Vorgeschriebene 3-D direkte Schreiben von Hänge Micron / Sub-Mikrometer-Maßstab Faserstrukturen über eine Robotic Dosiersystem
Summary
Hier stellen wir ein Protokoll frei aufgehängten, Mikron / Sub-Mikrometermaßstab Polymerfasern und Strukturen "web-like" durch automatische Direktschreibverfahrens mittels einer 3-Achsen-Ausgabesystem erzeugten fertigen.
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 den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl von Herstellungstechniken, wie Nassspinnen, Trockenspinnen und Elektrospinnen, wurden eingesetzt, um neue Polymerfaserstrukturen mit vielfältigen und robust biologische, chemische, elektrische und mechanische Eigenschaften 1-12 erstellen. Obwohl diese Spinntechniken erzeugen können suspendiert dreidimensionale Fasern, sind sie in ihrer Fähigkeit zur Faserausrichtung präzise Steuerung in drei Dimensionen, da Faserablage über diese Prozesse sind in der Natur zufällig beschränkt. Darüber hinaus sind diese Techniken in ihrer Abmessungsbereich zur Faserherstellung beschränkt ist; Insbesondere durch Nass- und Trockenspinnen hergestellten Fasern variieren im Durchmesser von einigen zehn bis hundert Mikrometer, während das Elektro liefert Fasern mit Durchmessern von einigen zehn Nanometern auf einer einzigen 13 Mikron.
Um eine genauere Steuerung der Faserorientierung in 3-D-Raum zu bieten, eine Eigenentwicklung unserer Gruppe-assemble oder "Direktschreib" Faserherstellungsverfahren, die direkt wirft ein Polymermaterial aus einem hohlen Kapillare und dann zieht einzelnen Filamenten, die dünn und unter Ausnutzung der Oberflächenspannung angetriebenen Strömungsmechanik 14 in vorhersehbaren Faserdurchmesser zu verfestigen. Unsere ersten Direktschreibsystem zur Erhöhung der Kontrolle der Faserposition und Durchmesser bestand aus einer individuell gefertigter gefederte Kartuschen an der Spitze einer nach Maß Ultra High Precision Mikrofräsen Machine (Abbildung 1) angebracht ist. Die UHPMM hatte eine Stufe mit einer Positionsauflösung von 1,25 nm in der X und Y-Richtung und 20 nm in Z-Richtung, die programmatisch gesteuert wurde Mikron und Submikron-Maßstab Drähte und Strukturen zu schaffen. Eine Einschränkung dieses bestimmten Direktschreibsystem war das Fehlen von Flusskontrolle der Polymerlösung durch die Nadelspitze. Obwohl die gefederte Dosiersystem erfolgreich generiert konstant flow durch die Spitze wurde ein kontinuierlich erweitert kugelförmigen Wulst aus Polymerlösung am Auslaß der Spritzenspitze, die in Größe und Volumen in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen variiert erstellt.
Abbildung 1. Foto von Ultra High Precision Mikrofräsen Machine:. Die erste Direktschreibsystem bei der Herstellung von Mikrometer / Sub-Mikron-Skala Strukturen beschäftigt Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Die Inkonsistenz dieser Quelle Wulst beeinflusst die Fähigkeit des Systems, um wiederholt zu fertigen Drähte eines vorgegebenen Durchmessers. Wenn auch Strukturen wurden erfolgreich mit diesen Direktschreibverfahren erzeugt würden Verbesserung des Verfahrens durch Erhöhung der Steuerung des Durchflusses des Polymerlösung für mehr preci ermöglichense, vorgeschriebenen Faserdurchmesser durch Regulierung der Größe der Kügelchen an der Spitze der Spritze. So beschreibt diese Arbeit die Durchführung einer 3-Achsen-automatisierten Abgabesystem mit pneumatisch betätigten Abgabeventil genau zu steuern, die Polymerlösung Flussrate und Kopfperle Größe der vorgeschriebenen create, micron / Sub-Mikrometer-Strukturen aufgehängt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vor dem Versuch jeden Versuch, ist es entscheidend, daß die Viskosität, Massenübertragungskoeffizienten und Oberflächenspannungstest der Polymerlösungen genau, um zu bestimmen, ob der Roboter und Abgabesystem, das zur Verarbeitung des gewünschten Polymers ist, gemessen werden. Wie zuvor von unserer Arbeitsgruppe beschrieben, muß die Polymerlösungen behalten ausreichende: 1) Oberflächenspannung die Bildung von Flüssigkeitsfäden in Mikron / Submikron-Strukturen ermöglichen; 2) Viskosität zu widerstehen Kapillare aufzubrechen; und 3) Verdampfungsrate zu verbessern Faserverfestigungs 18. Die Synergie zwischen diesen Parametern ist der Schlüssel zu Fasern über einen bestimmten Durchmesserbereich erfolgreich zu produzieren. Gleichzeitig, Instabilität in einer dieser Parameter wird die Bildung von Mikrometer / Submikron-Maßstab Fasern. Um die Synergie zwischen diesen Parameter während der Faserherstellung zu erhalten, ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Nadel und das Nadelventil gründlich nach einer Direktschreib s gereinigtession zu verhindern: 1) Verunreinigung der Lösung; 2) eine Verringerung der Polymerlösung Strömungsrate durch die Nadel; und 3) übermäßiges Wachstum der Polymerpartikel an der Spitze der Nadel. Darüber hinaus muss die Temperatur-Steuerung der Heizung auf die gewünschte Temperatur eingestellt, um eine konstante Verdampfungsrate der Polymerlösung zu halten.
