تصنيع ميكروفلويديك من الألياف البوليمرية والحيوية مع الحجم والشكل المصمم مسبقا
Summary
يمكن توجيه سوائل متجاورة تمر عبر قناة ميكروفلويدية مخدد لتشكيل غمد حول جوهر ما قبلpolymer؛ وبالتالي تحديد الشكل والمقطع العرضي. البلمرة الضوئية ، مثل كيمياء النقر على ثيول ، مناسبة تماما لترسيخ السائل الأساسي بسرعة في الألياف الدقيقة ذات الحجم والشكل المحددين مسبقا.
Abstract
يمكن توجيه سائل “غمد” يمر عبر قناة microfluidic عند انخفاض عدد رينولدز حول تيار “أساسي” آخر واستخدامه لإملاء الشكل وكذلك قطر تيار أساسي. تم تصميم الأخادير في الجزء العلوي والسفلي من قناة microfluidic لتوجيه السائل غمد وتشكيل السائل الأساسي. من خلال مطابقة لزوجة وهيدروفيليا الغمد والسوائل الأساسية ، يتم تقليل الآثار بين البينية ويمكن تشكيل أشكال السوائل المعقدة. تحديد معدلات التدفق النسبي للغماد والسوائل الأساسية يحدد المنطقة المقطعية من السائل الأساسي. وقد تم إنتاج الألياف بأحجام تتراوح بين 300 نانومتر إلى ~ 1 ملم، ويمكن أن تكون الألياف العرضية مستديرة أو مسطحة أو مربعة أو معقدة كما هو الحال مع ألياف المرساة المزدوجة. البلمرة من السائل الأساسية المصب من المنطقة تشكيل يقوي الألياف. الكيمياء فوق فوتونيتييد هي مناسبة تماما لبوليمرة السريع للسائل الأساسية عن طريق التشعيع مع الأشعة فوق البنفسجية. وقد تم إنتاج الألياف مع مجموعة واسعة من الأشكال من قائمة من البوليمرات بما في ذلك بلورات السائل، بولي (ميثيل ميثيلهاكريلات)، ثيول-ene وراتنجات ثيول-ين، غليكول البولي ايثيلين، ومشتقات هيدروجيل. الحد الأدنى من القص خلال عملية تشكيل وظروف البلمرة خفيفة أيضا يجعل عملية التصنيع مناسبة تماما لتغليف الخلايا والمكونات البيولوجية الأخرى.
Introduction
سقالاتالأنسجة 1 ، المواد المركبة2، الاتصالات البصرية3، والمواد الهجينة موصل4 هي مجالات البحث باستخدام ألياف البوليمر المتخصصة. وتشمل الطرق التقليدية لتصنيع الألياف البثق تذوب، والغزل، والرسم، الصب و electrospinning. معظم ألياف البوليمر التي تنتجها هذه الأساليب تظهر المقاطع العرضية المستديرة الناتجة عن التوتر السطحي بين البوليمر والهواء أثناء التصنيع. ومع ذلك، قد الألياف مع المقاطع العرضية غير الالتفافية تعزيز الخصائص الميكانيكية للموادالمركبة 5،6،وزيادة مساحة السطح إلى حجم النسب، والسيطرة على التبول أو فتل7،وتستخدم كممرموجي 8 أو المستقطبات9.
إنتاج ألياف البوليمر المتخصصة من قبل أنظمة microfluidic توظيف تيار واحد (تدفق غمد) لمحاصرة وتشكيل تيار آخر (تدفق الأساسية) جذابة بسبب ظروف خفيفة والقدرة على الإنتاج المستمر للألياف قابلة للاستنساخ للغاية. أنتجت التجارب الأولية ألياف مستديرة بأحجام تعتمد على معدلات التدفق النسبي لسوائل prepolymer وs غمد10-12. اكتشاف أن الأخادير في الجزء العلوي والسفلي من قناة microfluidic يمكن أن ينحرف غمد لإنتاج شكل محدد سلفا للتيار الأساسية13،14 أدى إلى التكنولوجيا لتوليد أشكال الألياف أكثر تعقيدا10-12،15-17.
