Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System

Hanwen Yuan; Scott D. Cambron; Robert S. Keynton

doi:10.3791/52834

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Engineering

Prescritto 3-D diretto Redazione di sospensione Micron / sub-micron scala fibra strutture attraverso un sistema di erogazione robotico

Published: June 12, 2015

doi:

10.3791/52834

Hanwen Yuan¹, Scott D. Cambron¹, Robert S. Keynton¹

¹Bioengineering Department,University of Louisville

Summary

Qui, vi presentiamo un protocollo per fabbricare fibre liberamente sospesi micron / sub-micron scala polimeri e strutture "web-like" generati mediante procedura di scrittura diretto automatico per mezzo di un sistema di erogazione a 3 assi.

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

Negli ultimi decenni, una varietà di tecniche di fabbricazione, come la filatura a umido, filatura a secco e electrospinning, sono stati impiegati per creare strutture fibrose polimero romanzo eterogenee e robuste biologiche, chimiche, elettriche e meccaniche proprietà ^1-12. Sebbene queste tecniche di filatura sono in grado di generare sospesa fibre tridimensionali, sono limitati nella loro capacità di controllare con precisione l'orientamento delle fibre in tre dimensioni in quanto fibra deposizione tramite questi processi sono di natura casuale. Inoltre, queste tecniche sono limitati nella loro gamma dimensionale di fibre fabbricazione; specificamente, fibre prodotte mediante filatura a umido e secco variano in diametro da decine a centinaia di micron, mentre electrospinning fibre produce con diametri da decine di nanometri a un singolo micron ^13.

Per fornire un controllo più preciso di orientamento delle fibre nello spazio 3-D, il nostro gruppo ha sviluppato un self-Montare o processo di fabbricazione di fibre "-scrittura diretta" che espelle direttamente un materiale polimerico da un capillare cavo e poi richiama singoli filamenti che sottile e solidificano in diametri delle fibre prevedibili sfruttando tensione superficiale-driven meccanica dei fluidi ^14. Il nostro sistema di scrittura diretta iniziale per aumentare il livello di controllo di posizione e diametro fibra consisteva di una molla caricata siringa sistema di erogazione personalizzata fabbricato attaccato alla testa di una misura ad altissima precisione Micromilling macchina (Figura 1). Il UHPMM aveva una fase con una risoluzione posizionale di 1,25 nm nelle direzioni X e Y e 20 nm nella direzione Z che è stato controllato programmazione per creare micron e sub-micron fili e strutture scala. Una limitazione di questo particolare sistema di scrittura diretta è stata la mancanza di controllo del flusso della soluzione polimerica attraverso la punta dell'ago. Anche se il sistema di dosaggio a molla generato con successo costante flow attraverso la punta, una perlina sferica continua espansione della soluzione di polimero è stata creata in uscita della siringa, che varia in dimensioni e volume a seconda delle condizioni ambientali.

Figura 1. Image of Ultra Macchina alta precisione Micromilling:. Il primo sistema di scrittura diretta impiegato nella fabbricazione di strutture in scala micron / sub-micron Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

L'inconsistenza del tallone fonte influenzato la capacità del sistema ripetutamente fabbricare fili di diametro prescritto. Anche se, strutture sono stati generati con successo utilizzando questo processo di scrittura diretta, miglioramento del processo, aumentando il controllo del flusso di soluzione polimerica consentirebbe più precise, prescritto diametri delle fibre attraverso la regolamentazione delle dimensioni tallone alla punta della siringa. Così, questo lavoro descrive l'implementazione di un sistema di erogazione automatico a 3 assi con valvola erogatore ad azionamento pneumatico per controllare con precisione la dimensione del flusso soluzione polimerica e mancia tallone per creare prescritto, micron strutture sospese / sub-micron.

