Processo di creazione di microstrutture tridimensionali mediante vaporizzazione di un componente sacrificale
Summary
La vaporizzazione di un processo Component sacrificale (Vasc) viene utilizzato per fabbricare strutture microvascolari. Questa procedura utilizza sacrificali poli (lattico) fibre di acido per formare microcanali cave con posizionamento geometrico 3D preciso fornito da piastre di guida microlavorati laser.
Abstract
Strutture vascolari nei sistemi naturali sono in grado di fornire il trasporto ad alta massa attraverso le zone alte della superficie e della struttura ottimizzata. Poche tecniche di fabbricazione dei materiali sintetici sono in grado di imitare la complessità di queste strutture, mantenendo la scalabilità. La vaporizzazione di un processo componente sacrificale (Vasc) è in grado di farlo. Questo processo utilizza fibre sacrificali come modello per formare cavi, microcanali cilindrici incorporati all'interno di una matrice. Stagno (II) ossalato (snox) è incorporato all'interno di poli (lattico) acidi (PLA) fibre che facilita l'uso di questo processo. Il snox catalizza la depolimerizzazione delle fibre PLA a temperature inferiori. I monomeri di acido lattico sono gassosi a queste temperature e possono essere rimossi dalla matrice incorporato a temperature che non danneggiano la matrice. Qui vi mostriamo un metodo per allineare queste fibre che utilizzano piastre microlavorati e un dispositivo di tensionamento per creare modelli complessi di tridimensionalmente microcanali schierati.Il processo permette l'esplorazione di qualsiasi disposizione delle fibre di topologie e delle strutture.
Introduction
I sistemi naturali utilizzano vaste reti vascolari per facilitare molte funzioni biologiche. Trasporto di massa può essere efficacemente conseguiti in tali sistemi ad elevata area superficiale di rapporti in volume e strutture di imballaggio ottimizzati. Mentre molte tecniche di fabbricazione sintetici possono produrre strutture microvascolari, nessuno può produrre microvasculature larga scala, mantenendo la complessità e la compatibilità con i metodi di produzione esistenti 1-5. Strutture come il polmone aviario forniscono una fonte di ispirazione. Come possiamo fabbricare strutture di questa complessità per migliorare il trasporto di massa?
La vaporizzazione di un componente sacrificale (Vasc) può produrre strutture microvascolari di grandi dimensioni, complessi 6-7. Questo metodo utilizza la depolimerizzazione termica e per evaporazione rimozione di poli (lattico) fibre Acido per formare canali cave che sono l'inverso del modello fibra. Questa è una tecnica sacrificale compatibile con la produzione esistentemetodi. Metro, cilindriche modelli microcanali possono essere formate con questo processo di fabbricazione. Questo può essere usato per creare dispositivi vascolarizzati come i polimeri di auto-guarigione e di unità di cattura del carbonio microvascolari 3D 7-10.
Le unità di cattura del carbonio si sono ispirati al polmone aviario che fornisce un efficiente scambio gassoso-peso rapporto grazie al suo utilizzo in volo. Il parabronchus è composto di microcanali esagonale fantasia, che fornisce alti tassi di cambio di gas e unità di scambio di gas strutturalmente stabili. Al fine di creare le unità di scambio con caratteristiche microscala allineati in tre dimensioni, abbiamo sviluppato un metodo di tensionamento in modo indipendente fibre utilizzando una scheda di tensione progettato con sintonizzatori chitarra e piastre laser microlavorati. Ciascuna fibra è tenuto in posizione dalla tensione esterna e il pattern viene impostato dalla collocazione di fori nella piastra attraverso cui le fibre corrono.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'introduzione del catalizzatore snox nelle fibre PLA permette alle fibre di depolimerizzano a una temperatura inferiore. Questo impedisce la degradazione della resina incorporamento, in questo caso PDMS. Un mandrino personalizzato è richiesto per miscelare correttamente la soluzione di trattamento (Figura 5A). Il mandrino è composta da sei aste di sostegno che circondano un nucleo centrale che si attacca ad un mixer digitale. Le fibre sono avvolte attorno alle aste di supporto in modo che l'a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato dal AFOSR Young Investigator programma sotto FA9550-12-1-0352 e 3M non di ruolo Facoltà Award. Gli autori desiderano ringraziare Lalisa Stutts e Janine Tom utile per la discussione relativa a questo progetto. Gli autori ringraziano il Centro di Microscopia Calit2 e Laser Spectroscopy strumento presso l'Università della California, Irvine per consentire l'utilizzo delle sue strutture. Hodge Harland e l'UCI Physical Sciences Machine Shop sono riconosciuti per la fabbricazione di utensili. Poli (lattico) fibre di acido sono stati generosamente fornito da Teijin monofilamento.
