Voorgeschreven 3-D Direct Schrijven van Suspended Micron / Sub-micron schaal Fiber Structures via een Robotic doseersysteem
Summary
Hier presenteren we een protocol om vrij-zwevende, micron / sub-micron schaal polymeer vezels en "web-achtige" structuren gegenereerd via geautomatiseerde direct schriftelijk procedure door middel van een 3-assige doseersysteem fabriceren.
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
In de afgelopen decennia zijn verschillende fabricagetechnieken, zoals nat spinnen, droog spinnen en electrospinning, zijn gebruikt om nieuwe polymeer vezelstructuren met diverse en robuuste biologische, chemische, elektrische en mechanische eigenschappen 1-12 creëren. Hoewel deze spinning technieken kunnen genereren gesuspendeerd driedimensionale vezels, zijn zij beperkt in hun vermogen om vezeloriëntatie nauwkeurig te regelen driedimensionaal sinds vezeldepositie via deze werkwijzen willekeurig van aard. Bovendien zijn deze technieken beperkt in hun dimensionele bereik voor fiber fabricage; specifiek, geproduceerd via natte en droge spinnen vezels variëren in diameter van enkele tientallen tot honderden microns, terwijl elektrospinnen opbrengsten vezels met een diameter van enkele tientallen nanometers tot enkele micron 13.
Om meer nauwkeurige controle van de vezeloriëntatie voorzien in 3-D ruimte, onze groep ontwikkelde een self-assemble of "direct-write" fiber fabricageproces die direct werpt een polymeer materiaal uit een holle capillaire en dan trekt de individuele filamenten die dun en stollen tot voorspelbare vezeldiameters door de exploitatie van oppervlaktespanning gedreven stromingsleer 14. Onze eerste direct-write-systeem voor het verhogen van het niveau van controle van vezels positie en diameter bestond uit een op maat vervaardigde veer spuit doseersysteem verbonden aan het hoofd van een op maat gemaakte Ultra-High Precision Micromilling Machine (figuur 1). De UHPMM had een podium met een plaatsresolutie van 1,25 nm in de X- en Y-richting en 20 nm in de Z-richting die programmatisch gecontroleerd werd micron en sub-micron schaal draden en structuren. Een beperking van dit systeem direct schrijven was het gebrek aan controle over de stroom polymeeroplossing door de naald. Hoewel de veer doseersysteem succes gegenereerd constant flow door de tip, een steeds groter wordende bolvormige kraal polymeeroplossing werd gemaakt bij de uitlaat van de spuit, welke varieerden in grootte en het volume afhankelijk van de omgeving.
Figuur 1. Afbeelding van Ultra High Precision Micromilling Machine:. De eerste rechtstreekse write systeem werkzaam zijn in het fabriceren micron / sub-micron schaal structuren Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De inconsistentie van deze bron bead invloed op de mate waarin het systeem herhaaldelijk fabriceren draden van een voorgeschreven diameter. Zij het, structuren succesvol gegenereerd met dit direct schrijfproces, zou verbetering van het proces meer controle over de stroom polymeeroplossing kan meer precise, voorgeschreven vezeldiameters door regulatie van de korrelgrootte op de spuit. Dus dit werk beschrijft de toepassing van een 3-assig geautomatiseerde afgiftesysteem pneumatisch schakel- afgifteklep aan de polymeeroplossing stroom en tip korrelgrootte te creëren voorgeschreven nauwkeurig te regelen, micron / sub-micron Hangconstructies.
Protocol
Representative Results
Discussion
Voordat elke test is het essentieel dat de viscositeit, stofoverdracht coëfficiënten en oppervlaktespanning test van de polymeeroplossingen nauwkeurig worden gemeten om te bepalen of de robot en verdeelsysteem kan verwerken het gewenste polymeer. Zoals eerder beschreven door onze groep, moeten polymeeroplossingen behouden adequate: 1) oppervlaktespanning van de vorming van vloeibare filamenten mogelijk in micron / sub-micron structuren; 2) viscositeit te weerstaan capillaire breken; en, 3) verdampingssnelheid aan vezels stollen 18 te verbeteren. De synergie tussen deze parameters is essentieel voor succesvolle productie van vezels in een gespecificeerd bereik van diameters. Tegelijkertijd, instabiliteit in elk van deze parameters voorkomt de vorming van micron / submicron schaal vezels. De synergie tussen deze parameters gedurende vezel fabricage behouden, is het van belang dat de naald en naaldklep grondig worden gereinigd na een direct-write ssessieschijven voorkomen: 1) vervuiling van de oplossing; 2) vermindering van de polymeeroplossing stroomsnelheid door de naald; en, 3) overmatige groei in de polymeerkorrel aan de punt van de naald. Bovendien moet de temperatuurregelaar van de verwarming ingesteld op de gewenste temperatuur om een constante verdampingssnelheid van de polymeeroplossing te handhaven.
