المنصوص عليها 3-D المباشر الكتابة من معلق ميكرون / ميكرون الفرعي الهياكل مقياس الألياف عن طريق نظام التركيب الروبوتية
Summary
هنا، نقدم بروتوكول لافتعال علقت بحرية، ميكرون / ميكرون الفرعي ألياف البوليمر على نطاق والهياكل "شبكة الإنترنت مثل" ولدت عبر الآلية الإجراء الكتابة مباشرة عن طريق نظام الاستغناء عن 3 محاور.
Abstract
A 3-axis dispensing system is utilized to control the initiating and terminating fiber positions and trajectory via the dispensing software. The polymer fiber length and orientation is defined by the spatial positioning of the dispensing system 3-axis stages. The fiber diameter is defined by the prescribed dispense time of the dispensing system valve, the feed rate (the speed at which the stage traverses from an initiating to a terminating position), the gauge diameter of the dispensing tip, the viscosity and surface tension of the polymer solution, and the programmed drawing length. The stage feed rate affects the polymer solution’s evaporation rate and capillary breakup of the filaments. The dispensing system consists of a pneumatic valve controller, a droplet-dispensing valve and a dispensing tip. Characterization of the direct write process to determine the optimum combination of factors leads to repeatedly acquiring the desired range of fiber diameters. The advantage of this robotic dispensing system is the ease of obtaining a precise range of micron/sub-micron fibers onto a desired, programmed location via automated process control. Here, the discussed self-assembled micron/sub-micron scale 3D structures have been employed to fabricate suspended structures to create micron/sub-micron fluidic devices and bioengineered scaffolds.
Introduction
على مدى العقود القليلة الماضية، ومجموعة متنوعة من تقنيات التصنيع، مثل الغزل الرطب، الغزل الجاف وelectrospinning، وقد استخدمت لإنشاء هياكل الألياف البوليمر الرواية مع خصائص متنوعة وقوية البيولوجية والكيميائية والكهربائية والميكانيكية 12/01. على الرغم من أن هذه التقنيات الغزل قادرة على توليد علقت الألياف ثلاثية الأبعاد، فهي محدودة في قدرتها على التحكم بدقة اتجاه الألياف في ثلاثة أبعاد منذ ترسب ألياف عبر هذه العمليات بشكل عشوائي في الطبيعة. بالإضافة إلى ذلك، يتم تقييد هذه التقنيات في نطاق الأبعاد من أجل الألياف تلفيق. على وجه التحديد، والألياف المنتجة عن طريق الغزل الرطب والجاف تختلف في القطر من عشرات إلى مئات من ميكرون، في حين electrospinning عوائد الألياف بأقطار تتراوح من عشرات نانومتر إلى 13 ميكرون واحد.
لتوفير مزيد من التحكم الدقيق في اتجاه الألياف في الفضاء 3-D، وضعت مجموعتنا النفس-assemble أو "الكتابة المباشر" عملية تصنيع الألياف التي يقذف مباشرة المواد البوليمرية من الشعرية جوفاء ثم توجه خيوط الفردية التي رقيقة ويصلب في أقطار الألياف يمكن التنبؤ بها من خلال استغلال سطح يحركها التوتر ميكانيكا الموائع 14. نظامنا المباشر والكتابة الأولي لزيادة مستوى السيطرة على الموقف الألياف وقطر يتألف من ربيع تحميل نظام حقنة الاستغناء العرف ملفقة تعلق على الرأس من العرف الترا عالية الدقة Micromilling آلة (الشكل 1). كان UHPMM مرحلة مع قرار الموضعية 1.25 نانومتر في X و Y الاتجاهات و20 نانومتر في الاتجاه Z التي كانت تسيطر برمجيا لإنشاء ميكرون وميكرون الفرعي الأسلاك والهياكل الحجم. كان واحد الحد من هذا النظام الكتابة المباشرة خاص عدم وجود التحكم في التدفق من الحل البوليمر من خلال طرف الإبرة. على الرغم من أن الربيع تحميل نظام صرف لدت بنجاح فلو المستمرث من خلال معلومات سرية، تم إنشاء حبة كروية تتوسع بشكل مستمر من حل البوليمر عند مخرج طرف الحقنة، والتي تختلف في الحجم وحجم اعتمادا على الظروف البيئية.
