Üç Boyutlu Polimerik Baskı Tozlarından Kılcal Akışlı Tutumlu Görüntüleme Tekniği
Summary
Önerilen teknik, paketlenmiş bir toz yatağından akışkan akışı görüntülemek için yeni, verimli, tutumlu ve invaziv olmayan bir yaklaşım sağlayacak ve yüksek mekansal ve zamansal çözünürlük sağlayacaktır.
Abstract
Nanopartiküller de dahil olmak üzere moleküler ve kolloidal transportun yeni görüntüleme tekniklerinin geliştirilmesi, mikroakışkan ve miliakışkan çalışmalarda aktif bir araştırma alanıdır. Üç boyutlu (3D) baskının ortaya çıkmasıyla birlikte, yeni bir malzeme alanı ortaya çıkmış ve böylece yeni polimerlere olan talep artmıştır. Spesifik olarak, bir mikron mertebesinde ortalama parçacık boyutlarına sahip polimerik tozlar, akademik ve endüstriyel topluluklardan artan bir ilgi görüyor. Mezoskopik ila mikroskobik uzunluk ölçeklerinde malzeme ayarlanabilirliğini kontrol etmek, gradyan malzemeler gibi yenilikçi malzemeler geliştirmek için fırsatlar yaratır. Son zamanlarda, malzeme için net uygulamalar geliştikçe, mikron boyutlu polimerik tozlara olan ihtiyaç artmaktadır. Üç boyutlu baskı, yeni uygulamalarla doğrudan bağlantısı olan yüksek verimli bir süreç sağlar ve mezoölçekte fizyo-kimyasal ve taşıma etkileşimlerine yönelik araştırmaları yönlendirir. Bu makalede ele alınan protokol, paketlenmiş toz yataklarındaki sıvı akışını görüntülemek için invaziv olmayan bir teknik sağlar ve akıllı telefonlar gibi mobil cihazlardan kolayca erişilebilen mobil teknolojiden yararlanırken yüksek zamansal ve uzamsal çözünürlük sağlar. Ortak bir mobil cihaz kullanılarak, normalde optik mikroskopla ilişkilendirilecek görüntüleme maliyetleri ortadan kaldırılır ve tutumlu bir bilim yaklaşımı ortaya çıkar. Önerilen protokol, çeşitli sıvı ve toz kombinasyonlarını başarıyla karakterize ederek, hızlı bir şekilde görüntüleme ve optimum sıvı ve toz kombinasyonunu tanımlamak için bir teşhis platformu oluşturmuştur.
Introduction
Mürekkep püskürtmeli bağlayıcı toz ortama püskürtme, eklemeli üretimde (3D baskı) önemli bir teknolojiyi temsil eder. Bağlayıcı püskürtme işlemi, fonksiyonel sıvıların bir tarama mürekkep püskürtmeli baskı işlemi kullanılarak toz ortama depolanmasıyla başlar. Spesifik olarak, bir mürekkep püskürtmeli yazıcı kafası toz yüzeyinin üzerine çevrilir, sıvı bağlayıcı maddeyi bir toz yüzeyine bırakır ve böylece katman katman1 tarzında katı bir parça oluşturur. Mürekkep püskürtmeli bağlayıcı püskürtme teknolojileri genellikle kum, metal tozları ve polimerik tozları içerir. Bununla birlikte, malzemelerin bağlayıcı püskürtmedeki alanını genişletmek için, sıvı-toz ve toz-toz etkileşimlerini, tribolojiyi, toz paketleme yoğunluğunu ve parçacık kümelenmesini araştırmak için temel bir yaklaşım gereklidir. Spesifik olarak, sıvı-toz etkileşimleri için, sıvı akışını toz yataklarından gerçek zamanlı olarak görüntüleme yeteneği için kritik bir ihtiyaç vardır. Bu, araştırmacıların bir karakterizasyon tekniği olarak ve potansiyel olarak farklı sıvı ve toz kombinasyonları için bir tarama yöntemi olarak 2,3,4’ün yanı sıra parçacık yatağı yöntemlerini kullanan beton 3D baskı sistemleri gibi daha karmaşık sistemleriçin güçlü bir araç olmayı vaat ediyor.
