Microfluïdische fabricage van polymere en biohybridevezels met vooraf ontworpen grootte en vorm
Summary
Twee aangrenzende vloeistoffen die door een gegroefd microfluïdisch kanaal gaan, kunnen worden gericht om een schede rond een prepolymeerkern te vormen; waardoor zowel vorm als doorsnede worden bepaald. Foto-geïnitieerde polymerisatie, zoals thiol click chemie, is zeer geschikt voor het snel stollen van de kernvloeistof tot een microvezel met vooraf bepaalde grootte en vorm.
Abstract
Een “schede” vloeistof die door een microfluïdisch kanaal bij laag Reynoldsaantal gaat kan rond een andere “kern” stroom worden geleid en worden gebruikt om de vorm evenals de diameter van een kernstroom te dicteren. Groeven in de boven- en onderkant van een microfluïdisch kanaal zijn ontworpen om de mantelvloeistof te richten en de kernvloeistof te vormen. Door de viscositeit en hydrofieliteit van de schede en kernvloeistoffen op elkaar af te afstemmen, worden de interfaciale effecten geminimaliseerd en kunnen complexe vloeistofvormen worden gevormd. Het regelen van de relatieve debieten van de mantel en kernvloeistoffen bepaalt het dwarsdoorsnedegebied van de kernvloeistof. Vezels zijn geproduceerd met maten variërend van 300 nm tot ~ 1 mm, en vezeldoorsneden kunnen rond, vlak, vierkant of complex zijn zoals in het geval met dubbele ankervezels. Polymerisatie van de kernvloeistof stroomafwaarts van het vormgebied stolt de vezels. Foto-geïnitieerde klikchemieën zijn zeer geschikt voor snelle polymerisatie van de kernvloeistof door bestraling met ultraviolet licht. Vezels met een grote verscheidenheid aan vormen zijn geproduceerd uit een lijst van polymeren, waaronder vloeibare kristallen, poly (methylmethacrylaat), thiol-ene en thiol-yne harsen, polyethyleenglycol en hydrogelderivaten. Minimale afschuiving tijdens het vormproces en milde polymerisatieomstandigheden maakt het fabricageproces ook zeer geschikt voor inkapseling van cellen en andere biologische componenten.
Introduction
De steigers1van het weefsel, samengestelde materialen2,optische mededelingen3,en geleidende hybride materialen4 zijn gebieden van onderzoek die gespecialiseerde polymeervezels gebruiken. Conventionele methoden voor vezelfabricage omvatten smeltextrusie, spinnen, tekenen, gieten en elektrospinnen. De meeste polymeervezels die door deze methoden worden geproduceerd, vertonen ronde doorsneden die ontstaan door oppervlaktespanning tussen het polymeer en de lucht tijdens de fabricage. Vezels met niet-omwikkelde doorsneden kunnen echter de mechanische eigenschappen van composietmaterialen5,6verbeteren, de oppervlakte-volumeverhoudingen verhogen, bevochtiging of wicking7regelen en worden gebruikt als golfgeleiders8 of polarisatoren9.
De productie van gespecialiseerde polymeervezels door microfluïdische systemen die gebruikmaken van één stroom (schedestroom) om een andere stroom (kernstroom) te omringen en vorm te geven, zijn aantrekkelijk vanwege de milde omstandigheden en capaciteit voor continue productie van zeer reproduceerbare vezels. De eerste experimenten produceerden ronde vezels met grootte die van de relatieve stroomsnelheden van prepolymeer en schedevloeistoffen10-12afhangen. De ontdekking dat groeven in de boven- en onderkant van het microfluïdische kanaal de schede konden afbuigen om een vooraf bepaalde vorm voor de kernstroom13,14 te produceren, leidde tot technologie voor het genereren van complexere vezelvormen10-12,15-17.
NRL-onderzoekers hebben de volgende kritieke technische kenmerken13-21aangetoond:
- Een verscheidenheid aan vormfuncties kan worden gebruikt om de mantelvloeistof te richten om de kernstroom te vormen: groeven of richels kunnen worden geconfigureerd als strepen, chevrons of visgraat.