الشكل 1. صورة من الترا آلة عالية الدقة Micromilling: أول نظام الكتابة المباشرة المستخدمة في تصنيع الهياكل على نطاق ميكرون / ميكرون الفرعي الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
التناقض في هذه حبة المصدر أثر على قدرة النظام على افتعال مرارا الأسلاك قطر المقررة. وإن كان ذلك، تم إنشاء هياكل بنجاح باستخدام هذه العملية الكتابة المباشرة، فإن تعزيز عملية عن طريق زيادة السيطرة على تدفق حل البوليمر تسمح لمزيد من PRECIحد ذاتها، المنصوص عليها أقطار الألياف من خلال تنظيم حجم حبة في طرف الحقنة. وهكذا، يصف هذا العمل تنفيذ 3 محاور نظام صرف الآلي مع دفعتها بالهواء المضغوط صمام موزع على التحكم بدقة في حل البوليمر معدل التدفق وطرف حبة حجم لخلق المقررة، ميكرون / شبه ميكرون الهياكل مع وقف التنفيذ.
Protocol
Representative Results
Discussion
قبل محاولة كل محاكمة، فمن الأهمية بمكان أن اللزوجة، معاملات نقل الجماعي والتوتر السطحي اختبار الحلول البوليمر قياسها بدقة من أجل تحديد ما إذا كان الروبوت ونظام توزيع قادر على معالجة البوليمر المطلوب. كما هو موضح سابقا من قبل مجموعة لدينا، يجب أن الحلول البوليمر تحتفظ الكافي: 1) التوتر السطحي لتمكين تشكيل خيوط السائلة في الهياكل / شبه ميكرون ميكرون. 2) اللزوجة على تحمل الشعرية تفريق. و، 3) معدل التبخر لتعزيز الألياف التصلب 18. التآزر بين هذه المعايير هو المفتاح لإنتاج الألياف مع مجموعة محددة من أقطار بنجاح. في نفس الوقت، وعدم الاستقرار في أي من هذه المعلمات يمنع تشكيل ميكرون / ميكرون الفرعي الألياف الحجم. للحفاظ على التآزر بين هذه المعايير خلال الألياف تلفيق، فمن المهم التأكد من أن الإبرة وصمام إبرة يتم تنظيفها بعد ثانية الكتابة المباشرession لمنع: 1) تلوث من الحل. 2) انخفاض في معدل تدفق حل البوليمر من خلال إبرة. و، 3) النمو المفرط في حبة البوليمر في رأس الإبرة. بالإضافة إلى ذلك، يجب تعيين للتحكم في درجة الحرارة في سخان إلى درجة الحرارة المطلوبة للحفاظ على معدل التبخر المستمر للحل البوليمر.
وكانت ألياف فرع ذات الشعبتين 59٪، 41٪ و 24٪ في قطر أكبر من ذلك من هياكل الدعم في أرقام 6-8 على التوالي، وذلك باستخدام حل PMMA 24٪. ومن المقرر أساسا إلى المسافة التي يتم رسمها الألياف هذا. على وجه التحديد، يتم رسمها هياكل الدعم عبر كامل عرض الركيزة (10.0 ملم في X و Y الاتجاهات؛ 14.4 ملم قطريا). ونتيجة لذلك، وهذه هي أطول الألياف الهياكل علقت بشكل عام. الهياكل فرع ذات الشعبتين هي أقصر بكثير، تتراوح بين 7 مم الحد الأقصى لطول وصولا الى 2.5 ملم. هذا أقصر طول الألياف الرسم لا لار لحث على نحو فعال سلالة الألياف المطلوبة أثناء عملية ترقق الألياف من أجل إنتاج ألياف صغيرة قطرها. من ناحية أخرى، يطلب من أسلاك قطرها أكبر لتكون بمثابة الألياف دعم من أجل الحفاظ على نحو فعال التجاذبات وتشوه بفعل أثناء عملية الرسم فرع ذات الشعبتين. كما يتم رسمها فروع التشعب عبر الألياف الدعم، يمكن أن يحدث إعادة عرض للهندسة الألياف بتأييد واسع بسبب قوات الرسم، فضلا عن حل المترجمة من البوليمر PMMA في واجهة بين الدعم وألياف متفرعة من الحاضر المذيبات في حل البوليمر. وهكذا، في بعض الحالات، قد يحتاج ألياف الدعم لتكون ملفقة من حل البوليمر يتكون من تركيز أعلى من مادة البوليمر لإنتاج أكبر القطر والألياف ميكانيكيا أقوى.
