נקבעה 3-D ישיר כתיבה של / מבנים תת-מיקרון מיקרון מושעה סיבי קנה מידה באמצעות מערכת רובוטית חלוקה
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לפברק בחופשיות-מושעים, מיקרון / סיבים תת-מיקרון בקנה מידה פולימר ומבנים ", כמו אינטרנט" שנוצרו באמצעות הליך כתיבה ישיר אוטומטי באמצעות מערכת מחלק 3-ציר.
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
במהלך העשורים האחרונים, מגוון רחב של טכניקות ייצור, כגון ספינינג הרטוב, ספינינג היבש וelectrospinning, להיות מועסק כדי ליצור מבני פולימר סיבי רומן עם תכונות מגוונות וחזקים ביולוגיות, כימית, חשמליות ומכאניות 1-12. למרות טכניקות ספינינג אלה הן מסוגלים לייצר מושעים סיבים תלת-ממדיים, שהם מוגבלים ביכולתם לשלוט במדויק כיוון סיבים בשלושה ממדים מאז תצהיר סיבים באמצעות תהליכים אלה הם אקראיים בטבע. בנוסף, טכניקות אלה מוגבלים בטווח ממדים שלהם לייצור סיבים; במיוחד, סיבים מיוצרים באמצעות ספינינג הרטוב והיבש שונים בקוטר בין עשרות למאות מיקרונים, ואילו electrospinning סיבי תשואות בקטרים הנעים בין עשרות ננומטרים למיקרון בודד 13.
כדי לספק שליטה מדויקת יותר של נטייה סיבים בחלל 3-D, הקבוצה שלנו פותחה עצמית-assemble או תהליך "ישיר לכתוב" סיבי ייצור ישירות פולט חומר פולימרים מנימים חלולות ולאחר מכן מושך חוטים בודדים שדקים והופכים לקטרי סיבים צפויים על ידי ניצול מכניקה מונע מתח פן נוזל 14. המערכת ישירה לכתוב הראשונית שלנו להגדלת רמת השליטה של עמדת סיבים וקוטר כלל מערכת מחלק המזרק מותאמת אישית מפוברקת קפיץ המחובר לראשו של מנהג עשה אולטרה-דיוק גבוה Micromilling מכונת (איור 1). היה לי UHPMM במה עם רזולוציה positional של 1.25 ננומטר בכיווני X ו- Y ו- 20 ננומטר בכיוון Z שתיכנותי מבוקר כדי ליצור מיקרון וחוטים בקנה מידה תת-מיקרון ומבנים. מגבלה אחת של מערכת כותב את זה בפרט ישיר הייתה חוסר בקרת זרימה של פתרון הפולימר באמצעות קצה המחט. למרות שהמערכה מחלק הקפיץ נוצרה פלו מתמיד בהצלחהw דרך הקצה, חרוז כדורי הולכים ומתרחב של פתרון פולימר נוצר בנקודת היציאה של קצה המזרק, שהיה שונה בגודל ובנפח בהתאם לתנאים סביבתיים.
איור 1. תמונה של מכונת גבוהה Precision Micromilling Ultra:. מערכת הכתיבה הישירה הראשונה מועסקות בבודת מבנים בקנה מידה מיקרון / תת-מיקרון אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
חוסר העקביות של חרוז מקור זה השפיע על היכולת של המערכת לפברק שוב ושוב חוטים בקוטר שנקבע. אם כי, מבנים שנוצרו בהצלחה באמצעות תהליך כתיבה ישיר זה, שיפור של התהליך על ידי הגדלת שליטה של זרימת פתרון פולימר יאפשר ליותר preciSE, שנקבע בקטרים סיבים באמצעות רגולציה של גודל חרוז בקצה המזרק. כך, עבודה זו מתארת היישום של מערכת מחלק אוטומטי 3 ציר עם שסתום מונע פניאומטית מתקן דווקא לשלוט על גודל קצב זרימת פתרון פולימר וחרוז הקצה ליצור נקבע, מיקרון מבנים מושעים / תת-מיקרון.
Protocol
Representative Results
Discussion
לפני שאנסה כל ניסוי, זה קריטי, כי בדיקת צמיגות, מקדמי העברה המוניים ומתח פנים של פתרונות הפולימר למדוד במדויק על מנת לקבוע האם המערכת מחלק הרובוט והוא מסוגל לעבד הפולימר הרצוי. כפי שתואר בעבר על ידי הקבוצה שלנו, פתרונות הפולימר חייבים לשמור נאותים: 1) מתח פנים כדי לאפשר ההיווצרות של חוטי נוזל לתוך מבנים / תת-מיקרון מיקרון; 2) צמיגות לעמוד נימים להיפרד; ו, 3 שיעור אידוי) כדי לשפר את מיצוק סיבים 18. הסינרגיה בין הפרמטרים אלה היא מפתח להצלחה לייצר סיבים על פני טווח מוגדר של קטרים. במקביל, חוסר יציבות בכל הפרמטרים הללו מונע היווצרות של מיקרון / סיבי קנה מידה תת-מיקרון. כדי לשמור את הסינרגיה בין הפרמטרים אלה במהלך ייצור סיבים, חשוב לוודא שהמחט ושסתום מחט מנקים ביסודיות לאחר s ישירה לכתובession למנוע: 1) זיהום של הפתרון; 2) ירידה בקצב זרימת פתרון פולימר דרך המחט; ו, 3) צמיחה מוגזמת בחרוז הפולימר בקצה המחט. בנוסף, טמפרטורת בקר בתנור חייב להיות מוגדר לטמפרטורה הרצויה לשמור על קצב אידוי מתמיד של פתרון הפולימר.
