الأجهزة المستندة إلى الهلاميات المائية مثل ممس.
Introduction
أجهزة ممس وجدت العديد من التطبيقات خاصة في مجال الأجهزة الطبية. على الرغم من أنها تضفي الكثير من الوظائف المضافة وطبيعة هذه الأجهزة المنمنمة جعلها جذابة لاستخدامها بوصفها،إيمبلانتابليس12،3، هذه الأجهزة غالباً ما يكون السلامة الكامنة وتوافق مع الحياة قضايا، فتتألف من المواد التي يمكن أن تكون ضارة لجسم الإنسان (مثل المعادن، والبطاريات، إلخ)4،5،6. الهلاميات المائية المستندة إلى ربط شبكات بوليمر منتفخة السائل واستخداما لتطبيقات مثل السقالات هندسة الأنسجة إلى حد كبير جزئيا بسبب هم7،عالية توافق مع الحياة8. كما كانت القائمة على شماعة الهلاميات المائية وافقت إدارة الأغذية والعقاقير للاستخدام في البشر9،،من1011. ومع ذلك، نظراً لخصائص المواد المائية، أنهم لا بسهولة الصمود في وجه عمليات التصنيع العادية مثل التقنيات المستخدمة في ميكروفابريكيشن النموذجية القائمة على السليكون. وهكذا، يبني على أساس المائية تقتصر عادة على أبنية متراصة بسيطة. وأسفرت الجهود الحالية الرامية إلى ميكروفابريكيشن من الهلاميات المائية الهياكل مع ميزات الحجم ميكرون؛ بيد أن هذه الهياكل غالباً ما تكون من طبقة واحدة و واحد المواد12،13 وعدم تحريك المكونات14،،من1516.
في عمل سابق، يصف لنا استراتيجية لاختلاق ميكروماتشينيس التي تتكون كلياً من المواد المائية القائمة على شماعة متوافق حيويا17. ميزات الحجم ميكرون يمكن ملفقة بسهولة باستخدام أسلوب الطباعة التصويرية ويمكن بناء هذه الهياكل صعودا باستخدام أسلوب طبقة بطبقة، التي حركة محور ع الدقيق الركيزة التي يتم بلمرة الهلاميات المائية يوفرها. يمكن أن تكون ملفقة الهلاميات المائية التراكيب المختلفة المجاورة لبعضها البعض. بالإضافة إلى ذلك، وهذه الأجهزة قد تتحرك من المكونات التي يمكن أن تكون دفعتها مغنطيس خارجي باستخدام. هذا الأسلوب تنوعاً أيضا مناسبة لمعالجة أي مواد لينة أو المائية التي صور بوليميريزابل. وهكذا، هذا الأسلوب مناسبة تماما لاختلاق أجهزة متطورة مثل ممس تتكون كلية من الهلاميات المائية.
Protocol
Representative Results
Discussion
هذا الأسلوب طريقة سهلة وسريعة للطباعة التصويرية طبقة بطبقة من المجهرية المائية. استخدام مثبط لتصنيع النهج، يمكن بسهولة بناء مجموعة متنوعة من الهياكل ثلاثية الأبعاد من مواد متوافق حيويا وحتى إدراج أجزاء متحركة. وسيمكن هذا وبالتالي تشكيل ميكروديفيسيس متوافق حيويا تماما. التقنية تستند إلى تكرار بسيط لخطوات الطباعة الحجرية، التي يتم تمكين بمراقبة دقيقة لارتفاع الركيزة السفلية عن طريق رئيس ميكرومتر. تقنيات التصنيع التقليدية المستخدمة في صناعة ممس، التي تنطوي على قسوة تجهيز تقنيات ومواد الذبيحة، وكثيراً ما غير متوافق مع تجهيز الهلاميات المائية الناعمة. أساليب أخرى الهلاميات المائية الطباعة ثلاثية الأبعاد، مثل الأساليب المستندة إلى النتوء، تقتصر على القرارات المكانية أعلاه 200 ميكرومتر وطباعتها بسرعة mm/s للهياكل البسيطة التي لا تتضمن نقل أجزاء18،19. المجسمة (SLA) والمشروع الضوء الرقمي (DLP) على أساس بيوبرينتيرس ربما تكون قادرة على تحقيق أفضل القرارات ولكن أيضا أكثر تكلفة الكثير للإعداد. أيضا استراتيجيات تصنيع هذه ليست قادرة على طباعة يتدلى بسهولة دون دعم المواد الركيزة التي يمكن أن يكون من الصعب إدخال وإزالتها من الجهاز المكتملة. علينا الالتفاف حول هذا بمحاذاة وبوليميريزينج قبل تشكيل طبقة ختم لهيكل الدعم ملفقة كخطوة نهائية لتشكيل الجهاز المكتملة. تصميم الهيكل تلفيق يعطي للمستخدم بالوصول السهل إلى هياكل ملفقة ويسمح لمواءمة مختلف مكونات سهلة مع استخدام علامات محاذاة.
