Denne artikkelen beskriver microfluidic prosessen og parametere for å forberede ventilen partikler fra flytende krystallinsk elastomerer. Denne prosessen gjør at utarbeidelsen av actuating partikler og variasjonen av deres størrelse og form (fra oblate til sterkt spheroid, core-skall og Janus morphologies) og omfanget av aktivering.
Denne artikkelen fokuserer på microfluidic prosessen og parametrene forberede ventilen partikler fra flytende krystallinsk elastomerer. Utarbeidelse består vanligvis i dannelsen av dråpestørrelse inneholder lav molar masse flytende krystaller på høye temperaturer. Deretter er disse partikkel prekursorer orientert innen flyt av kapillær og styrket ved en crosslinking polymerisering, som produserer den endelige ventilen partikler. Optimalisering av prosessen er nødvendig for å oppnå de ventilen partiklene og riktig variasjonen av parameterne prosessen (temperatur og flow rate) og tillater varianter av størrelse og form (fra oblate til sterkt spheroid morphologies) samt omfanget av aktivering. I tillegg er det mulig å variere typen actuation fra forlengelse til sammentrekning avhengig av direktør profilen indusert til dråpene under flyten i kapillær, som igjen avhenger microfluidic prosessen og parameterne. Videre kan partikler av mer komplekse former som kjernen-shell strukturer eller Janus partikler, tilberedes ved å justere oppsettet. Variasjonen av den kjemiske strukturen og modus for crosslinking (størkning) av den flytende krystallinsk elastomer er det også mulig å forberede ventilen partikler utløst av varme eller UV-vis bestråling.
Microfluidic synteser har blitt godt kjent metode for fabrikasjon av flytende krystallinsk elastomer (LCE) aktuatorer de siste par år1,2,3. Denne tilnærmingen ikke bare kan en rekke godt ventilen partikler, men kan også fabrikasjon av figurer og morphologies som ikke er tilgjengelig med andre metoder. Siden LCE aktuatorer er lovende kandidater for et program bruker kunstig musklene i mikro-robotikk, er nye metoder for å syntetisere slik partikler av stor betydning for denne fremtidige teknologiske4.
I LCEs, er mesogens med flytende krystall (Langbane) knyttet til polymer kjeder av cellegummi nettverk5,6,7,8. Koblingen av mesogens i polymer kjeden kan dermed skje i form av en side-kjede, en hoved-kjede eller en kombinert LC-polymer9,10,11. Avstanden mellom crosslinking punkter bør være langt nok til å tillate en gratis nyorientering av polymer kjeden innimellom (faktisk dette er sant for noen elastomer, som skiller dem fra “thermosets”). Dermed kan crosslinking være faste eller reversibel på grunn av sterk ikke-kovalente interaksjoner12,13,14. Denne type materiale kombinerer egenskapene til begge, Anisotrop virkemåten til flytende krystall med entropic elastisiteten av en elastomer. I temperaturområdet på sin flytende krystallinsk fase vedta polymer kjedene en (mer eller mindre) strukket konformasjon forårsaket av anisotropy av flytende krystallinsk fase, som er kvantifisert ved ordreparameteren nematic. Når prøven er brakt over nematic-til-isotropic fase overgang temperaturen, anisotropy forsvinner, og nettverket slapper til energisk favoriserte tilfeldig coil konformasjon. Dette fører til en makroskopisk deformasjon og dermed aktivering5,15. Foruten oppvarming av prøven, kan denne fasen overgangen også bli indusert av andre stimuli som lys eller solvent spredning i de LCEs16,17,18,19.
For å få en sterk deformasjon, er det nødvendig at prøven enten danner en monodomain eller funksjoner minst en foretrukket retning enkelt domenets styret under den crosslinking trinn-20. For produksjon av LCE filmer oppnås dette ofte ved strekking av et pre polymerized utvalg, via retningen domenene i en elektrisk eller magnetiske felt, ved hjelp av foto-justering lag eller via 3D-utskrift21 ,22,23,24,25,26.
En annen tilnærming er kontinuerlig utarbeidelse av LCE partikler med kapillær-baserte microfluidic slippverktøy generatorer. Flytende krystallinsk monomer dråper er spredt i en svært tyktflytende kontinuerlig fase, som flyter rundt dråpene og bruker et skjær på dråpene overflate. Derfor er en sirkulasjon inne monomer slippverktøyet observert, noe som fører til en generell justering av de flytende krystallinske fase27. Dermed har omfanget av den skjær prisen opptrer på dråpene en sterk innflytelse på både slippverktøyets formen og størrelsen samt retningen på feltet flytende krystallinsk direktør. Disse godt orientert dråper kan deretter bli polymerized videre nedstrøms i oppsettet av microfluidic. Dermed utarbeidelsen av aktuatorer med varierende former (f.eks, partikler og fiber) og mer komplekse morphologies som kjernen-shell og Janus partikler er mulig28,29,30,31. Det er også mulig å forberede oblate partikler, som strekker seg langs deres symmetri aksen og svært spheroid, fiber-lignende partikler, som reduserer på fase overgangen. Begge typer partikler kan gjøres med samme type microfluidic oppsett, bare ved å variere de skjær rate27. Her presenterer vi protokollen av hvordan å produsere slike LCE aktuatorer av forskjellige morphologies i selvtillit produseres kapillær-baserte microfluidic enheter.