סיבי הסניף מפוצלים היו 59%, 41% ו -24% גדולים יותר בקוטר מזו של מבני תמיכה באיורים 6-8, בהתאמה, באמצעות פתרון PMMA 24%. זה נובע בעיקר מהמרחק שבו הסיבים נמשכים. באופן ספציפי, מבני התמיכה נמשכים על פני כל הרוחב של המצע (10.0 מ"מ בX ו- Y כיוונים; 14.4 מ"מ באלכסון). כתוצאה מכך, אלה הם הסיבים הארוכים ביותר של המבנים התלויים הכולל. מבני הסניף מפוצלים הם קצרים יותר באופן משמעותי, החל מאורך מרבי 7 מ"מ עד 2.5 מ"מ. אורך ציור סיבים קצר זה עושה לאיעילות לא לגרום למתח הסיבים הנדרשים במהלך תהליך דילול הסיבים כדי לייצר את הסיבים בקוטר הקטנים. מצד השני, חוטים בקוטר גדולים יותר נדרשים לשמש סיבי התמיכה כדי לקיים את המשיכה ועיוות הנגרמת בתהליך ציור הסניף מפוצל ביעילות. כסניפי הסתעפות נמשכים על פני סיבי התמיכה, שיפוץ של הגיאומטריה סיבי תמיכה יכול להתרחש עקב כוחות הציור, כמו גם פירוק מקומי של פולימר PMMA בממשק שבין התמיכה וסיבים מסועפים מההווה הממס ב פתרון פולימר. לפיכך, במקרים מסוימים, סיבי התמיכה ייתכן שיהיו הצורך מפוברק מפתרון פולימר המורכב מריכוז גבוה של פולימר לייצר קוטר וסיבים מכניים חזקים יותר.
יש בעיקר שלוש שיטות יעילות לשינוי הפרוטוקול הקיים כדי ליצור מגוון רחב יותר של תמיכה וסיבים מסועפיםקטרים: 1) בתחילה לוותר הפולימר מקצה מחט גדולה יותר (לדוגמא, 25 G; ID = 254 מיקרומטר) כדי ליצור את סיבי תמיכה ולאחר מכן להחליף לקצה מחט קטנה יותר (למשל, 32 G; ID = 101.6 מיקרומטר) לפברק סיבי קנים הקטנים יותר; 2) כפי שצוין לעיל, להשתמש ריכוזי פולימר מרובים; ו / או, 3) להתאים את קצב ההזנה, כלומר, המהירות שבה חוצה את הבמה, בהם הגדלת שיעור ההזנה מייצר סיבים בקוטר קטנים יותר, ולהקטין את שיעור ההזנה יוצרת סיבים בקוטר גדולים יותר. עד כה, הצלחנו לפברק הצלחת סיבים קטן כמו 90 ננומטר; עם זאת, תשואת הסיבים בממד זה היא נמוך בשל התפרקות נימים.
מגבלה אחת של תהליך הכתיבה הישיר האוטומטי היא שרק אחד ריכוז של פתרון פולימר ניתן לוותר בכל פעם. זה מגביל את רמת מורכבות של המבנים התלויים כדי להתפתח מבלי: 1) להוסיף שסתום מחלק שני לרובוט;או, 2) להסיר את השסתום הקיים ולבצע את פרוטוקול הניקוי (סעיף 3.4) לפני ניפוק פתרון הפולימר השני, שלוקח זמן נוסף. מגבלה שנייה היא שיעור ההזנה (או מהירות הדפסה), שבה שיעור ההזנה המרבי שהמערכת מסוגלת להשיג הוא 500 מ"מ / sec. עם זאת, יש איזון בין שיעור הזנה והיווצרות סיבים. באופן ספציפי, אם כוחות האינרציה (כוחות בשל שיעור ההזנה) הם גדולים יותר מכוחות מתח הפנים וקצב אידוי של פתרון הפולימר, היווצרות סיבים אינה מתרחשת. מצד השני, אם שיעור ההזנה הוא נמוך מדי, סיבים יהיו שבר בשל התאדות מופרזת לפני ובמהלך תהליך התארכות. שלישית, ממדי סיבים ומבנה מוגבלים לטווח הפעולה של השלב של הרובוט, כלומר, 200 מ"מ, 200 מ"מ ו -25 מ"מ (עם דיוק מיקום 10 מיקרומטר) בכיווני x, y ו- z, בהתאמה. עם זאת, תהליך זה עושה לאפשר ההיווצרות של יחס ממדים גבוה (L סיביםסיבים בקוטר): ength. אסטרטגי שונה בגודל הקצה מחלק וריכוז פתרון הפולימר יאפשר למגוון רחב יותר בקוטר סיבים, יוצר את היכולת ליצור מבנים תלויים באופן חופשי של מורכבות גבוהה.
על ידי ביצוע הפרוטוקולים האמורים לעיל, יכולים להיות שנוצרו סיבים פולימריים מיקרון וקוטר submicron עם רמה גבוהה של שליטה במרחב על ידי ניצול מכניקת המשטח מונע מתח הנוזל של פתרונות הפולימר, שלא ניתן לשלוט בכל תהליכים רטובים, יבשים או electrospinning אחרים . מהעבודה לפני 8,19, אנו יודעים כי טכניקה זו יכולה להיות מנוצלת כדי לפברק התקני מיקרו / submicron המורכב fluidic 19 ופיגומי bioengineered 8. יש טכניקה זולה וקלה זה יתרונות משלה על פני שיטות ייצור מסורתיות פלנר בדרכים רבות.
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).