Protocol

1. apparecchiature Set-up Assemblare sistema di dosaggio e collegare regolatore valvola e cilindro della siringa alla sorgente pneumatica, tramite un regolatore di pressione, per impostare la pressione a 15 psi per erogare la soluzione di polimero dalla punta dell'ago ad una portata di 2,45 ml / min. Inserire il robot 3 assi e sistema di erogazione in un contenitore termico per garantire un ambiente di lavoro stabile (figura 2). Installare Punti Joint-robot di controllo (JR-C Points) software fornito dal produttore del sistema e collegare robot a 3 assi a un computer tramite porta di comunicazione seriale. Montare valvola di erogazione di robot a 3 assi e installare punta dell'ago sulla valvola. Livellare la fase piastra robotica secondo le linee guida del produttore per garantire la planarità con rispetto all'altezza della punta della valvola 15. Assemblare un riscaldatore di feedback controllato nel recinto per aggiungere controllo ambientale. contenuto "fo: keep-together.within-page =" always "> Figura 2. (A) a 3 assi erogazione robot con accessori necessari alloggiati all'interno di un'area recintata; e, (B) vicino l'immagine della valvola di erogazione con il microscopio USB collegato per la visualizzazione. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. Materiali 2. sperimentali e fattori di controllo Controllo dei fattori e la loro combinazione. Variare la velocità di avanzamento da 1% velocità (5 mm / sec) fino al 100% (500 mm / sec), dal software C-Points JR. Per questa applicazione, utilizza una velocità 2% (10 mm / sec) per fabbricare la strutture fibrose presentati in questo lavoro. Variare concentrazioni della soluzione di polimero per raggiungere specifici viscosità, tensione superficiale e parametri di volatilità richiestiper l'applicazione desiderata. Per questa applicazione, utilizzare un polimetilmetacrilato 24% (PMMA) in soluzione Chlorobenzene per fabbricare le strutture fibrose presentati in questo lavoro. Variare il controllo tempo di erogazione della valvola da 0,02 sec a 1 sec al fine di espellere soluzioni attraverso l'aria pneumatica. Per questa applicazione, utilizzare 0.02 sec per fabbricare le strutture in fibra presentati in questo lavoro. Selezionare un formato calibro di punte dell'ago di alta precisione per erogare soluzioni polimeriche. Per questa applicazione, utilizzare un 30 G (diametro interno (ID) = 152.4 micron) punta per fabbricare le strutture in fibra presentati in questo lavoro. Impostare l'intervallo di temperatura di esercizio compresa tra 70 ° F a 100 ° F nella casella isolata termicamente per mantenere una velocità costante evaporazione del campione di polimero. Per questa applicazione, utilizzare una temperatura di 70 ° F per fabbricare le strutture fibrose presentati in questo lavoro. Preparazione delle soluzioni polimeriche. Mescolareresine polimeriche di polimetilmetacrilato (PMMA; 0,72 g) con l'Chlorobenzene solvente (2,28 g) sotto cappa a flusso chimica. Calcolare il peso del polimero (PMMA) e il suo solvente (clorobenzene) per ottenere la concentrazione desiderata di polimero in soluzione. Per questa applicazione, utilizzare un polimetilmetacrilato 24% (PMMA) in soluzione Chlorobenzene per fabbricare le strutture fibrose presentati in questo lavoro. Inserire desiderata quantità di polimero in polvere / resina nella fiala di vetro. Per questa applicazione, utilizzare 0,72 g di resina PMMA per raggiungere una concentrazione del 24% di PMMA. Trasferire solvente su polimero all'interno flaconcino pipetta fino al raggiungimento del peso totale di 3 g. Mescolare il flacone per 1 min con l'agitatore vortex e ultrasuoni elaborarli per 5 ore per sciogliere completamente la polvere di polimero / resina. Controllare la trasparenza delle soluzioni, se c'è qualche nuvolosità o opacità per esempio continuare a sonicare fino chiaro. Misura della viscosità di soluzioni polimeriche. Viscosità soluzione Misura via cone-and-plate viscosimetro (ad esempio, LVDV-II + e RVDV-II +) 16. Carico 0,5 ml di viscosità noto campione standard (una miscela a base di glicerina e acqua) fornito dal produttore viscosimetro per calibrare il viscosimetro per minimizzare errori nelle misure di viscosità. Il produttore fornito una varietà di campioni standard per la taratura del viscosimetro. Utilizzare il campione standard a base di glicerina con una viscosità di 100.000 cP. Collegare camicia d'acqua per viscosimetro per mantenere il fluido di prova ad una temperatura di esercizio costante. Avviare la misurazione fluido di prova spostando l'interruttore On / Off in posizione On per avviare la rotazione del mandrino. Una volta che il valore della coppia sul display è stabilizzata, registrare la coppia e calcolare le viscosità finali utilizzando la relazione tra coppia, costante mandrino moltiplicatore e velocità del mandrino 16 dove è la viscosità, RPM è la velocità del mandrino apposto cono, TK è la coppia (0,09,373 mila per LVDV-II +, 1 per RVDV-II +), SMC è la costante del mandrino moltiplicatore che dipende mandrino specifico utilizzato durante la viscosità misurazione. Per questo studio, il CP-52 mandrino era usato che ha una costante mandrino moltiplicatore 9,83. Superficie di misurazione tensione delle soluzioni polimeriche. Metodo di misura si riferisce alla tecnica Wilhelmy. 