- Een toolbox van deze functies kan worden toegewezen aan het gewenste stroomresultaat.
- Microkanalen kunnen worden gemaakt met behulp van lithografie, gieten, frezen of druktechnieken. De substraatmaterialen mogen niet oplossen of eroderen in de prepolymeer- of manteloplossingen en voor gefotoïnitieerde polymerisaties moeten de externe lagen transparant zijn voor ultraviolet licht.
- De vorm die door een enkele set vormfuncties wordt gecreëerd, kan worden gewijzigd door de stroomsnelheden door het kanaal te wijzigen. COMSOL Multiphysics simulaties van vloeistofstroom in de microkanalen zijn in staat om de resulterende vloeistof- en vezelvormen te voorspellen.
- Het matchen van de viscositeit en fase (hydrofilie) van de schede en kernvloeistoffen is van cruciaal belang om instabiliteit van het kniktype te voorkomen, als gevolg van variatie in afschuifbelasting over de vloeistofinterface. Als er een grote viscositeit of fase mismatch viskeuze knik kan optreden, mogelijk vervormen van de uiteindelijke vezelvorm of zelfs verstopping van het microkanaal.
- Vezels kunnen worden gevormd door gieten of polymeriseren, maar polymerisatie biedt meer controle over de vorm.
- Polymerisatie (stolling van de kernvloeistof) moet plaatsvinden voordat het microkanaal wordt verlaten. Langzamere polymerisatie in het kanaal kan echter een toename van de viscositeit veroorzaken, waardoor de vezelvorm wordt beïnvloed of zelfs het kanaal verstopt raakt. De tijd en locatie van polymerisatiegebeurtenissen moeten zorgvuldig worden gecontroleerd.
- Vanwege hun snelle reactiekinetiek zijn fotogeïnduceerde polymerisaties van vrije radicalen, met name klikchemieën op basis van thiol, bijzonder geschikt voor vezelproductie.
- De relatieve debieten kunnen tijdens de fabricage worden gewijzigd om niet-uniforme vezeldiameters te creëren.
- Meerdere groepen vormfuncties kunnen om de volgende redenen in één kanaal worden geïntegreerd:
- De vorm- en maatfuncties scheiden
- Om meerlaagse of holle vezels te maken
- Om meerdere vezels te produceren uit één microfluïdisch kanaal
- Vloeibare kristalmesogenen die in het polymeer zijn opgenomen bij zeer lage concentraties vertonen birefringentie onder gepolariseerd licht, wat suggereert dat polymeermoleculen langs de as van de vezels kunnen worden uitgelijnd.
- Cellen kunnen worden opgenomen in biocompatibele hydrogelprepolymeren en overleven het fabricageproces met hoge levensvatbaarheid22.
Bij het fabriceren van polymeervezels met behulp van hydrodynamische scherpstelling door een schedestroom om een prepolymeerstroom te vormen, is selectie van polymeermaterialen een praktische eerste stap. De juiste polymeren, overeenkomstige initiatorchemieën en mantelvloeistoffen moeten worden geïdentificeerd binnen de volgende richtlijnen:
- Polymeer- en mantelvloeistoffen zijn mengbaar en hebben een vergelijkbare viscositeit. Een waterige monomeeroplossing kan bijvoorbeeld water gebruiken als een levensvatbare schedevloeistof, maar kan hexaan niet gebruiken als de schedevloeistof.
- Het polymerisatiemechanisme moet snel genoeg snelheid kinetiek hebben om de kernvloeistof te stollen na het vormen en onmiddellijk voordat de vezel het kanaal verlaat.
