미리 설계된 크기와 모양의 중합체 및 바이오 하이브리드 섬유의 미세 유체 제조
Summary
홈마이크로유체 채널을 통과하는 2개의 인접한 유체는 사전 중합체 코어 주위의 칼집을 형성하도록 지시될 수 있다; 따라서 모양과 단면을 모두 결정합니다. 티올 클릭 화학과 같은 광숙련 중합화는 코어 유체를 소정의 크기와 모양으로 미세화로 빠르게 고화시키는 데 적합합니다.
Abstract
낮은 레이놀즈 수의 미세 유체 채널을 통과하는 “칼집”유체는 다른 “코어” 스트림을 중심으로 지시할 수 있으며 코어 스트림의 직경뿐만 아니라 모양을 지시하는 데 사용할 수 있습니다. 미세 유체 채널의 상단과 하단에 있는 홈은 칼집 유체를 지시하고 코어 유체를 형성하도록 설계되었습니다. 칼집과 코어 유체의 점도와 친수성을 일치시킴으로써, 얼굴 내 효과를 최소화하고 복잡한 유체 형상이 형성될 수 있다. 칼집과 코어 유체의 상대적 유량을 제어하여 코어 유체의 단단 면적을 결정합니다. 섬유는 300nm에서 ~1mm에 이르는 크기로 생산되었으며, 섬유 단면은 이중 앵커 섬유의 경우와 같이 둥글거나 평평하거나 정사각형이거나 복잡할 수 있습니다. 형성 영역에서 코어 유체 하류의 중합은 섬유를 고화시킨다. 광숙련 된 클릭 화학은 자외선을 가진 조사에 의해 코어 유체의 신속한 중합에 적합합니다. 액정, 폴리(메틸메타크레이트), 티올-에네 및 티올-이네 수지, 폴리에틸렌 글리콜, 하이드로겔 유도체 등 다양한 형태를 가진 섬유가 폴리머 목록에서 생산되고 있다. 성형 공정 및 온화한 중합 조건 동안 최소한의 전단은 또한 세포 및 기타 생물학적 성분의 캡슐화에 적합하게 제조 공정을 만든다.
Introduction
조직 비계1,복합재료2,광통신3,전도성 하이브리드 소재4는 특수폴리머 섬유를 활용한 연구 분야이다. 섬유 제조를 위한 전통적인 방법은 용융 압출, 회전, 도면, 주조 및 전기 방사을 포함합니다. 이러한 방법에 의해 생성된 대부분의 폴리머 섬유는 제조 중에 폴리머와 공기 사이의 표면 장력에 의해 생성된 둥근 단면을 나타낸다. 그러나, 비원형 단면을 가진 섬유는복합재료5,6의기계적 특성을 향상시키고, 표면적 대 부피 비율을 증가시키고, 습윤 또는 위수7을제어할 수 있으며, 도파선8 또는 편광제(9)로 활용될 수 있다.
한 스트림(sheath flow)을 사용하여 다른 스트림(core flow)을 서라운드및 형상화하는 미세유체 시스템에 의한 특수 폴리머 섬유의 생산은 고재생성 섬유의 지속적인 생산을 위한 온화한 조건과 용량 때문에 매력적입니다. 초기 실험은 프리폴리머 및 칼집유체10-12의상대적 유량에 따라 크기가 있는 원형 섬유를 생산하였다. 미세 유체 채널의 상단과 하단에 있는 홈이 코어 스트림13,14에 대한 소정의 모양을 생성하기 위해 칼집을 편향시킬 수 있다는 발견은10-12,15-17보다복잡한 섬유 모양을 생성하는 기술로 이어졌다.
NRL 조사관은 다음과 같은 중요한 기술적 특징을 입증했다13-21:
- 다양한 성형 기능을 사용하여 칼집 유체를 지시하여 코어 스트림을 형성할 수 있습니다: 홈 또는 능선은 줄무늬, 셰브론 또는 청어본으로 구성될 수 있다.
- 이러한 피처의 도구 상자를 원하는 흐름 결과에 매핑할 수 있습니다.
- 마이크로 채널은 리소그래피, 성형, 밀링 또는 인쇄 기술을 사용하여 만들 수 있습니다. 기판 재료는 전중합체 또는 칼집 용액에서 용해되거나 침식되어서는 안되며, 광개시 중합화를 위해서는 외부 층이 자외선에 투명해야 합니다.
- 단일 셰이핑 피쳐 집합에 의해 생성된 셰이프는 채널을 통해 유량의 변경으로 변경할 수 있습니다. 마이크로 채널에서 유체 흐름의 COMSOL 다물리학 시뮬레이션은 결과 유체 및 섬유 모양을 예측할 수 있습니다.
- 칼집과 코어 유체의 점도와 위상(수성)을 일치시키는 것은 유체 인터페이스 전반에 걸친 전단 변형의 변화로 인해 발생하는 좌굴형 불안정을 피하는 데 매우 중요합니다. 큰 점도 또는 위상 불일치 점성 좌굴이 발생할 수 있는 경우, 아마도 최종 섬유 모양을 변형하거나 마이크로 채널을 막을.