Dessuten effekten av mesogen justering i LCE dråper og tilgjengelighet av polymerer med ulike former har microfluidic tilnærminger ytterligere fordeler. Sammenlignet med andre partikkel fabrikasjon metoder som nedbør i en ikke-løsemiddel eller suspensjon polymerisasjon32 (som fører til partikler med en bred størrelsesDistribusjon), monodisperse partikler (variasjonskoeffisienten av partikkel er < 5%) kan syntetiseres bruker microfluidics33,34. Dessuten, er det lett å bryte den sfære symmetrien i dråpene av en flyt. Dermed er store partikler med en sylindrisk symmetrien tilgjengelig, som er nødvendig for aktuatorer. Dette er forskjellig fra LC-partikler laget av suspensjon polymerisasjon32. Videre partikkel er også justerbar av microfluidics i området fra flere micrometers til hundrevis av mikron, og tilsetningsstoffer kan lett bli brakt inn partikler eller på overflaten deres. Dette er grunnen microfluidic partikkel forberedelse brukes ofte i emner som stoffet levering35 eller produksjon av kosmetikk36.
Microfluidic oppsett brukes i denne artikkelen ble introdusert av Serra et al. 33 , 37 , 38 . Disse er selv produseres og består av høy ytelse flytende kromatografi (HPLC) polytetrafluorethylene (PTFE) rør og t-kryss, i tillegg til smeltet silica kapillærene som gir enkelt fasene. Dermed oppsettet kan enkelt endres, og enkelt deler kan bare utveksles som de er kommersielt tilgjengelige. En photoinitiator legges til monomer blandinger, som muliggjør bruk av en passende lyskilde å indusere polymerisasjon av dråper på-the-fly, etter at de forlot av kapillær. Bestråling bortsett fra kapillærene er nødvendig for å hindre en tilstopping av oppsettet. Andre typer polymerisasjon bare starte polymerisasjon etter slippverktøyet har forlatt av kapillær (f.eksmed initiativtakerne basert på redoks prosesser)39. Men på grunn av hurtighet i Foto-indusert crosslinking polymerisasjon og kan fjernstyres, er photoinitiation den mest fordelaktige.
Siden den LCE monomer blandingen er krystallinsk ved romtemperatur, er en forsiktig temperaturkontroll for hele microfluidic nødvendig. Derfor, delen av oppsettet som slippverktøy dannelsen oppstår er plassert i et vannbad. Her, dannes dråpene ved høye temperaturer i isotropic smelte av blandingen. Papirretningen, må dråpene være avkjølt i flytende krystallinsk fase. Derfor er polymerisasjon røret plassert på en varm plate som er satt til lavere temperaturområdet av LC-fase (figur 1).
Her beskriver vi en fleksibel og enkel metode for fabrikasjon av LCE aktuatorer i en strøm. Denne protokollen gir trinn kreves for å bygge microfluidic oppsettet for syntese av enkelt partikler som Janus og kjerne-shell partikler i noen minutter. Deretter beskriver vi hvordan du kjører en syntese og viser typisk utfallet samt egenskapene til ventilen partikler. Til slutt, vi diskutere fordelene med denne metoden og hvorfor vi tror det kan bringe fremdriften til innen LCE aktuatorer.
Vi har beskrevet fabrikasjon av partikler med forskjellige morphologies via en microfluidic tilnærming til å produsere LCE microactuators. For dette formålet, ble kapillær-baserte microfluidic oppsett bygget som at slippverktøy etterfulgt av photopolymerization ved definerte temperaturer.
Her er en kritisk del av en vellykket syntese riktig montering av oppsettet. Alle tilkoblinger mellom enkelt deler må rettes riktig å hindre alle lekkasje av væske, og enheten må være før hver syntese å hindre tilstopping. Det er også avgjørende at eksperimentet utføres under UV-gratis forhold, siden, ellers tidlig polymerisering av monomer blandingen og dermed igjen tilstopping av setup ville være resultatet.
