Fabrication microfluidique de fibres polymères et biohybrides avec une taille et une forme redessinées

Ce protocole décrit la fabrication d’une fibre creuse utilisant la chimie photoinitiated de clic de thiol-yne. Le microcanal a des rainures en chevron ou des « rayures » comme caractéristiques de mise en forme dans le bas et le haut du canal(Figure 1). Trois fluides sont introduits et dirigés dans des cours d’eau concentriques; des flux de fluide intérieurs aux flux de fluides externes, ceux-ci sont appelés le fluide de noyau, de revêtement et de gaine. Seul le flux de revêtement est polymérisé pour former la fibre creuse. Les matériaux sélectionnés sont les suivants : Fluide de base: PEG (M.W. = 400), ~ 100 mPa. sec (20 ºC) Fluide de revêtement : Polymère thiol-yne (PETMP + ODY), Initiateur (DMPA) Fluide de gaine: PEG (M.W. = 400), ~ 100 mPa. sec (20 ºC) Le dispositif à microcanaux a été assemblé à partir de pièces en aluminium et en plastique fabriquées par fraisage CNC et moulage PDMS. L’écoulement à travers le microcanal a été commandé par trois pompes de seringue. 1. Conception et simulation de microcanaux Lors du calcul de la vitesse du fluide et de la convection/diffusion dans le microcanal, il est essentiel d’attribuer la viscosité appropriée à chaque fluide entrant. Créez un modèle informatique du microcanal souhaité à importer dans le logiciel de dynamique des fluides numérique (COMSOL). L’exemple de la figure 1 a été généré avec le logiciel de CAO Autodesk Inventor. Les étapes suivantes sont en référence à l’utilisation de COMSOL Multiphysics pour le calcul de l’écoulement du fluide dans un microcanal. Après l’importation du microcanal conçu dans COMSOL, les débits itératifs des fluides peuvent être introduits dans le solveur Navier-Stokes. Initialisez le réglage du programme et choisissez Flux laminaire 3D + Équations de convection / diffusion. Les faibles nombres de Reynolds générés dans les microcanaux permettent un flux laminaire complet dans l’appareil. Concevez un maillage d’éléments finis sur lequel effectuer les calculs numériques. Le maillage doit être plus raffiné (avoir de petites divisions) dans les zones où les propriétés changent rapidement. Il est suggéré d’affiner le maillage à la fois à la fonction de mise en forme et de quitter à <1 μm de longueur latérale. Cela permet une visualisation « nette » de l’interface fluide noyau-gaine. Propriétés du matériau d’entrée pour l’écoulement du fluide, c’est-à-dire viscosité, constante de diffusion et concentration. À ce stade, définissez également les conditions aux limites du flux de sortie. Nous suggérons zéro contrainte visqueuse pour simuler une sortie ouverte. Calculer les études de vitesse d’écoulement du fluide en parcourant de manière itérative une série de débits d’entrée. Par exemple, fluide de base = 7,5 μl/min, fluide de gaine = 30 μl/min. Importez les solutions de champ de vitesse en tant que valeurs initiales pour résoudre les propriétés de convection/diffusion du flux de microcanaux. La solution aux problèmes de convection/diffusion illustrera l’interface noyau-gaine fluide et aidera à prédire la forme de l’écoulement final de fluide et de la fibre produite. À partir des résultats de calcul, le nombre et le type requis d’entités de mise en forme peuvent être prédits pour atteindre la forme de fibre souhaitée. Les entrées de débit de fluide seront également corrélées aux débits requis pour générer les fibres. Avec ces prédictions, un dispositif à microcanaux peut être fabriqué pour l’extrusion de fibres polymères. 2. Fabrication des composants de l’appareil d’écoulement de gaine Une combinaison de micromillage direct, de gaufrage à chaud et/ou de moulage de polymères peut être utilisée pour créer les composants du dispositif d’écoulement de gaine. En fonction des ressources, choisissez la stratégie en conséquence. L’exemple présenté est un procédé de fraisage direct qui utilise un code numérique par ordinateur (CNC). Il y a cinq couches à faire (de haut en bas), qui sont représentées dans la figure 2:1. Mandrin d’entrée (aluminium), 2. Plaque de fixation (aluminium), 3. Couche supérieure microcanal (copolymère d’oléfines cycliques, COC ou PDMS), 4. Couche