De gevorkte tak vezels was 59%, 41% en 24% groter in diameter dan die van de ondersteunende structuren in de figuren 6-8, respectievelijk, met de 24% PMMA oplossing. Dit komt vooral door de afstand waarop de vezels worden getrokken. Specifiek worden de ondersteuningsstructuren opgesteld over de gehele breedte van het substraat (10,0 mm in X en Y richtingen 14,4 mm diagonaal). Hierdoor zijn de langste vezels van de totale Hangconstructies. De gevorkte vertakkingsstructuren aanzienlijk korter zijn, varieert van 7 mm maximale lengte tot aan 2,5 mm. Deze kortere fiber tekening lengte doet geent effectief de vezels vereist tijdens de vezel verdunningswerkwijze induceren teneinde de kleine diameter vezels te produceren. Aan de andere kant, zijn grotere diameter draden nodig om te dienen als de ondersteunende vezels om effectief te ondersteunen het trekkend en vervorming veroorzaakte tijdens de gevorkte tak tekening proces. Als de vertakking takken getrokken over de drager vezels kan een herinrichting van de drager vezel geometrie optreden door de tekening krachten alsmede een gelokaliseerde oplossen van het PMMA polymeer bij het grensvlak tussen de drager en vertakte vezels uit het oplosmiddel in de polymeeroplossing. Aldus in bepaalde gevallen mogelijk dat de drager vezels worden vervaardigd uit een polymeeroplossing bestaande uit een hogere polymeerconcentratie grotere diameter en mechanisch sterkere vezels te produceren.
Er zijn voornamelijk drie effectieve methoden voor het modificeren van het protocol bij een breder scala van ondersteuning en vertakte vezels indiameters: 1) aanvankelijk afzien van het polymeer van een grotere naald (bijvoorbeeld 25 G; ID = 254 micrometer) om de steun vezels te genereren en vervolgens te ruilen voor een kleinere naald (bijvoorbeeld 32 G; ID = 101,6 micrometer) te fabriceren de kleinere vertakte vezels; 2) zoals hierboven vermeld, gebruik meerdere polymeerconcentraties; en / of 3) pas de toevoersnelheid, dat wil zeggen, de snelheid waarmee het stadium doorkruist, waarbij het verhogen van de toevoersnelheid vezels produceert kleinere diameter en het verlagen van de toevoersnelheid creëert grotere diameter vezels. Tot op heden hebben we in staat om met succes vezels fabriceren zo klein als 90 nm geweest; Echter, de vezel rendement op deze dimensie is laag door capillaire uiteenvallen.
Een beperking van de geautomatiseerde directe schrijfproces is dat slechts één concentratie van de polymeeroplossing kan worden afgegeven tegelijk. Dit beperkt de complexiteit van de gesuspendeerde structuren te ontwikkelen zonder: 1) voeg een tweede doseerklep naar de robot;of, 2) verwijder de bestaande klep en voer de reiniging protocol (paragraaf 3.4) alvorens het afgeven van de tweede polymeer oplossing, die extra tijd kost. Een tweede beperking is de voeding (of afdruksnelheid), waar de maximale voeding dat het systeem in staat is om het bereiken van 500 mm / sec. Er is echter een afweging tussen toevoersnelheid en vezelvorming. Met name indien de traagheidskrachten (krachten vanwege de toevoersnelheid) groter dan de oppervlaktespanning krachten en verdampingssnelheid van de polymeeroplossing, vezelvorming niet optreedt. Aan de andere kant, als de toevoersnelheid te laag is, zullen vezels breken als gevolg van overmatige verdamping vóór en tijdens het elongatieproces. Ten derde worden vezels en structuur afmetingen beperkt tot het werkgebied van het stadium van de robot, dat wil zeggen, 200 mm, 200 mm en 25 mm (met een 10 urn positienauwkeurigheid) in de x, y en z-richting respectievelijk. Toch heeft deze werkwijze maken de vorming van hoge aspectverhouding (fiber length: diameter) vezels. Strategisch variëren van de afgifte tipformaat en de polymeeroplossing concentratie moet zorgen voor een breder scala vezeldiameter hetgeen het vermogen om vrij opgehangen structuur van hogere complexiteit genereren.
Door het volgen van de protocollen hierboven vermeld kan micron en submicron diameter polymeervezels worden gemaakt met een hoge mate van ruimtelijke controle door het benutten van de oppervlaktespanning gedreven vloeistofmechanica van de polymeeroplossingen, die niet kan worden bediend door andere natte, droge of elektrospinning procédés . Uit eerder werk 8,19, weten we dat deze techniek kan worden gebruikt om ingewikkelde micro / submicron fluïduminrichtingen 19 en bioengineered steigers 8 fabriceren. Deze goedkope en eenvoudige techniek heeft zijn eigen voordelen ten opzichte van traditionele schaafmachine fabricagemethoden op vele manieren.
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).