Der gegabelte Zweig Fasern waren 59%, 41% und 24% im Durchmesser größer als der der Tragstrukturen in den Figuren 6-8, die jeweils mit dem 24% PMMA-Lösung. Dies ist hauptsächlich auf die Entfernung, in welcher die Fasern gezogen werden. Insbesondere werden die Stützstrukturen über die gesamte Breite des Substrats gezogen (10,0 mm in X- und Y-Richtungen; 14,4 mm diagonal). Als Ergebnis sind die längsten Fasern der Gesamthängekonstruktionen. Die gegabelten Zweig Strukturen sind deutlich kürzer, angefangen von 7 mm maximale Länge bis zu 2,5 mm. Diese kürzere Faserziehlänge tut nichtt effektiv die Faserdehnung während des Faserausdünnungsprozess erforderlich, um die Fasern mit kleinem Durchmesser herzustellen induzieren. Auf der anderen Seite werden die Drähte mit größerem Durchmesser erforderlich, um als Trägerfasern, um das Zerren und Verformung während des gegabelten Zweig Ziehprozesses induzierten effektiv aufrecht zu dienen. Zur Bifurkation Zweige sind über die Stützfasern gezogen wird, kann eine Umgestaltung des Tragfasergeometrie aufgrund der Zugkräfte sowie eine lokalisierte Auflösung des PMMA-Polymer an der Grenzfläche zwischen dem Träger und verzweigte Fasern aus dem Lösungsmittel in die auftreten, Polymerlösung. Somit kann in einigen Fällen, müssen die Stützfasern aus einer Polymerlösung, bestehend aus einer höheren Konzentration von Polymer zu größeren Durchmesser und mechanisch stärkeren Fasern hergestellt werden.
Es gibt vor allem drei effektivsten Methoden zur Veränderung der bestehenden Protokoll, um ein breiteres Spektrum von Unterstützung und verzweigte Faser erzeugenDurchmesser: 1) das Polymer aus einem größeren Nadelspitze zunächst verzichtet werden (beispielsweise 25 G, ID = 254 um), um die Trägerfasern zu erzeugen, und dann gegen eine kleinere Nadelspitze (zB 32 G; ID = 101,6 & mgr; m) herzustellen die kleineren verzweigten Fasern; 2) wie oben erwähnt, verwenden mehrere Polymerkonzentrationen; und / oder 3) Einstellung der Zufuhrrate, das heißt die Geschwindigkeit, mit der die Bühne durchquert, wobei eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit erzeugt Fasern mit kleinerem Durchmesser und eine Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit erzeugt Fasern mit grßerem Durchmesser. Bis heute haben wir in der Lage, erfolgreich zu Fasern so klein herzustellen als 90 nm; jedoch die Faserausbeute bei dieser Dimension ist aufgrund der kapillaren Trennung.
Eine Einschränkung des automatischen Direktschreibverfahren ist, daß nur eine Konzentration der Polymerlösung kann zu einem Zeitpunkt ausgegeben werden. Dies begrenzt die Komplexität der suspendierten Strukturen ohne entwickelt werden: 1) in einem zweiten Abgabeventil zu dem Roboter;oder, 2) Entfernen Sie die vorhandene Ventil und führen Sie die Reinigungsprotokoll (Abschnitt 3.4) vor der Abgabe der zweiten Polymerlösung, die zusätzliche Zeit in Anspruch nimmt. Eine zweite Einschränkung ist, die Vorschubgeschwindigkeit (oder die Druckgeschwindigkeit), wobei die maximale Vorschubrate, die das System in der Lage ist, das Erreichen von 500 mm / sec. Jedoch gibt es einen Kompromiss zwischen Vorschubgeschwindigkeit und der Faserbildung. Insbesondere dann, wenn die Trägheitskräfte (Kräfte aufgrund der Vorschubgeschwindigkeit) größer als der Oberflächenspannungskräfte und Verdunstungsrate der Polymerlösung gibt, die Faserbildung nicht auftritt. Andererseits, wenn die Zufuhrrate zu gering ist, Fasern aufgrund einer übermäßigen Verdampfung vor und während des Reckvorganges brechen. Drittens sind die Faserstruktur und Abmessungen an den Arbeitsbereich der Stufe des Roboters, das heißt, 200 mm, 200 mm und 25 mm (mit einem 10 & mgr; m Positionsgenauigkeit) in der x-, y- und z-Richtung begrenzt sind. Dennoch hat dieser Prozess ermöglichen die Bildung von hohem Aspektverhältnis (Faser length: Durchmesser) Fasern. Strategisch Variieren der Abgabespitze Größe und die Konzentration der Polymerlösung wäre für einen breiteren Bereich Faserdurchmesser zu ermöglichen, die Schaffung der Möglichkeit, frei hängenden Strukturen höherer Komplexität zu erzeugen.
Durch Befolgung der Protokolle oben angegeben, können Mikrometer und Submikrometer-Durchmesser-Polymerfasern mit hoher räumlicher Kontrolle durch die Ausnutzung der Oberflächenspannung angetriebenen Fluidmechanik der Polymerlösungen, die nicht mit anderen Nass-, Trocken- oder Elektrospinnverfahren gesteuert werden kann, erzeugt werden, . Aus dem Stand der Arbeit 8,19 wissen wir, dass diese Technik verwendet werden, um komplizierte Mikro- / Submikron-Fluidik-Einrichtungen 19 und biotechnisch hergestellten Gerüste 8 herzustellen. Diese billige und einfache Methode hat ihre eigenen Vorteile gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren Hobel in vielerlei Hinsicht.
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 |
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