inférieure microcanal (COC ou polyéther éther éther cétone, PEEK), 5. Plaque de fixation (aluminium). (Des exemples de fichiers pour le fraisage direct sont disponibles au format *.stl dans les renseignements à l’appui.) En utilisant une conception compatible avec les simulations COMSOL, développer un modèle 3D du système via le dessin assisté par ordinateur (CAO). Créez un fichier DAO distinct pour chaque couche de l’unité. Lorsqu’une couche doit être fabriquée via un micromillage direct, importez les modèles CAO dans une application d’usinage assistée par ordinateur pour générer un code numérique (NC) qui sera interprété par un broyeur à commande numérique par ordinateur (CNC) pour produire l’appareil. Acquérir 5 feuilles de 30,5 cm × 30,5 cm de matériaux de couche sacrificielle d’au moins 3,2 mm d’épaisseur. Acquérir 1 feuille de COC, PEEK, aluminium et poly(méthylméthacrylate) de 30,5 cm × 30,5 cm et 3,2 mm d’épaisseur. Acquérir 1 feuille d’aluminium de 30,5 cm × de 30,5 cm et 9,5 mm d’épaisseur. Fixer chacune des feuilles aux étapes 2.4 à 2.5 sur une feuille de stock sacrificiel de l’étape 2.3 avec adhésif double face. S’assurer qu’il existe au maximum une bordure extérieure non enregistrée de 2,5 cm. Le ruban sert à maintenir le matériau de travail en place pendant le fraisage et à le protéger une fois que la pièce fraisée est coupée du matériau d’origine à la fin du cycle du broyeur. Fixez le COC + stock sacrificiel à la table du broyeur CNC, chargez les outils cités dans le code numérique (NC) et étalonnez les outils et les matériaux de stock (travail) en x, y et z. Chargez le code CN et fraisez la couche COC. Retirez la feuille de matériau du broyeur et retirez soigneusement la pièce usinée du substrat. Au cours de ce processus, le liquide de refroidissement du moulin va saturer la pièce et le stock. Rincer abondamment avant d’enlever doucement la pièce. Laver avec un détergent doux, puis laver avec un alcool isopropylique à 70%. Le détergent doux éliminera les résidus huileux et l’alcool éliminera l’adhésif résiduel. Si les bavures sont piégées dans les microarchitectures, la sonication peut être nécessaire pour les déloger. Répétez les étapes 2.7 et 2.9 pour chacune des autres couches qui seront utilisées pour créer le dispositif d’écoulement de gaine. À l’exception de la couche PMMA, chacune des couches qui ont été préparées à ce stade sera utilisée directement dans l’appareil. Le PMMA sera utilisé pour préparer une couche PDMS en combinant 10 parties de base Sylgard 184 avec 1 agent de durcissement partiel et en mélangeant soigneusement par agitation. Ces informations sont fournies au cas où l’on préférerait remplacer l’une des couches COC par le matériau PDMS de type joint. Versez le Sylgard 184 dans la cavité de moule PMMA préparée plus tôt, en veillant à ce que les bulles d’air soient éliminées. Si nécessaire, les bulles peuvent être enlevées dans le vide. Le PDMS peut être durci à température ambiante pendant 48 h, 45 min à 100 °C, 20 min à 125 °C ou 10 min à 150 °C. 3. Ensemble d’appareils d’écoulement de gaine Assemblez le dispositif d’écoulement de la gaine de bas en haut en plaçant une plaque de fixation en bas, puis la couche COC suivie de l’autre couche COC et la plaque de fixation restante(Figure 2). Assurez-vous que les rainures de mise en forme s’alignent les unes avec les autres le long des bords du canal et que les géométries de mise en forme des fluides dans les couches COC se chevauchent parfaitement. Un microscope de dissection peut être utilisé pour aider à l’alignement. Insérez des boulons au centre de l’appareil et serrez à la main les écrous et les boulons pour serrer l’appareil ensemble. En alternant de gauche à droite du centre, répétez l’étape 3.2 à partir du centre pour verrouiller l’alignement et éviter les fuites. Ajoutez le mandrin d’entrée lorsque ses trous de montage sont atteints et continuez à monter les vis en alternance. Utilisez des raccords HPLC standard pour interfacer le dispositif d’écoulement de gaine avec le tube et les seringues qui contiennent du liquide de gaine et une solution de prépolymère. Le serrage de la main est suffisant pour toutes les connexions. Montez l’appareil verticalement à l’aide d’un support d’anneau et d’une pince. Assurez-vous que l’appareil est vertical à l’aide d’un niveau sur la partie supérieure. Si le dispositif d’écoulement de gaine n’est pas vertical, la fibre peut toucher la paroi du microcanal et provoquer un colmatage. Positionner la source UV perpendiculairement à environ 1 cm de la face COC du dispositif d’écoulement de la gaine de manière à ce que les 3 à 5 derniers cm du microcanal soient irradiés. La source UV doit être étalonnée pour fournir ~ 200 mW / cm2. 