Nanopartiküller de dahil olmak üzere moleküler ve kolloidal transportun yeni görüntüleme tekniklerinin geliştirilmesi, mikroakışkan ve miliakışkan çalışmalarda aktif bir araştırma alanıdır. Moleküller arası etkileşimleri görüntüleme teknikleriyle araştırmak zor olabilir, çünkü doymamış ve kararsız sıvı akışı koşulları altında bu tür etkileşimleri araştırmak için çok az çalışma yapılmıştır. Literatürde bildirilen çalışmaların çoğu, cam boncuk 5,6,7,8,9,10,11,12 ve topraklar 13,14,15,16,17,18 gibi doymuş, önceden ıslanmış, gözenekli bir ortama odaklanmıştır. . Bu teknik, invaziv olmayan bir yaklaşım sağlar ve yüksek zamansal ve mekansal çözünürlük 2,3,4,19 ile sonuçlanır. Ayrıca, geliştirilen teknik, polimerik tozlara odaklanarak çeşitli gözenekli ortamlarda nano ölçekli ve mikron ölçekli parçacık taşınımını karakterize etmek ve ölçmek için yeni bir yöntem sunmaktadır.
Önerilen teknik, akışkan toz yatağı füzyon teknolojilerini kullanan 3D baskı sistemlerinde kullanılan tozları temsil eden parçacık boyutlarına sahip gözenekli polimerik ortamlar aracılığıyla doymamış, kararsız akışkan taşımayı kaydetmek için mobil bir cihaz kullanmaktadır. Bu teknik, akış hücreleri uygun maliyetli, yeniden kullanılabilir, küçük ve kolayca ele alınabildiğinden, tutumlu bilimin baskın yönlerini gösterdiği için avantajlıdır. Bu basit deneyleri bir saha çalışmasına uygulama yeteneği çok basittir ve optik mikroskopide gerekli olan komplikasyonları, maliyeti ve zamanı ortadan kaldırır. Kurulum oluşturma kolaylığı, hızlı sonuçlara erişim ve minimum sayıda numune gereksinimi göz önüne alındığında, bu teknik tanısal tarama için en uygun platformdur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sağlanan protokol, seçilen parçacıkların malzeme özelliklerine büyük ölçüde bağlıdır. Akışı etkileyen malzeme özellikleri arasında partikül boyutu dağılımı 2,3,4,5,11,21, parçacık yüzeyi pürüzlülüğü 11, parçacık yüzeyindeki kimyasal özellikler 2,3,4,5,11,16,21,23<su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Hiç kimse.
Materials
| µ-Slide I Luer | ibidi | 80191 | Microfluidic flow cell |
| Beaker | Southern Labware | BG1000-800 | Glassware |
| CALIBRE 301-58 LT Natural Polycarbonate Resin | TRINSEO LLC | CALIBRETM 301-58 LT | Natural polycarbonate resin |
| Ethanol | Sigma Aldrich | 1.00983 | Solvent |
| Fume Hood | Kewaunee | Supreme Air LV Fume Hoods | Used with 92 FPM at 18" opening |
| iPhone 7 plus | Apple | Camera | |
| Opaque 3D printed material | The CAD drawing is provided in the supplemental file | ||
| ORGASOL 2002 ES 6 NAT 3 | ARKEMA | A12135 | Polyamide powder |
| Pipet | VWR | 10754-268 | Disposable Transfer Pipet |
| Pipette | Globe Scientific Inc. | 3301-200 | Pipette that can hold 125 µL of fluid |
| Polystyrene | Advanced Laser Materials, LLC. | PS200 | Polystyrene for sintering |
| Tracker | Video analysis and modeling tool | ||
| VariQuest 100 White Light Model 3-3700 | FOTODYNE | 3-3700 | White light |
| Water | Distilled water |
References
- Redwood, B., Schoffer, F., Garret, B. . The 3D Printing Handbook. , (2018).
- . Three dimensional printing, Patent ID: 20210087418 Available from: https://uspto.report/patent/app/20210087418 (2021)
- . Three dimensional printing, Patent ID: 20210095152 Available from: https://uspto.report/patent/app/2021009515.2 (2021)
- Three dimensional printing, Patent ID: 20210107216. Available from: https://uspto.report/patent/app/20210107216#C00011 (2021)
- Petosa, A. R., Brennan, S. J., Rajput, F., Tufenkji, N. Transport of two metal oxide nanoparticles in saturated granular porous media: Role of water chemistry and particle coating. Water Research. 46 (4), 1273-1285 (2012).