Materials
| Reagent | |||
| Tin (II) oxalate | Sigma-Aldrich | 402761 | |
| Disperbyk 130 | BYK Additives & Instruments | ||
| Trifluoroethanol | Halocarbon | ||
| Malachite Green (technical grade) | Sigma-Aldrich | M6880 | |
| Sodium hydroxide (≥98%, pellets) | Sigma-Aldrich | S5881 | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Corning | 3097358-1004 | Distributed from Ellsworth Adhesives |
| Poly(lactic) acid fibers | Teijin Monofilament | ||
| Material | |||
| RW 20 Digital Mixer | IKA | 3593001 | |
| Desiccator Jar | Pyrex | ||
| Vacuum Oven | Fisher Scientific | ||
| Third Hand | Jameco Electronics | 26690 | Plate holder |
| Glue Gun | Stanley | GR20L | |
| PLA Spindle | Custom made | ||
| Tensioning Board | Custom made |
References
- Bellan, L. M., Singh, S. P., Henderson, P. W., Porri, T. J., Craighead, H. G., Spector, J. A. Fabrication of an artificial 3-dimensional vascular network using sacrificial sugar structures. Soft Matter. 5 (7), 1354 (2009).
- Bellan, L. M., Strychalski, E. A., Craighead, H. G. Nano-channels fabricated in polydimethylsiloxane using sacrificial electrospun polyethylene oxide nanofibers. J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanometer Struct. Process. Meas. Phenom. 26 (5), 1728 (2008).
- Borenstein, J. T., Weinberg, E. J., Orrick, B. K., Sundback, C., Kaazempur-Mofrad, M. R., Vacanti, J. P. Microfabrication of three-dimensional engineered Scaffolds. Tissue Eng. 13 (8), 1837-1844 (2007).
- Wu, H., Odom, T. W., Chiu, D. T., Whitesides, G. M. Fabrication of complex three-dimensional microchannel systems in PDMS. J. Am. Chem. Soc. 125 (2), 554-559 (2003).
- Trask, R. S., Bond, I. P. Biomimetic self-healing of advanced composite structures using hollow glass fibres. Smart Mater. Struct. 15 (3), 704-710 (2006).
- Dong, H., Esser-Kahn, A. P., et al. Chemical treatment of poly(lactic acid) fibers to enhance the rate of thermal depolymerization. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 503-509 (2012).
- Esser-Kahn, A. P., Thakre, P. R., et al. Three-dimensional microvascular fiber-reinforced composites. Adv. Mater. 23 (32), 3654-3658 (2011).
- White, S. R., Blaiszik, B. J., Kramer, S. L. B., Olugebefola, S. C., Moore, J. S., Sottos, N. R. Self-healing polymers and composites. Am. Sci. 99 (5), 392 (2011).
- Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. A three-dimensional microvascular gas exchange unit for carbon dioxide capture. Lab Chip. 12 (7), 1246 (2012).
- Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. The effect of membrane thickness on a microvascular gas exchange unit. Adv. Funct. Mater. , (2012).