وقد أظهرت المحققين NRL الميزات التقنية الحرجة التالية13-21:
- يمكن استخدام مجموعة متنوعة من ميزات التشكيل لتوجيه سائل الغمد لتشكيل التيار الأساسي: يمكن تكوين الأخادير أو التلال كخطوط أو شيفرونات أو عظام الرنجة.
- يمكن تعيين مربع أدوات لهذه الميزات إلى نتيجة التدفق المطلوبة.
- يمكن إنشاء القنوات الدقيقة باستخدام تقنيات الطباعة الحجرية أو صب أو الطحن أو الطباعة. يجب ألا تذوب مواد الركيزة أو تتآكل في حلول ما قبل البوليمر أو الغمد ، وبالنسبة للبلمرة الضوئية ، يجب أن تكون الطبقات الخارجية شفافة للأشعة فوق البنفسجية.
- يمكن تغيير الشكل الذي تم إنشاؤه بواسطة مجموعة واحدة من ميزات التشكيل عن طريق تغيير معدلات التدفق عبر القناة. COMSOL المحاكاة المتعددة الفيزياء لتدفق السوائل في القنوات الدقيقة قادرة على التنبؤ بالسوائل الناتجة والأشكال الألياف.
- مطابقة اللزوجة والمرحلة (hydrophilicity) من غمد والسوائل الأساسية أمر بالغ الأهمية لتجنب عدم الاستقرار نوع التواء، الناشئة عن الاختلاف في سلالة القص عبر واجهة السوائل. إذا كان هناك لزوجة كبيرة أو مرحلة عدم تطابق التواء لزج يمكن أن يحدث، وربما تشوه شكل الألياف النهائي أو حتى انسداد القنوات الدقيقة.
- يمكن تشكيل الألياف عن طريق الصب أو البلمرة ، ولكن البلمرة توفر المزيد من التحكم في الشكل.
- يجب أن تحدث البلمرة (تدليس السائل الأساسي) قبل الخروج من القناة الدقيقة. ومع ذلك، قد يؤدي بطء البلمرة داخل القناة إلى زيادة في اللزوجة، مما يؤثر على شكل الألياف أو حتى انسداد القناة. يجب التحكم بعناية في وقت وموقع أحداث البلمرة.
- نظرا لحركية التفاعل السريع ، فإن البلمرة الحرة الناجمة عن الصور ، وخاصة كيمياء النقر المستندة إلى ثيول ، مناسبة تماما لإنتاج الألياف.
- يمكن تغيير معدلات التدفق النسبي أثناء التصنيع لإنشاء أقطار ألياف غير قابلة للانسيابية.
- يمكن دمج مجموعات متعددة من ميزات التشكيل في قناة واحدة للأسباب التالية:
- لفصل وظائف التشكيل والتحجيم
- لإنشاء ألياف متعددة الطبقات أو مجوفة
- لإنتاج ألياف متعددة من قناة واحدة microfluidic
- البلورات السائلة mesogens أدرجت في البوليمر بتركيزات منخفضة جدا تظهر birefringence تحت الضوء المستقطب، مما يشير إلى أن جزيئات البوليمر يمكن أن تكون محاذاة على طول محور الألياف.
- يمكن دمج الخلايا في prepolymers هيدروجيل متوافقة بيولوجيا والبقاء على قيد الحياة عملية التصنيع مع قابلية عالية للحياة22.
عند تصنيع ألياف البوليمر باستخدام التركيز الهيدروديناميكي من خلال تيار غمد لتشكيل تيار ما قبل البوليمر ، واختيار مواد البوليمر هو خطوة أولى عملية. يجب تحديد البوليمرات المناسبة، وكيمياء البادئ المقابلة، وسوائل الغمد ضمن المبادئ التوجيهية التالية:
- البوليمر وسوائل غمد هي miscible وهي من لزوجة مماثلة. على سبيل المثال، يمكن لمحلول أحادي المائية استخدام الماء كسائل غمد قابل للتطبيق، ولكن لا يمكن استخدام الهيكسان كسائل غمد.