هناك أساسا ثلاث طرق فعالة لتعديل البروتوكول القائم لتوليد مجموعة واسعة من الدعم والألياف تشعبتقطر: 1) الاستغناء البداية البوليمر من طرف الإبرة أكبر (على سبيل المثال، 25 G؛ ID = 254 ميكرون) لتوليد ألياف الدعم وثم تبادل لمعلومات سرية أصغر إبرة (على سبيل المثال، 32 G؛ ID = 101.6 ميكرون) لتلفيق ألياف متفرعة أصغر؛ 2) كما ذكر أعلاه، استخدام تركيزات البوليمر متعددة؛ و / أو، 3) ضبط معدل التغذية، أي السرعة التي تقطع مرحلة، حيث زيادة معدل التغذية تنتج ألياف قطرها أصغر وخفض معدل التغذية يخلق الألياف قطرها أكبر. حتى الآن، كنا قادرين على افتعال بنجاح ألياف صغيرة مثل 90 نانومتر. ومع ذلك، فإن العائد الألياف في هذا البعد منخفض بسبب تفكك الشعرية.
واحد الحد من عملية الكتابة مباشرة الآلي هو أن تركيز واحد فقط من حل البوليمر يمكن الاستغناء عنها في وقت واحد. وهذا يحد من مستوى تعقيد الهياكل علقت على وضعها دون الحاجة إلى: 1) إضافة صمام الاستغناء الثاني للروبوت.أو، 2) إزالة صمام القائمة وتنفيذ البروتوكول التنظيف (القسم 3.4) قبل الاستغناء عن حل البوليمر الثاني، والتي تأخذ وقتا إضافيا. والقيد الثاني هو معدل التغذية (أو سرعة الطباعة)، حيث يبلغ معدل تغذية الأقصى أن النظام قادر على تحقيق 500 ملم / ثانية. ومع ذلك، هناك علاقة تبادلية بين معدل التغذية وتشكيل الألياف. على وجه التحديد، إن قوات بالقصور الذاتي (القوات المقرر أن معدل التغذية) هي أكبر من القوات التوتر السطحي ومعدل التبخر من الحل البوليمر، لا تحدث تشكيل الألياف. من ناحية أخرى، إذا كان معدل التغذية منخفضة جدا، وسوف ألياف كسر بسبب التبخر المفرط قبل وأثناء عملية استطالة. ثالثا، والألياف وهيكل أبعاد تقتصر على نطاق التشغيل للمرحلة الروبوت، أي 200 ملم، 200 ملم و 25 ملم (مع 10 ميكرون دقة الموضعية) في الاتجاهات X و Y و Z، على التوالي. ومع ذلك، فإن هذه العملية يفعل تمكين تشكيل الجانب نسبة عالية (الألياف لength: قطر) الألياف. استراتيجيا متفاوتة الاستغناء حجم غيض وتركيز المحلول البوليمر من شأنها أن تسمح لمجموعة قطر الألياف أوسع، وخلق القدرة على توليد هياكل علقت بحرية من أعلى التعقيد.
باتباع ذكرت البروتوكولات أعلاه، يمكن أن تتولد ميكرون وقطرها submicron ألياف البوليمر مع مستوى عال من السيطرة المكانية من خلال استغلال سطح يحركها التوتر ميكانيكا السوائل من الحلول البوليمر، والتي لا يمكن السيطرة عليها مع أي العمليات الرطبة، الجافة أو electrospinning أخرى . من العمل قبل 8،19، ونحن نعلم أن هذه التقنية يمكن استخدامها لتصنيع معقدة الدقيقة / submicron أجهزة الموائعية 19 و السقالات الهندسة البيولوجية 8. هذه التقنية سهلة ورخيصة مزاياه الخاصة على الطرق المسوي تلفيق التقليدية في نواح كثيرة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work is supported by the NSF-EPSCoR (grant #0814194) and the Department of Bioengineering.