Til denne dag, er microfluidic-tilnærming som er beskrevet her den eneste metoden kunne produsere ventilen LCE partikler. Herved oppfyller microfluidic prosessen to krav samtidig. Foruten fabrikasjon av mange like store mikro-objekter, er en orientering av flytende krystallinsk direktør indusert i disse partiklene. Dessuten, er det en ganske enkel prosedyre siden et stort antall aktuatorer kan syntetiseres i ett enkelt trinn. Bruke andre metoder, krever retningen for mesogens vanligvis et ekstra trinn som strekking av prøven eller søknaden av foto-justering lag. I tillegg er disse prosessene manuell, som betyr produksjon av mange aktuatorer er svært tidkrevende. Videre LCE morfologi er i mest tilfeller-begrenset til polymer filmer. Ulempene av microfluidic tilnærming er begrensning av partikkel størrelse (som diameteren er begrenset til verdier mellom 200 og 400 µm), sårbarheten til tilstopping av kapillær og nødvendigheten av UV-gratis forhold under partikkel utarbeidelsen i oppsettet.
På prosessoren systemer brukes ofte til microfluidic partikkel fabrikasjoner siden de kan lett bli produsert og er laget av ett stykke. Disse oppsettene, ikke bare mangler den nødvendige justering av forskjellige temperaturer under flyten men også er ikke fleksible nok til å enkelt bytte tette eller ødelagte deler av microreactor. Derfor er kapillær-basert oppsett vi bruker mer egnet for syntese av LCE aktuatorer, som de oppfylle kravene avgjørende.
Bortsett fra våre presenterte resultatene av actuating Janus-partikler og kjerne-shell micropumps, mer komplekse actuating partikler med nye egenskaper kan bli syntetisert i fremtiden og åpner nye muligheter for myk aktuator programmer. Ytterligere endring av Janus partikler til flere forståelsesfull partikler pågår allerede. Derfor er vi sikte for innføring av en andre temperatur forståelsesfull polymer foruten den ventilen LCE. Ytterligere muligheter for nye partikkel design kan også oppstå fra bruk av flytende krystallinsk azo-monomerer, som resulterer i lys-drevet actuation LCE-partikler17,18. I dette tilfellet kan vi tenke på Janus partikler som inneholder både en temperatur-responsive samt en foto-actuating del. Syntese av lys-drevet core-shell partikler eller rør-lignende strukturer gir en annen mulig partikkel design, som ville føre til Foto svarer micropumps. Endring av prinsippet microfluidic prosedyrer som vi presentert ovenfor bør tillate en rekke nye aktuatorer.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker tysk Science Foundation for finansiering dette arbeidet (Ze 230/24-1).
NanoTight fitting for 1/16'' OD tubings | Postnova_IDEX | F-333N | |
NanoTight ferrule for 1/16'' OD tubings | Postnova_IDEX | F-142N | |
PEEK Tee for 1/16” OD Tubing | Postnova_IDEX | P-728 | T-junction |
Female Fitting for 1/16” OD Tubing | Postnova_IDEX | P-835 | female luer-lock |
Male Fitting for 1/8” OD Tubing | Postnova_IDEX | P-831 | male luer-lock |
Female Luer Connectors for use with 3/32” ID tubings | Postnova_IDEX | P-858 | for the syrringe's tip |
NanoTight FEP tubing sleeve ID: 395 µm OD: 1/16'' | Postnova_IDEX | F-185 | |
Fused Silica Capillary Tubing ID: 100 µm OD: 165 µm | Postnova | Z-FSS-100165 | glass capillary |
Fused Silica Capillary Tubing ID: 280 µm OD: 360 µm | Postnova | Z-FSS-280360 | glass capillary |
‘‘Pump 33’’ DDS | Harvard Apparatus | 70-3333 | syringe pump |
Precision hot plate | Harry Gestigkeit GmbH | PZ 28-2 | |
Stereomicroscope stemi 2000-C | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 455106-9010-000 | |
Mercury vapor lamp Oriel LSH302 | LOT | Intensity: 500 W | |
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,75mm | WICOM | WIC 33104 | teflon tube |
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,50mm | WICOM | WIC 33102 | teflon tube |
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,17mm | WICOM | WIC 33101 | teflon tube |
Silicion oil 1.000 cSt | Sigma Aldrich | 378399 | |
Silicion oil 100 cSt | Sigma Aldrich | 378364 | |
1,6-hexanediol dimethacrylate | Sigma Aldrich | 246816 | Crosslinker |
Lucirin TPO | Sigma Aldrich | 415952 | Initiator |
Polarized optical microscope BX51 | Olympus | For analysis | |
Hotstage TMS 94 | Linkam | For analysis | |
Imaging software Cell^D | Olympus | For analysis |