14 Mettere 1 ml di soluzioni di test in un flaconcino di vetro su un equilibrio ad alta risoluzione (risoluzione scala = 0,001 g). Immergere una bacchetta di vetro di diametro noto in soluzioni di test. Controllare la posizione della canna tramite un servo o stepper controllati attuatore lineare a toccare la superficie e parzialmente immergere in soluzioni di test con contatto zero. Monitorare e registrare la variazione di misura della massa sulla bilancia quandorimuovere l'asta dalla superficie soluzione. Calcolare tensione superficiale dal cambiamento forza, perimetro dell'asta e angolo di contatto di fluido sull'asta. dove è il perimetro bagnato dell'asta (l = 10,05 millimetri di diametro = 3,2 mm), θ è l'angolo di contatto di fluido sull'asta, F è il cambiamento forza dovuta alla tensione superficiale del fluido di prova sulla punta dell'asta. Mass misura coefficiente di trasferimento di soluzioni. Misurare coefficienti di trasferimento di massa di soluzioni polimeriche mediante analisi termogravimetrica. 14 Carico 30 ml di 24% (in peso) soluzione polimerica PMMA su una piastra di platino prima taratura della bilancia. Vent la camera, programmare il dispositivo per funzionare alla temperatura di esercizio desiderata (70 ° F) per 2 ore per il monitoraggio di massa delle soluzioni di riferimento. Calcolare i coefficienti di trasferimento di massa da cambiamenti nella massa della soluzione,area di soluzione / interfaccia aerea e la densità. dove m (t) è la massa di soluzioni PMMA, A è l'area dell'interfaccia soluzione / aria (uguale 78,5 millimetri 2 per piastra standard), mPOLYMER è la massa di polimero nella soluzione e la densità della soluzione. 3. Scrivere diretto Experiment Procedura Erogazione protocollo di carico campione sistema. Carico 3 ml di soluzione di polimero nel cilindro della siringa, posizionare pistone nella siringa per eliminare la distribuzione della pressione pneumatica incoerente. Ruotare l'adattatore di linea di ingresso sul corpo della siringa, collegarlo al tubo dell'aria riga di origine. Seleziona taglia calibro desiderata della punta dell'ago precisione per eseguire esperimenti. Sul pannello di controllo di erogazione, passare per eliminare lo stato e fare clic su "ciclo" per riempire la valvola di erogazione con polimero cosìluzione fino dimesso dalla punta dell'ago. Pulire soluzione polimerica residua dalla punta in preparazione di una procedura di scrittura fibra programmato. Fibre polimeriche diretti scrittura con robot a 3 assi e sistema di erogazione. Determinare la fase robot offset per riposizionare la punta dell'ago erogazione dalla posizione iniziale predefinita al punto iniziale del micro / struttura fibrosa sub-micron prescritto da trarre. Montare un microscopio USB (ingrandimento = 200X) alla staffa valvola del sistema di erogazione, che trasla lungo l'asse Z. Concentrarsi manualmente sulla punta distributore regolando la manopola di messa a fuoco sul microscopio USB che aiuta a posizionare con precisione la punta della valvola nella posizione desiderata, substrato prefabbricati o dispositivo. Creare / progettare la struttura della fibra disegno desiderato (Figure 3A, 4A e 5A) usando un pacchetto software CAD. Ingresso le coordinate spaziali (x, y, z) nel robot JR-C controllo software per tutti i punti di inizio e di terminazione in ordine sequenziale rispetto al disegno desiderato creato all'interno del programma CAD (Figura 3B, 4B e 5B). 15 Trasferire il programma di disegno della struttura in fibra completato dal computer al robot cliccando su "Invia C & T dati" sotto il menu robot all'interno del software JR-C 15. Carico 3 ml di PMMA campione soluzione di concentrazione nota (24%) nel cilindro della siringa, valvola di spurgo e ago, impostare tutti i parametri di dosaggio per il posizionatore e robot di controllo software. Inserire substrato prefabbricati sul robot fase piastra, chiudere gli sportelli termici per impedire il flusso d'aria ambiente, che può indurre l'evaporazione instabile della soluzione polimerica. Iniziare a scrivere le fibre sul substrato facendo clic sul menu robot di software JR-C e selezionando "test in corso" 15. DC sputter coat uno strato di oro metallico conduttivo per 2 minuti fino uno strato 2 nm d'oro è depositato sulle fibre prelevate per permettere la visualizzazione delle fibre al microscopio elettronico a scansione. Misurare il diametro e la struttura delle fibre mediante microscopio elettronico a scansione 17. Parametri Microscopio: alto livello di tensione: 2,00 kV; Obiettivo: InLens, Distanza di lavoro (9,0 millimetri). Eseguire la procedura di pulizia del sistema di erogazione sotto una cappa a flusso chimico. Posizionare il sistema di erogazione in una cappa a flusso chimica per eseguire la procedura di pulizia. Smontare valvola a spillo secondo il protocollo del produttore. Mettere tutte le parti metalliche in un becher, versare acetone nel bicchiere che tutte le parti sono immerse. Mettere bicchiere in un bagno ad ultrasuoni per 30 minuti per rimuovere ogni residuo di polimero. Sciacquare tutti i componenti sotto acqua DI scorre, quindi utilizzare fucile ad aria compressa per soffiare asciugare. </ li> Figura 3. (A) Esempio di creazione "quad" struttura web su un telaio 10 mm x 10 mm, (B) le istruzioni sequenziali point-to-point spaziali per essere immessi nel software punto JR-C. Cliccate qui per visualizzare un versione più grande di questa figura. Figura 4. (A) Esempio di creazione struttura web "simmetrica" a un telaio 10 mm x 10 mm, (B) istruzioni sequenziali point-to-point spaziali per essere immesso nel software punto JR-C.blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 5. (A) Esempio di creazione "doppio chevron" struttura web su un telaio 10 mm x 10 mm, (B) le istruzioni sequenziali point-to-point spaziali per essere immesso nel software punto JR-C. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Representative Results