4. Préparation de la solution Comme indiqué précédemment, de nombreux matériaux peuvent être utilisés pour créer des microfibres en utilisant des protocoles et des systèmes d’écoulement de gaine analogues, mais la chimie thiol-yne est utilisée ici. Préparez la solution de prépolymère immédiatement avant de commencer le processus d’extrusion de fibres pour éviter l’augmentation de la viscosité qui peut se produire au fil du temps dans le stockage. Préparer une partie aliquote de polyéthylène glycol 400 (PEG 400) pour servir de liquide de gaine. Remplissez une seringue à pointe Luer de 1 ml avec du PEG 400 pour servir de liquide de base nonpolymérisable, et remplissez une seringue à pointe Luer de 30 ml avec du PEG 400 pour servir de liquide de gaine. Préparer une solution de prépolymère contenant 0,01 mol de pentaérythritol tétrakis 3-mercaptopropionate (PETMP) et 0,01 mol de 1,7-octadiyne (ODY). Assurez-vous que les deux composants sont bien mélangés tout au long de l’expérience, minimisez l’exposition de tous les réactifs prépolymères aux sources de lumière UV, y compris la lumière ambiante(par exemple, enveloppez les seringues avec du papier d’aluminium). Compléter la solution PETMP/ODY avec 4 x10-4 mol 2,2-diméthoxy-2-phénylacétophénone (DMPA) photoinitiateur. Continuez de vous assurer que les solutions sont bien mélangées et qu’elles ne sont pas exposées à la lumière UV en recouvrant les contenants de papier d’aluminium. Chargez une seringue à pointe Luer enveloppée de papier d’aluminium de 5 ml avec la solution de prépolymère. 5. Production de microfibres (focus de la vidéo) S’assurer que la sortie du canal microfluidique est en contact avec une solution dans le bain de collecte(figure 3). Pour les structures complexes, la solution dans le bain de collecte doit être adaptée aux fluides du noyau et de la gaine, mais pour les fibres creuses simples, l’eau est suffisante. Réglez les pompes à noyau, à revêtement et à seringue à liquide de gaine pour qu’ils infuser à 1, 30 et 120 μl/min, respectivement. Assurez-vous que les diamètres respectifs des seringues ont été correctement entrés dans les pompes à seringues. Montez les seringues dans leurs pompes à seringues correspondantes et connectez-les au dispositif d’écoulement de gaine avec un tube Tygon protecteur contre les UV. Démarrez le fluide de gaine pour amorcer le dispositif d’écoulement de gaine et éliminer l’air du système. Inspectez visuellement le microcanal, en vous assurant qu’il ne reste aucune bulle d’air dans le microcanal avant de passer à l’étape suivante. Portez une attention particulière aux rayures. Un microscope de dissection peut être employé pour faciliter l’inspection de microcanal. Si des bulles d’air sont présentes, agiter l’appareil en tournant et/ou en tapotant doucement sous le flux pour rincer les bulles d’air hors de l’appareil. Démarrez le fluide de revêtement, permettant également au flux de se stabiliser. Assurez-vous qu’il ne reste aucune bulle d’air dans le microcanal avant de passer à l’étape suivante. Portez une attention particulière aux rainures de mise en forme. S’il existe des bulles d’air, agitez l’appareil sous flux pour rincer les bulles d’air hors de l’appareil. Enfin, démarrez le fluide de base; encore une fois, assurez-vous que les bulles ne sont pas présentes dans le système. Allumez la source UV et observez le bain de collecte pour une production continue de la microfibre creuse (Figure 4A) lorsqu’elle est éjectée avec le liquide de gaine. Récupérez la fibre du bain de collecte à l’aide d’une spatule modifiée ou d’une boucle d’inoculation, et permettez de collecter la fibre continue sur une bobine motorisée(figure 3).