Nadat de materialen zijn geselecteerd, moet een microkanaal worden ontworpen om de gewenste vezelvorm en -grootte te genereren. Om de vereiste vormkenmerken (strepen, visgraat, chevrons) te bepalen, kan computationele vloeistofdynamicasoftware worden gebruikt om de vloeistofstroompatronen te voorspellen. De vormkenmerken transporteren de mantelvloeistof rond de kernvloeistof. Over het algemeen verplaatsen strepen de mantelvloeistof over de boven- en onderkant van het kanaal van de ene kant naar de andere, terwijl visgraat en chevrons de vloeistof van de zijkanten naar de boven- en / of onderkant van het kanaal verplaatsen en vervolgens terug naar het midden van het kanaal direct onder het punt van de structuur. Het aantal repetitieve groeven in de boven- en onderkant van het kanaal beïnvloedt de mate waarin de mantelvloeistof wordt geleid. De verhouding van debieten van de kern en de mantelvloeistof bemiddelt ook het effect. Simulaties met COMSOL Multiphysics-software zijn betrouwbaar gebleken bij het evalueren van de interacties van de vormfuncties en debietverhoudingen om de dwarsdoorsnedevorm te voorspellen. Deze simulaties bieden ook nuttig inzicht in de verspreiding van opgeloste bewegingen tussen de kern en de huls met de grootte van het kanaal, de viscositeit en de voorgestelde debieten.
Als een complexe vorm gewenst is, zoals het “dubbele anker” beschreven in Boyd et al. 23,is het nuttig om de functies van het vormen en het dimensioneren te scheiden. Een complexe vorm kan worden gecreëerd met één set kenmerken en vervolgens kan een strategisch geplaatste structuur met één groef die aan de ingang van een tweede mantelstroom is geplaatst, worden gebruikt om het dwarsdoorsnedegebied van de polymeriseerbare stroom te verminderen zonder de vorm ervan aanzienlijk te veranderen.
Een ander voorbeeld van complex microkanaalontwerp kan meerlaagse vezels genereren. In dit ontwerp worden opeenvolgende sets vormfuncties en extra bekledingsvloeistoffen geïntroduceerd. Deze concentrische stromen kunnen worden gestold tot vaste kernbekledingsvezels of holle buizen. Een voorbeeld van dit apparaat wordt hieronder weergegeven.
Zodra het ontwerp van het microfluïdische apparaat is gekozen, kan het microkanaal fabricageproces beginnen. Fabricagegereedschappen die kunnen worden gebruikt, zijn onder meer zachte lithografie, CNC-frezen, hot embossing en 3D-printen. Ongeacht de gebruikte gereedschappen, is het belangrijk om te beseffen dat functies die per ongeluk in de wand van het microfluïdische kanaal worden geïntroduceerd, ook de schedestroom zullen sturen en kunnen resulteren in zeer reproduceerbare afwijkingen in de dwarsdoorsnedevorm van alle vezels die met dat apparaat zijn gemaakt. Microkanaalsubstraatmaterialen moeten ook zorgvuldig worden geselecteerd om fysiek robuust, chemisch inert en bestand tegen UV-schade te zijn. Polydimethylsiloxaan (PDMS) kan bijvoorbeeld gemakkelijk worden gegoten, biedt pakkingachtige afdichtingen en is UV-transparant; PDMS is handig voor de transparante bovenkant van het kanaal, maar niet voor de zijkanten en onderkant van het kanaal, die meer stijfheid nodig hebben.
Uiteindelijk, door de juiste geselecteerde kern- en mantelvloeistoffen te introduceren met de stroomsnelheden die worden voorspeld door de vloeistofdynamicasimulaties, zullen de vormfuncties het juiste vloeistofprofiel genereren en zal de downstream UV-uithardingslamp de ontworpen polymeervezels stollen. Continue extrusie van de gepolymeriseerde vezels uit het kanaal kan reproduceerbare vezels leveren in lengtes die alleen worden beperkt door het volume van de vloeistofreservoirs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fabricage van polymeervezels met behulp van de mantelstroombenadering heeft meerdere voordelen in vergelijking met andere vezelfabricagetechnieken. Een van die voordelen is de mogelijkheid om vezels te fabriceren met behulp van verschillende reagenscombinaties. Hoewel hier een specifieke thiol-yne combinatie werd gepresenteerd, werken verschillende andere thiol click (waaronder thiol-ene) chemiecombinaties even goed. Een grote verscheidenheid aan andere combinaties kan worden gebruikt om vezels te produceren, zolang de manteloplossing mengbaar is met het te polymeriseren kernmateriaal. Insluitsels zoals nanovezels, deeltjes en cellen zijn ook mogelijk zolang rekening wordt gehouden met de bijdragen van deze additieven aan de viscositeit van de prepolymeeroplossing.