الاستراتيجية المعروضة هنا أيضا أسرع بكثير من تقنيات أخرى لقرارات مماثلة؛ الوقت الإجمالي لتلفيق واضح للجهاز مع التناوب حوالي 15 دقيقة. آخر إضافة ميزة استراتيجية تصنيع هذا، على الرغم من عدم تظاهر في هذا البروتوكول لكن يبين لنا العمل السابقة17، هو القدرة على المستخدم بسرعة وسهولة تغيير نوع البوليمر المستخدمة بين الخطوات التي يمكن القيام به بكميات صغيرة . وبهذه الطريقة، يمكن للمرء إنشاء الأجهزة الموجودة على مركب أنواع مختلفة من الهلاميات المائية. الجهاز ملفقة باستخدام هذه الاستراتيجية أيضا لديها ميزة إضافية ليشتغل تلامس العتاد يحتوي على شريحة التي هي يخدر مع جسيمات نانوية أكسيد الحديد، تقديم العتاد الحساسة ليشتغل مغناطيسية ويمكن وبالتالي يكون مفتاح خارجي باستخدام المغناطيس. بالإضافة إلى ذلك، الجهاز متوافق حيويا تماما ومن ثم قد يكون مزروع بأمان في فيفو.
من السمات هامة لهذا الأسلوب هو علاج ركائز الزجاج المختلفة، التي تمكن المستخدم من تفضيلي التقيد أو صد المائية مبلمرة الركيزة الزجاج العلوي أو السفلي. عندما يتم استخدام مزيج من الزجاج غير المعالجة مع سطح زجاج معاملة بفوتس (الركيزة السفلي)، ستلتزم الهلاميات المائية شكلت تفضيلي للزجاج غير المعالجة، كما أنها صدت من سطح الزجاج تعامل بفوتس المفلورة. على العكس من ذلك، عندما يتم استخدام الزجاج PDMS المغلفة مع الركازة المعالجة بفوتس السفلي، سوف تميل الهلاميات المائية تبقى على سطح بفوتس معاملة السطوح PDMS أكثر قوة صد الهلاميات المائية شكلت. تسمح هذه الميزة لأحد بناء صعودا، والالتزام الهلاميات المائية مثل أن تكون معطلة على ركائز الزجاج ويمكن حجز للمحاذاة بالهياكل الأخرى في وقت لاحق في الوقت أو حتى بناء أسفل. هذا إضافة إلى المرونة في الأسلوب وأنواع الرسوم والنماذج التي يمكن أن تكون ملفقة، فضلا عن تمكن من الإدماج والختم المكونات المائية المستقلة والحرة–نقل.