- يجب أن يكون لآلية البلمرة حركية سريعة بما يكفي لترسيخ السائل الأساسي بعد تشكيلها وقبل خروج الألياف مباشرة من القناة.
بعد اختيار المواد، يجب تصميم قناة صغيرة لتوليد شكل وحجم الألياف المطلوبة. لتحديد ملامح تشكيل المطلوبة (المشارب، الرنجة، شيفرونات)، يمكن استخدام برامج ديناميات السوائل الحسابية للتنبؤ أنماط تدفق السوائل. ملامح تشكيل نقل السائل غمد حول السائل الأساسية. بشكل عام، تتحرك المشارب سائل الغمد عبر الجزء العلوي والسفلي من القناة من جانب إلى آخر، في حين أن عظام الرنجة وال شيفرونات تحرك السائل بعيدا عن الجانبين نحو أعلى و / أو أسفل القناة ومن ثم العودة نحو وسط القناة مباشرة تحت نقطة الهيكل. يؤثر عدد الأخاد المتكررة في أعلى وأسفل القناة على الدرجة التي يتم بها توجيه سائل الغمد. نسبة معدلات تدفق السائل الأساسية وغمد أيضا التوسط في التأثير. وقد أثبتت المحاكاة باستخدام برنامج COMSOL Multiphysics موثوق بها في تقييم تفاعلات ملامح تشكيل ونسب معدل التدفق للتنبؤ الشكل المقطعي العرضي. توفر عمليات المحاكاة هذه أيضا رؤية مفيدة لنشر المذابات بين اللب والأغماد مع حجم القناة واللزوجة ومعدلات التدفق المقترحة.
إذا كان الشكل المعقد مرغوبا فيه ، مثل “المرساة المزدوجة” الموصوفة في Boyd et al. 23، فمن المفيد لفصل وظائف تشكيل والتحجيم. يمكن إنشاء شكل معقد مع مجموعة واحدة من الميزات ومن ثم يمكن استخدام هيكل واحد الأخدود وضعت استراتيجيا عند مدخل تيار غمد الثاني لتقليل المنطقة المقطعية العرضية من تيار polymerizable دون تغيير كبير في شكله.
مثال آخر لتصميم القنوات الدقيقة المعقدة يمكن أن تولد ألياف متعددة الطبقات. في هذا التصميم، يتم تقديم مجموعات متتابعة من ميزات التشكيل وسوائل الكسوة الإضافية. ويمكن تعزيز هذه التدفقات متحدة المركز في ألياف صلبة من الكسوة الأساسية أو أنابيب مجوفة. سيتم تقديم مثال على هذا الجهاز أدناه.
بمجرد اختيار تصميم الجهاز microfluidic ، يمكن أن تبدأ عملية تصنيع القنوات الدقيقة. وتشمل أدوات التصنيع التي يمكن استخدامها الطباعة الحجرية الناعمة، طحن CNC، النقش الساخن والطباعة ثلاثية الأبعاد. بغض النظر عن الأدوات المستخدمة، من المهم أن ندرك أن الميزات التي أدخلت عن طريق الخطأ في جدار القناة microfluidic سوف توجه أيضا تدفق غمد ويمكن أن يؤدي إلى انحرافات قابلة للاستنساخ للغاية في شكل مقطعي لجميع الألياف المصنوعة باستخدام هذا الجهاز. وينبغي أيضا اختيار مواد الركيزة القنوات الدقيقة بعناية لتكون قوية جسديا، خامل كيميائيا، ومقاومة للضرر الأشعة فوق البنفسجية. على سبيل المثال، يمكن إلقاء بوليديمثيلسيل أوكسان (PDMS) بسهولة، ويوفر أختام تشبه طوقا، وهو شفاف للأشعة فوق البنفسجية؛ PDMS مفيدة لأعلى شفافة من القناة، ولكن ليس الجانبين وأسفل القناة، والتي تحتاج إلى مزيد من الصلابة.