- Giordano, S. Effective medium theory for dispersions of dielectric ellipsoids. Journal of Electrostatics. 58 (1-2), 59-76 (2003).
- Toloni, I., Lehmann, F., Ackerer, P. Modeling the effects of water velocity on TiO2 nanoparticles transport in saturated porous media. Journal of Contaminant Hydrology. 171, 42-48 (2014).
- Dang-Vu, T., Hupka, J. Characterization of porous materials by capillary rise method. Physicochemical Problems of Mineral Processing. 39, 47-65 (2005).
- Huang, W. E., Smith, C. C., Lerner, D. N., Thornton, S. F., Oram, A. Physical modelling of solute transport in porous media: evaluation of an imaging technique using UV excited fluorescent dye. Water Research. 36 (7), 1843-1853 (2002).
- Zhao, J., Li, H., Cheng, G., Cai, Y. On predicting the effective elastic properties of polymer nanocomposites by novel numerical implementation of asymptotic homogenization method. Composite Structures. 135, 297-305 (2016).
- Seymour, M. B., Chen, G., Su, C., Li, Y. Transport and retention of colloids in porous media: Does shape really matter. Environmental Science and Technology. 47 (15), 8391-8398 (2013).
- Ochiai, N., Kraft, E. L., Selker, J. S. Methods for colloid transport visualization in pore networks. Water Resources Research. 42 (12), (2006).
- Rottman, J., Sierra-Alvarez, R., Shadman, F. Real-time monitoring of nanoparticle retention in porous media. Environmental Chemistry Letters. 11 (1), 71-76 (2013).
- Xing, Y., Chen, X., Chen, X., Zhuang, J. Colloid-mediated transport of pharmaceutical and personal care products through porous media. Scientific Reports. 6 (1), 1-10 (2016).
- Dathe, A., et al. Functional models for colloid retention in porous media at the triple line. Environmental Science and Pollution Research. 21 (15), 9067-9080 (2014).
- Zhang, T., et al. Investigation of nanoparticle adsorption during transport in porous media. SPE Journal. 20 (4), 667-677 (2015).
- Zhang, Q., Karadimitriou, N. K., Hassanizadeh, S. M., Kleingeld, P. J., Imhof, A. Study of colloids transport during two-phase flow using a novel polydimethylsiloxane micro-model. Journal of Colloid and Interface Science. 401, 141-147 (2013).
- Health and environmental effects of particulate matter (PM). EPA Available from: https://www.epa.gov/pm-pollution/health-and-environmental-effects-particulate-matter-pm (2021)
- Bridge, J. W., Banwart, S. A., Heathwaite, A. L. Noninvasive quantitative measurement of colloid transport in mesoscale porous media using time lapse fluorescence imaging. Environmental Science & Technology. 40 (19), 5930-5936 (2006).
- ASTMInternational. Standard test methods for determining loose and tapped bulk densities of powders using a graduated cylinder. ASTMInternational. , (2018).
- Donovan, K. J. . Microfluidic investigations of capillary flow and surface phenomena in porous polymeric media for 3D printing. , (2019).
- . 34;Try Tracker Online." Tracker Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education Available from: https://physlets.org/tracker/ (2022)
- Janssen, P. H. M., Depaifve, S., Neveu, A., Francqui, F., Dickhoff, B. H. J. Impact of powder properties on the rheological behavior of excipients. Pharmaceutics. 13 (8), 1198 (2021).
- Boschini, F., Delaval, V., Traina, K., Vandewalle, N., Lumay, G. Linking flowability and granulometry of lactose powders. International Journal of Pharmaceutics. 494 (1), 312-320 (2015).
- Yablokova, G., et al. Rheological behavior of β-Ti and NiTi powders produced by atomization for SLM production of open porous orthopedic implants. Powder Technology. 283, 199-209 (2015).
- Lumay, G., Fiscina, J., Ludewig, F., Vandewalle, N. Influence of cohesive forces on the macroscopic properties of granular assemblies. AIP Conference Proceedings. 1542, 995 (2013).
- Lumay, G., et al. Effect of relative air humidity on the flowability of lactose powders. Journal of Drug Delivery Science and Technology. 35, 207-212 (2016).