أثناء تصنيع طبقة بطبقة، من المهم تحسين الوقت البلمرة المستخدمة. أن تكون الهلاميات المائية cross-linked على النحو الأمثل الذي تشكل في سمك كامل وكذلك في عالية الدقة مقارنة بالأشكال تحددها النبائط. وهذا يعتمد على قوة المصباح ونوع المائية المستخدمة. على الرغم من أن لا تظهر في هذا البروتوكول، وقت البلمرة يتناقص مع زيادة مصباح الطاقة ويزيد مع زيادة طول السلسلة شماعة وتقليل تركيزات بيجدا المستخدمة. العوامل الأخرى التي تؤثر في كمية الطاقة المتاحة فوتوبوليميريزيشن، مثل تغيير عتامة prepolymer بسبب إضافة جسيمات نانوية أكسيد الحديد (الشكل 4)، سوف تؤثر أيضا على الوقت البلمرة. وبالتالي مطلوب لتحسين الظروف للتركيبات المائية المختلفة العابرة للربط قبل بدء عملية تصنيع الأجهزة.
استخدام محاذاة علامات على فوتوماسكس والمحاذاة الصحيحة من الطبقات المائية، لا سيما طبقة الختم النهائي وهامة لضمان أن يتم ختم السليم، والمكونات الداخلية لا cross-linked عن غير قصد إلى المحيطة بهياكل الدعم أثناء عملية التصنيع. وهذا سيمنع هذه المكونات من الانتقال بحرية خلال يشتغل المغناطيسية. كما هو موضح في الشكل 5، ينتج أعلى المنحرفة ختم طبقة والنبائط crosslinking وترسيخ جزء من العتاد للمواد السائبة من الجهاز نفسه. كنتيجة لذلك، لا يتم استدارة هذا العتاد عندما دفعتها مع مغناطيس.
يمكن أن تكون دفعتها الأجهزة استخدام المغناطيس الدائم قوية مثل المغناطيس نيوديميوم. هذه المغناطيس توليد القوى المغناطيسية عندما تكون في مسافة قريبة للمواد المغناطيسية، وينبغي الحرص على منع الضرر. يمكن أن مفتاح الجهاز على التحرك دون المغناطيس قادمة على اتصال الجهاز؛ ويمكن عقد المغناطيس أو وضع ~ 1 سم بعيداً عن الجهاز. حركة مكونات يخدر الحديد ينبغي أن تعكس حركة المغناطيس ويمكن دفعتها للتحرك بشكل مستمر أو الموجهة بشكل متقطع على النحو المرغوب فيه. يمكن أن يكون مفتاح الجهاز يدوياً، أو يمكن أن تستخدم إعداد يشتغل. يمكن إرفاق أي صمام (مثل فتحه المحرك) إلى حركة دورانية المغناطيس. سرعة دوران المغناطيس، ومن ثم يمكن التحكم سرعة دوران عنصر الحديد يخدر، استخدام متحكم. وهذا يوفر لأسلوب أكثر دقة ليشتغل.
ويبين الشكل 8 الرسومات والصور من تصاميم مختلفة من الأعمال السابقة التي كانت ملفقة باستخدام هذا الأسلوب نفسه وإثبات براعة هذا الأسلوب. هذه مجموعة تصاميم من الأجهزة البسيطة التي تشبه الصمامات (الشكل 8 أ) أكثر تعقيداً وتطوراً تصاميم أن نستمد الإلهام من تصميم محرك جنيف (الشكل 8) التي تتألف من 2 التروس الملتزمة التي تنتج متقطعة حركة. كانت ملامح أصغر التي يمكن إنشاؤها باستخدام هذا الأسلوب عادة حوالي 100 ميكرومتر وكل تصميم يتكون من طبقات متعددة (3 إلى 6 طبقات). أنواع مختلفة من التراكيب المائية (مع اختلاف القوة الميكانيكية والمساميه) يمكن أيضا بلمرة والمستعبدين لبعضها البعض. ومن ثم، واحد يمكن بسهولة الجمع بين أنواع الهلاميات المائية لاستخدامها داخل جهاز اعتماداً على الوظيفة المطلوبة للمكونات المختلفة داخل الجهاز.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
كان يؤيد هذا العمل جائزة “الوظيفي جبهة الخلاص الوطني”، والمنحة R01 المعاهد الوطنية للصحة (HL095477/05)، ومنحة NSF ECCS-1509748. وأيد S.Y.C. “المنح الدراسية العلوم الوطنية” (الدكتوراه)، التي منحت وكالة العلوم والتكنولوجيا والبحوث (سنغافورة). ونحن نشكر ييغر كيث للمساعدة في بناء الهيكل تلفيق، وبية الأميركي سايروس للصور الفوتوغرافية للإعداد والأجهزة.