في نهاية المطاف ، من خلال إدخال السوائل الأساسية والغماد المختارة بشكل صحيح بمعدلات التدفق المتوقعة من خلال محاكاة ديناميكيات السوائل ، فإن ميزات التشكيل ستولد ملف السوائل المناسب ومصباح معالجة الأشعة فوق البنفسجية المصب سوف يرسخ ألياف البوليمر المصممة. البثق المستمر للألياف البلمرة من القناة يمكن أن توفر الألياف القابلة للاستنساخ في أطوال محدودة فقط من حجم خزانات السوائل.
Protocol
Representative Results
Discussion
تصنيع ألياف البوليمر باستخدام نهج تدفق غمد له مزايا متعددة بالمقارنة مع تقنيات تصنيع الألياف الأخرى. واحدة من تلك المزايا هي القدرة على تصنيع الألياف باستخدام تركيبات كاشف مختلفة. على الرغم من أن مجموعة محددة ثيول ين قدمت هنا، عدة نقرات ثيول أخرى (بما في ذلك ثيول-ene) تركيبات الكيمياء تعمل بشكل جيد على قدم المساواة. ويمكن استخدام مجموعة واسعة من تركيبات أخرى لإنتاج الألياف طالما أن محلول غمد هو miscible مع المواد الأساسية التي سيتم بلمرة. كما أن إدراجات مثل الألياف النانوية والجسيمات والخلايا ممكنة طالما أن مساهمات هذه الإضافات في لزوجة محلول ما قبل الأوليمر تؤخذ في الاعتبار.
Thiol فوق الكيمياء هي مجموعة فرعية من الأسرة الكيمياء انقر التي يمكن أن تعلق مجمع مع مجموعة ثيول بشكل مشترك إلى مجمع مع إما alkene (السندات المزدوجة) أو alkyne (السندات الثلاثية) مجموعة وظيفية من قبل الأشعة فوق البنفسجية الضوئية الضوئية. و يطلق على ردود الفعل التي تنطوي على alkenes ردود فعل ثيول-ene، و يطلق على ردود الفعل التي تنطوي على الألكينات ردود فعل ثيول-yne. واحد بي السندات (من alkene أو alkyne) سوف نعلق على مجموعة ثيول واحد على الأشعة فوق البنفسجية الخفيفة. العملية تناسبها جيدا داخل الأسرة انقر من ردود الفعل، وقد استخدمت بشكل فعال في قناة microfluidic لدينا لإنتاج ألياف من مختلف الأشكال(على سبيل المثال الجولة، على شكل شريط، مرساة مزدوجة) من العديد من ثيول انقر فوق مكونات البداية.
ميزة محددة للطريقة المبينة هنا بالمقارنة مع معظم العمليات المماثلة الأخرى هي القدرة على التحكم في كل من شكل وحجم الأليافالمنتجة (الشكل 4A-H). من خلال تصميم قناة لديها خطوط أو شيفرونات أو عظام الرنجة ، سيكون للألياف المنتجة شكل مقطع عرضي مختلف. بشكل عام ، تكون الخطوط مفيدة لإنتاج أشكال مستديرة أو لإدخال تيارات غمد إضافية لتطويق الجداول التي تم تشكيلها مسبقا ونقلها بعيدا عن جدران القناة قبل البلمرة. تقلل الخطوط الرأسية البعد العمودي في وسط الدفق الشكلي، مع الحفاظ على التماثل الأفقي. تقلل عظام الرنجة من البعد الرأسي لجانب واحد من الدفق على شكل ، مما ينتج عدم التماثل. يمكن خلط أدوات التشكيل هذه في مجموعات لا حصر لها. كما يمكن استخدام عدد الميزات المكافئة(أي 7 شيفرونات مقابل 10 شيفرونات) لإنتاج ألياف ذات ملفات تعريف مقطعية مختلفة.