- 섬유는 주조 또는 중합화에 의해 형성될 수 있지만 중합화는 형상에 대한 더 많은 제어를 제공합니다.
- 중합(코어 유체의 응고)은 마이크로채널을 종료하기 전에 발생해야 한다. 그러나, 채널 내의 중합속도가 느려지면 점도가 증가하여 섬유 형상에 영향을 미치거나 심지어 채널을 막을 수도 있다. 중합 이벤트의 시간과 위치는 신중하게 제어되어야합니다.
- 그들의 급속한 반응 운동으로 인해, 사진 유도 된 자유 라디칼 중합화, 특히 티올 기반 의 클릭 화학, 섬유 생산에 특히 적합합니다.
- 상대유량은 제조 중에 변경되어 균일하지 않은 섬유 직경을 생성할 수 있습니다.
- 여러 가지 형태의 피처 그룹을 단일 채널에 통합할 수 있습니다.
- 쉐이핑 및 크기 조정 함수를 분리하려면
- 다층 또는 중공 섬유를 만들려면
- 단일 미세 유체 채널에서 여러 섬유를 생산하려면
- 매우 낮은 농도에서 폴리머에 통합된 액정 메소겐은 편광 하에서 배금선을 나타내며, 이는 폴리머 분자가 섬유의 축을 따라 정렬될 수 있음을 시사한다.
- 세포는 생체 적합성 하이드로겔 프리폴리머에 통합될 수 있으며 높은생존율(22)으로제조 공정에서 살아남을 수 있다.
전폴리머 스트림을 형성하기 위해 시스 스트림에 의해 유체 역학 적 초점을 사용하여 폴리머 섬유를 제조 할 때, 폴리머 재료의 선택은 실용적인 첫 번째 단계이다. 적절한 폴리머, 해당 이시제 화학 및 칼집 유체는 다음 지침 내에서 확인되어야 합니다.
- 폴리머 와 칼집 유체는 오해의 소지가 있으며 점도가 유사합니다. 예를 들어, 수성 단량제 용액은 물을 가능한 칼집 유체로 활용할 수 있지만 육사액을 칼집 유체로 사용할 수는 없습니다.
- 중합 메커니즘은 성형 후 섬유가 채널을 종료하기 직전에 코어 유체를 고화시키기에 충분한 속도 역학을 가져야합니다.
재료를 선택한 후 원하는 섬유 모양과 크기를 생성하는 마이크로 채널을 설계해야 합니다. 필요한 성형 기능(줄무늬, 헤링본, 셰브론)을 결정하기 위해 계산 유체 역학 소프트웨어를 사용하여 유체 흐름 패턴을 예측할 수 있습니다. 형성 기능은 코어 유체 주위에 칼집 유체를 운반합니다. 일반적으로 줄무늬는 채널의 위쪽과 아래쪽을 가로질러 칼집 유체를 한쪽으로 이동하는 반면, 청어본과 셰브론은 유체를 측면에서 채널의 위쪽 및/또는 아래쪽으로 이동한 다음 구조의 지점 바로 아래 채널의 중심으로 이동합니다. 채널의 상단과 하단에 있는 반복적인 홈의 수는 칼집 유체가 지시되는 정도에 영향을 미칩니다. 코어 및 칼집 유체의 유량 비율도 효과를 중재합니다. COMSOL 다중물리학 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션은 형성 기능및 유량 비율의 상호 작용을 평가하여 단면 모양을 예측할 수 있는 신뢰할 수 있는 것으로 입증되었습니다. 또한 이러한 시뮬레이션은 코어와 칼집 사이의 솔루트 의 확산에 대한 유용한 통찰력을 제공하며, 제안된 채널의 크기, 점도 및 유량의 크기도 제공합니다.
보이드 등에서 기재된 “이중 앵커”와 같은 복잡한 형상이 바람직한 경우. 도 23,성형 및 크기 조정의 기능을 분리하는 것이 유용하다. 복잡한 형상은 하나의 피쳐세트로 생성된 다음, 두 번째 피싱 스트림의 입구에 배치된 전략적으로 배치된 단일 홈 구조를 사용하여 형태를 크게 변경하지 않고 중합스트림의 단면 영역을 감소시키는 데 사용할 수 있다.
복잡한 마이크로 채널 설계의 또 다른 예는 다층 섬유를 생성할 수 있습니다. 이 설계에서는 셰이핑 기능및 추가 클래딩 유체의 순차적인 세트가 도입됩니다. 이러한 동심 흐름은 고체 코어 클래딩 섬유 또는 중공 튜브로 응고될 수 있습니다. 이 장치의 예는 아래에 표시됩니다.