Materials
| ROBOT DR2203N 3 AXES 200MM X 200MM | Nordson EFD | 7023145 | 3-Axis Robot |
| CONTROLLER 7100, DISPENSE VALVE | Nordson EFD | 7015340 | Valve Controller |
| MICRODOT VALVE | Nordson EFD | 7021233 | Microdot Valve |
| ROBOT ACC FIXTURE PLATE 200MM | Nordson EFD | 7028276 | Fixture Platen |
| ROBOT ACC DRN / DSRN POINTS SOFTWAR | Nordson EFD | 7023144 | JR-C Software |
| ROBOT MOUNT VALVE UNIVERSAL | Nordson EFD | 7028273 | Microdot Valve Mount |
| 15 PSI BARREL PRESS. REGULATOR | Nordson EFD | 7020585 | Barrel Regulator |
| KIT O BRL/PIST 5CC CL/WH 40 | Nordson EFD | 7012096 | 5CC Barrels with Pistons |
| ADAPTER ASM O 5CC BL | Nordson EFD | 7012054 | Pneumatic Barrel Adapter |
| TIP 30GA .006X.25 LAVNDR 50PC | Nordson EFD | 7018424 | 30 GA Needle Tip (0.250" length) |
| Electric Baseboard Heater (500W, 30" length) | Cadet | 2F500 | Heater |
| Temperature Controller with Timer | Control Company | 130726596 | Temperature Controller |
| eScope USB Microscope | OiTez | DP-M02 | 200X USB Microscope |
| Poly(methyl methacrylate) | Aldrich | 182265-500G | PMMA Powder |
| Chlorobenzene | Sigma Aldrich | 284513 | Solvent to dissolve PMMA |
References
- Andrew, K. E., Glenn, D. P., Simon, M. C., Dietmar, W. H. Combining Electrospun Scaffolds with Electrosprayed Hydrogels Leads to Three-Dimensional Cellularization of Hybrid Constructs. Biomacromolecules. 9 (8), 2097-2103 (2008).
- Cho, S. M., Kim, Y. J., Kim, Y. S., Yang, Y., Ha, S. -. C. The application of carbon nanotube-polymer composite as gas sensing materials. Sensors. Proc. of IEEE. 2, 701-704 (2004).
- Xu, F., Horak, P., Brambilla, G. Optical microfiber coil resonator refractometric sensor. Optics Express. 15 (12), 7888-7893 (2007).
- Dalton, P. D., Joergensen, N. T., Groll, J., Moeller, M. Patterned melt electrospun substrates for tissue engineering. Biomed. Mater. 3 (3), 034109 (2008).
- Hadjizadeh, A., Doillon, C. J., Vermette, P. Bioactive polymer fibers to direct endothelial cell growth in a three-dimensional environment. Biomacromolecules. 8 (3), 864-873 (2007).
- Xu, C. Y., Inai, R., Kotaki, M., Ramakrishna, S. Aligned biodegradable nanofibrous structure: a potential scaffold for blood vessel engineering. Biomaterials. 25 (5), 877-886 (2004).
- You, Y. M., Lee, B. L. e. e. S. J., Lee, T. S., Park, H. In vitro degradation behavior of electrospun polyglycolide, polylactide, and poly(lactide-co-glycolide). J. Appl. Polym. Sci. 95 (2), 193-200 (2005).
- Berry, S., et al. Endothelial cell scaffolds generated by 3D direct writing of biodegradable polymer microfibers. Biomaterials. 32 (7), 1872-1879 (2011).
- Dalton, A. B., et al. Super-tough carbon-nanotube fibres. Nature. 423, 703 (2003).
- Dalton, A. B., et al. Continuous carbon nanotube composite fibers: properties, potential applications, and problems. J. Mater. Chem. , 1-3 (2004).
- Sperling, L. H. . Introduction to physical polymer science. , 325-347 (1992).
- Harfenist, S. A., et al. Direct drawing of suspended filamentary micro- and nanostructures from liquid polymers. Nano. Lett. 4 (10), 1931-1937 (2004).
- Yang, R. R., He, J. H., Xu, L., Yu, J. Y. Bubble-electrospinning for fabricating nanofibers. Polymer. 50 (24), 5846-5850 (2009).
- Berry, S., et al. Characterization and modeling of direct-write fabrication of microscale polymer fibers. Polymer. 52 (7), 1654-1661 (2011).
- . . Janome Desktop Robot JR2000N Series Operation Manual. , (2007).
- . . Brookfield DV-II+ Programmable Viscometer Operating Manual, Manual No. M/97-164-B299. , (1999).
- Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. . Scanning and transmission electron microscopy : an introduction. , (1993).
- Berry, S. M., Pabba, S., Cohn, R. W., Keynton, R. S. Direct-Write Drawing of Carbon Nanotube/Polymer Composite Microfibers. J. Nanomater. 2012, 1-8 (2012).
- Berry, S. M., Roussel, T. J., Cambron, S. D., Cohn, R. W., Keynton, R. S. Fabrication of suspended electrokinetic microchannels from directly-written sacrificial polymer fibers. Microfluid. Nanofluid. 13, 451-459 (2012).