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 |
References
- Elman, N. M., Ho Duc, H. L., Cima, M. J. An implantable MEMS drug delivery device for rapid delivery in ambulatory emergency care. Biomedical Microdevices. 11 (3), 625-631 (2009).
- Gensler, H., Sheybani, R., Li, P. Y., Mann, R. L., Meng, E. An implantable MEMS micropump system for drug delivery in small animals. Biomedical Microdevices. 14 (3), 483-496 (2012).
- Grayson, A. C. R., et al. BioMEMS review: MEMS technology for physiologically integrated devices. Proceedings of the IEEE. 92 (1), 6-21 (2004).
- Frost, M., Meyerhoff, M. E. In vivo chemical sensors: tackling biocompatibility. Analytical Chemistry. 78 (21), 7370-7377 (2006).
- Voskerician, G., et al. Biocompatibility and biofouling of MEMS drug delivery devices. Biomaterials. 24 (11), 1959-1967 (2003).
- Ainslie, K. M., Desai, T. A. Microfabricated implants for applications in therapeutic delivery, tissue engineering, and biosensing. Lab Chip. 8 (11), 1864-1878 (2008).
- Burdick, J. A., Anseth, K. S. Photoencapsulation of osteoblasts in injectable RGD-modified PEG hydrogels for bone tissue engineering. Biomaterials. 23 (22), 4315-4323 (2002).
- Drury, J. L., Mooney, D. J. Hydrogels for tissue engineering: scaffold design variables and applications. Biomaterials. 24 (24), 4337-4351 (2003).
- Alcantar, N. A., Aydil, E. S., Israelachvili, J. N. Polyethylene glycol-coated biocompatible surfaces. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 51 (3), 343-351 (2000).
- Cruise, G. M., et al. In vitro and in vivo performance of porcine islets encapsulated in interfacially photopolymerized poly(ethylene glycol) diacrylate membranes. Cell Transplantation. 8 (3), 293-306 (1999).
- Hoare, T. R., Kohane, D. S. Hydrogels in drug delivery: Progress and challenges. Polymer. 49 (8), 1993-2007 (2008).
- Ryu, W., Huang, Z., Prinz, F. B., Goodman, S. B., Fasching, R. Biodegradable micro-osmotic pump for long-term and controlled release of basic fibroblast growth factor. Journal of Controlled Release. 124 (1-2), 98-105 (2007).
- Lee, J. W., Park, J. H., Prausnitz, M. R. Dissolving microneedles for transdermal drug delivery. Biomaterials. 29 (13), 2113-2124 (2008).
- Hinton, T. J., et al. Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels. Science Advances. 1 (9), e1500758 (2015).
- Tseng, H., et al. Fabrication and mechanical evaluation of anatomically-inspired quasilaminate hydrogel structures with layer-specific formulations. Annals of Biomedical Engineering. 41 (2), 398-407 (2013).
- Grogan, S. P., et al. Digital micromirror device projection printing system for meniscus tissue engineering. Acta Biomaterialia. 9 (7), 7218-7226 (2013).
- Chin, S. Y., et al. Additive manufacturing of hydrogel-based materials for next-generation implantable medical devices. Science Robotics. 2 (2), (2017).
- Diogo, G. S., Gaspar, V. M., Serra, I. R., Fradique, R., Correia, I. J. Manufacture of beta-TCP/alginate scaffolds through a Fab@home model for application in bone tissue engineering. Biofabrication. 6 (2), 025001 (2014).
- Hockaday, L. A., et al. Rapid 3D printing of anatomically accurate and mechanically heterogeneous aortic valve hydrogel scaffolds. Biofabrication. 4 (3), 035005 (2012).