بالإضافة إلى القدرة على التحكم في شكل الألياف ، فإن منهجية تصنيع الألياف المقدمة تتيح أيضا القدرة على التحكم في حجم الألياف المصنعة ، حتى باستخدام تجميع تدفق غمد واحد(على سبيل المثال الشكل 1). ضبط نسبة معدل التدفق الأساسي: هو وسيلة واحدة لتصنيع الألياف مع مناطق مختلفة عبر القطاعات. من الممكن أيضا التحكم في حجم الألياف عن طريق ضبط تصميم القناة ليكون لها مراحل غمد إضافية. سواء حدث التشكيل في مرحلة واحدة أو أكثر ، يمكن استخدام مرحلة نهائية بسيطة لتقليل حجم النواة دون تغيير الشكل.
إن السهولة التي يمكن بها استخدام العديد من تركيبات الكاشف لإنتاج ألياف من مختلف الأشكال والأحجام باستخدام تصميم القناة الدقيقة هذا ستكون مفيدة في مجموعة واسعة من التطبيقات ، من هندسة الأنسجة إلى الاتصالات البصرية إلى المنسوجات الذكية.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
داريل أ. بويد ومايكل أ. دانييلي هما زميلان في مجلس البحوث الوطني لما بعد الدكتوراه. وقد دعم العمل وحدات العمل 4286 و 9899 التابعة ل ONR/NRL. وجهات النظر هي آراء المؤلفين ولا تمثل رأي أو سياسة البحرية الأمريكية أو وزارة الدفاع.
Materials
| Pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate | Sigma-Aldrich | 381462 | See references |
| 1.7-Octadiyne | Sigma-Aldrich | 161292 | See references |
| 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone | Sigma-Aldrich | 196118 | See references |
| Polyethylene glycol 400 | Sigma-Aldrich | 202398 | Polyethylene glycol 200 or 600, dextrose, or glycerol may be substituted |
| Sylgard 184 | Sigma-Aldrich | 761036 | QSIL 216, OptiTec 7020, or GS RTV 615 may be substituted |
| Table of Specific Equipment | |||
| Equipment | Company | Catalogue number | Comments |
| MiniMill | Haas | MINIMILL | Any NC code interpreting 2.5 axis (or higher) mill may be substituted |
| Syringe pumps (3) | Harvard Apparatus | 702212 | Syringe pumps that can be programmed to deliver the desired volume flow rates may be substituted |
| Tygon tubing (3 m) | Fisher Scientific | 14-169-13A | NA |
| PEEK tubing | Upchurch Scientific | 1435 | NA |
| HPLC fittings | Upchurch Scientific | 1457 | NA |
| BlueWave 200 UV lamp with stand and light guides | Dymax | 38905; 38477; 39700 | Any guided UV source that delivers 300-450 nm, >200 mW/cm2 may be substituted |
| 500 ml beaker | Fisher Scientific | FB-100-600 | Any vessel of approximately the same size and shape may be substituted |
| Ring stand | Fisher Scientific | S47807 | Any ring stand capable of mounting a clamped sheath flow apparatus above the level of the syringe pumps may be substituted |
| Ring stand clamp holder (2) | Fisher Scientific | S02625 | Any ring stand clamp holder capable of holding the clamps may be substituted |
| Ring stand clamps (2) | Fisher Scientific | 02-216-352 | Any ring stand clamp capable of holding the clamped sheath flow apparatus and light guides may be substituted |
| 1, 5, and 60 ml Syringes | Fisher Scientific | 14-823-16H; 14-823-16D; 14-820-11 | Any syringe with known inner diameter and sufficient volume may be substituted |
| Poly(methylmethacrylate) (3.2 mm) | McMaster-Carr | 8560K239 | Polycarbonate and cyclic olefin copolymer may be substituted |
| Polyether ether ketone (3.2 mm) | McMaster-Carr | 8504K25 | Solvent resistant machinable materials may be substituted |
| Aluminum (3.2, 9.5 mm) | McMaster-Carr | 1651T41; 9246K23 | Substitute other materials as needed |
Referências
- Khademhosseini, A., Langer, R., Borenstein, J., Vacanti, J. P. Microscale technologies for tissue engineering and biology. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 2480-2487 (2006).
- Blond, D., McCarthy, D. N., Blau, W. J., Coleman, J. N. Toughening of artificial silk by incorporation of carbon nanotubes. Biomacromolecules. 8, 3973-3976 (2007).