미세 유체 장치의 설계가 선택되면 마이크로 채널 제작 프로세스가 시작될 수 있습니다. 사용할 수 있는 제조 도구에는 소프트 리소그래피, CNC 밀링, 핫 엠보싱 및 3D 프린팅이 포함됩니다. 사용되는 도구에 관계없이, 마이크로 유체 채널의 벽에 실수로 도입 된 기능이 칼집 흐름을 지시하고 해당 장치를 사용하여 만든 모든 섬유의 단면 모양에서 매우 재현 가능한 편차를 초래할 수 있음을 깨닫는 것이 중요합니다. 마이크로채널 기질 물질은 또한 물리적으로 견고하고 화학적으로 불활성이며 UV 손상에 저항하도록 신중하게 선택해야 합니다. 예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)은 쉽게 발주할 수 있고, 개스킷과 같은 씰을 제공하며, UV투명; PDMS는 채널의 투명 한 상단에 유용하지만, 더 강성이 필요한 채널의 측면과 하단은 없습니다.
궁극적으로 유체 역학 시뮬레이션에 의해 예측되는 유량에 적절히 선택된 코어 및 칼집 유체를 도입함으로써, 성형 기능은 적절한 유체 프로파일을 생성하고 다운스트림 UV 경화 램프는 설계된 폴리머 섬유를 고화시합니다. 채널에서 중합화된 섬유의 연속 압출은 유체 저장소의 부피에 의해서만 제한된 길이의 재현 가능한 섬유를 제공할 수 있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
칼집 유동 방식을 이용한 폴리머 섬유의 제조는 다른 섬유 제조 기술에 비해 여러 가지 장점이 있다. 이러한 장점 중 하나는 다양한 시약 조합을 사용하여 섬유를 제조하는 기능입니다. 특정 티올-yne 조합은 여기에 제시되었지만, 다른 여러 티올 클릭 (티올 – 에네 포함) 화학 조합은 동등하게 잘 작동합니다. 칼집 용액이 중합되는 핵심 물질과 오해의 소지가 있는 한 다양한 다른 조합이 섬유를 생산하기 위해 사용될 수 있다. 나노섬유, 입자 및 세포와 같은 포함은 또한 사전 중합체 용액의 점도에 이러한 첨가제의 기여가 고려되는 한 가능하다.
티올 클릭 화학은 티올 군을 가진 복합체가 UV 광중합에 의한 알케네(double bond) 또는 알키네(triple bond) 기능군과 함께 복합체에 공유하게 될 수 있는 클릭 화학 가족의 하위 집합이다. 알케인과 관련된 반응은 티올-에네 반응이라고 불며, 알킨스와 관련된 반응은 티올-yne 반응이라고 불려한다. 1 개의 파이 본드 (알케네 또는 알키네에서)는 UV 빛 조사 시 하나의 티올 그룹에 부착됩니다. 이 과정은 반응의 클릭 제품군 내에서 잘 어울리며, 다양한 티올 클릭 시작 구성 요소에서 다양한 모양(예 : 둥근, 리본 모양, 이중 앵커)의 섬유를 생산하기 위해 우리의 미세 유체 채널에서 효과적으로 사용되었습니다.
다른 대부분의 유사한 공정에 비해 여기에 설명된 방법에 대한 구체적인 장점은 생성된 섬유의 형상과 크기를 모두 조절할 수 있다는것이다(그림 4A-H). 줄무늬, 갈매기 또는 청어본을 갖도록 채널을 설계함으로써, 생성된 섬유는 다른 단면 모양을 갖습니다. 일반적으로 줄무늬는 둥근 모양을 생성하거나 이전에 형성된 스트림을 완전히 둘러싸고 중합 전에 채널 벽에서 멀리 이동하는 추가 칼집 스트림을 도입하는 데 유용합니다. 셰브론은 형상 스트림의 중심의 수직 치수를 줄여 수평 대칭을 유지합니다. 헤링본은 모양 스트림의 한쪽의 수직 치수를 감소시키고 비대칭을 생성합니다. 이러한 형성 도구는 무수한 조합으로 혼합될 수 있습니다. 동등한 특징의 수(즉, 7 셰브론 대 10 셰브론)는 또한 다른 단면 프로파일을 가진 섬유를 생산하는 데 사용될 수 있습니다.
섬유 형상을 제어하는 기능 외에도, 제시된 섬유 제조 방법론은 단일 칼집 유동 조립체(예: 도 1)를사용하여 제조된 섬유의 크기를 조절할 수 있는 능력을부여한다. 칼집:코어 유량 비율을 조정하는 것은 서로 다른 단면 영역으로 섬유를 제작하는 한 가지 수단입니다. 또한 채널 설계를 조정하여 섬유의 크기를 조절하여 추가적인 시딩 스테이지를 가질 수 있다. 성형이 하나 이상의 단계에서 발생하든, 간단한 최종 스테이지를 사용하여 모양을 변경하지 않고 코어크기를 줄일 수 있습니다.
다양한 시약 조합이 이 미세유체 채널 설계를 사용하여 다양한 모양과 크기의 섬유를 생산하는 데 사용할 수 있는 용이성은 조직 엔지니어링에서 광학 통신, 스마트 섬유에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 유용할 것입니다.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
대릴 A. 보이드와 마이클 A. 다니엘레는 박사 후 국가 연구 위원회 후 펠로우입니다. 이 작업은 ONR/NRL 작업 단위 4286 및 9899에 의해 지원되었다. 견해는 저자의 견해이며 미 해군이나 국방부의 의견이나 정책을 대표하지 않습니다.
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
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