Thiol click chemistry is een subset van de click chemistry familie waarin een complex met een thiolgroep covalent kan worden gekoppeld aan een complex met ofwel een alkene (double bond) ofwel alkyne (triple bond) functionele groep door UV licht fotopolymerisatie. Reacties waarbij alkenen betrokken zijn, worden thiol-enereacties genoemd en reacties met alkynen worden thiol-yne reacties genoemd. Een pi-binding (van een alkene of alkyne) hecht zich aan één thiolgroep na UV-lichtstraling. Het proces past goed binnen de klikfamilie van reacties en is effectief gebruikt in ons microfluïdische kanaal om vezels van verschillende vormen(bijv. rond, lintvormig, dubbel anker) te produceren uit tal van thiol klikstartcomponenten.
Een specifiek voordeel van de hier beschreven methode in vergelijking met de meeste andere soortgelijke processen is het vermogen om zowel de vorm als de grootte van de geproduceerde vezels te controleren (figuren 4A-H). Door een kanaal te ontwerpen om strepen, chevrons of visgraat te hebben, zal de geproduceerde vezel een andere dwarsdoorsnedevorm hebben. Over het algemeen zijn de strepen nuttig voor het produceren van ronde vormen of voor het introductie van extra mantelstromen om eerder gevormde stromen volledig te omringen en ze vóór polymerisatie van de kanaalwanden te verwijderen. De chevrons verminderen de verticale dimensie in het midden van de gevormde stroom, waardoor de horizontale symmetrie behouden blijft. De visgraat vermindert de verticale dimensie van één kant van de gevormde stroom, waardoor asymmetrie ontstaat. Deze vormgereedschappen kunnen in ontelbare combinaties worden gemengd. Het aantal gelijkwaardige kenmerken(d.w.z. 7 chevrons versus 10 chevrons) kan ook worden gebruikt om vezels met verschillende dwarsdoorsnedeprofielen te produceren.
Naast het vermogen om de vezelvorm te controleren, biedt de gepresenteerde vezelfabricagemethodologie ook de mogelijkheid om de grootte van de vervaardigde vezels te controleren, zelfs met behulp van een enkele mantelstroomassemblage(bijv. figuur 1). Het aanpassen van de schede: kerndebietverhouding is één middel om vezels met verschillende dwarsdoorsnedegebieden te fabriceren. Het is ook mogelijk om de grootte van de vezel te regelen door het kanaalontwerp aan te passen om extra ommantelingsfasen te hebben. Of de vormgeving nu in een of meer fasen plaatsvindt, een eenvoudige laatste fase kan worden gebruikt om de grootte van de kern te verkleinen zonder de vorm te veranderen.
Het gemak waarmee een veelheid aan reagenscombinaties kan worden gebruikt om vezels van verschillende vormen en maten te produceren met behulp van dit microfluïdische kanaalontwerp zal nuttig zijn in een breed scala aan toepassingen, van weefseltechnologie tot optische communicatie tot slim textiel.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Darryl A. Boyd en Michael A. Daniele zijn Postdoctorale Fellows van de National Research Council. Het werk werd ondersteund door ONR/NRL Work Units 4286 en 9899. De meningen zijn die van de auteurs en vertegenwoordigen niet de mening of het beleid van de Amerikaanse marine of het ministerie van Defensie.
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 |
References
- 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).