- Aykut, Y., Saquing, C. D., Pourdeyhimi, B., Parsons, G. N., Khan, S. A. Templating quantum dot to phase-transformed electrospun TiO(2) nanofibers for enhanced photo-excited electron injection. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 3837-3845 (2012).
- Puigmarti-Luis, J., Schaffhauser, D., Burg, B. R., Dittrich, P. S. A Microfluidic Approach for the Formation of Conductive Nanowires and Hollow Hybrid Structures. Adv. Mater. 22, 2255-22 (2010).
- Edie, D. D., Fox, N. K., Barnett, B. C., Fain, C. C. Melt-spun noncircular carbon-fibers. Carbon. 24, 477-482 (1986).
- Park, S. J., Seo, M. K., Shim, H. B. Effect of fiber shapes on physical characteristics of non-circular carbon fibers-reinforced composites. Mater. Sci. Eng. A Struct. 352, 34-39 (2003).
- Haile, W. A., Phillips, B. M. Deep grooved polyester fiber for wet lay applications. Tappi. 78, 139-142 (1995).
- Yamada, J. Radiative properties of fibers with non-circular cross sectional shapes. J. Quant. Spectrosc. Ra. 73, 261-272 (2002).
- Kopp, V. I., et al. Chiral fiber gratings. Science. 305, 74-75 (2004).
- Thangawng, A. L., Howell, P. B., Richards, J. J., Erickson, J. S., Ligler, F. S. A simple sheath-flow microfluidic device for micro/nanomanufacturing: fabrication of hydrodynamically shaped polymer fibers. Lab Chip. 9, 3126-3130 (2009).
- Thangawng, A. L., Howell, P. B., Spillmann, C. M., Naciri, J., Ligler, F. S. UV polymerization of hydrodynamically shaped fibers. Lab Chip. 11, 1157-1160 (2011).
- Thangawng, A. L., et al. A hard microflow cytometer using groove-generated sheath flow for multiplexed bead and cell assays. Anal. Bioanal. Chem. 398, 1871-1881 (2010).
- Mott, D. R., Howell Jr, ., B, P., Obenschain, K. S., Oran, E. S. The Numerical Toolbox: An approach for modeling and optimizing microfluidic components. Mech. Res. Commun. 36, 104-109 (2009).
- Mott, D. R., et al. Toolbox for the design of optimized microfluidic components. Lab Chip. 6, 540-549 (2006).
- Howell Jr, ., B, P., Ligler, F. S., Shields, A. R. Sheath fow device and method. United States patent US20110193259. , (2011).
- Howell, P. B., Ligler, F. S., Shields, A. R. Creating sheathed flow for applications e.g. particle counting, by introducing sheath and core streams at proximal end of channel that creates multiple sheathed flows, and polymerizing multiple sheathed flows to form multiple fibers. United States patent US2011193259-A1. , (2009).
- Mott, D., Howell Jr, ., B, P., Ligler, F. S., Fertig, S., Bobrowski, A. Sheath flow device and method. United States patent US20090208372. , (2009).
- Daniele, M. A., et al. Rapid and continuous hydrodynamically controlled fabrication of biohybrid microfibers. Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2012).
- Howell, P. B., Mott, D., Golden, J. P. Numerical toolbox for design of fluidic components and systems. United States patent US20080221844. , (2008).
- Shields, A. R., et al. Hydrodynamically directed multiscale assembly of shaped polymer fibers. Soft Matter. 8, 6656-6660 (2012).
- Boyd, D. A., Shields, A. R., Naciri, J., Ligler, F. S. Hydrodynamic shaping, polymerization, and subsequent modification of thiol click fibers. ACS Appl. Mater. Inter. 5, 114-119 (2012).
- Daniele, M. A., et al. Rapid and Continuous Hydrodynamically Controlled Fabrication of Biohybrid Microfibers. Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2013).
- Boyd, D. A., Shields, A. R., Howell, P. B., Ligler, F. S. Design and fabrication of uniquely shaped thiol-ene microfibers using a two-stage hydrodynamic focusing design. Lab Chip. 13, 3105-3110 (2013).