Immagini delle attuali strutture prodotte tramite il robot a 3 assi e metodo di scrittura diretta per ciascuno dei rispettivi disegni e algoritmi JR C-punto definito nelle figure 3-5A & B sopra sono mostrati nelle Figure 6A, 7A e 8A. Come si può vedere nelle immagini risultanti, tridimensionali, fibre liberamente sospesi sono stati correttamente "scritta" sui substrati manipolando precisamente la punta dell'erogatore di posizioni spaziali prescritte, compresa l'iniziatore / chiude punti così come i punti di intersezione. Gli inserti di queste figure esaltano i punti di intersezione di fibre in sospensione, che dimostrano la capacità del sistema di controllare con precisione orientamento delle fibre (figure 6B, 7B e 8B) nello spazio 3-D. Figura 6. (A) Op immagine tici di fabbricato "quad" struttura web sospesa con fibre di supporto (2 diagonali) e 12 fibre in PMMA biforcate ramificati (15X ottico ingrandimento; scala bar = 1 mm), (B) Immagine SEM di una singola fibra biforcata (289x ingrandimento; scala bar = 100 micron). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 7. (A) Ottica dell'immagine fabbricato struttura web "simmetrica" sospeso con 1 fibra supporto (orizzontale) e 11 fibre PMMA ramificati biforcate (15X ottico ingrandimento; scala bar = 1 mm), (B) SEM immagine di un unico biforcata fibre (107x ingrandimento; scala bar = 100 micron).52834fig7large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 8. (A) Ottica dell'immagine fabbricato "doppio chevron" sospeso struttura web con 1 fibra supporto (orizzontale) e 22 fibre PMMA ramificati biforcate (15X ottico ingrandimento; scala bar = 1 mm), (B) SEM immagine di un unico fibra biforcata. (80X di ingrandimento; scala bar = 100 micron) Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 9 mostra da vicino vista della sequenza point-to-point di fibra di fabbricazione in cui il robot a 3 assi e sistema di erogazione in grado di generare le strutture web come liberamente sospesi. Il p punti di contatto olymer visualizzati con numeri corrispondono alla iniziatore programmata e punti terminano nel software JR-C riferimento in Figura 3B sopra. Le frecce rappresentano la traiettoria del robot. Figura 10 mostra micron e fibre polimeriche submicron, che dimostra la capacità del sistema di scrittura diretta di fabbricare cavi di varie dimensioni. Figura 9. SEM immagine che illustra l'ordine sequenziale point-to-point di fabbricazione per il disegno delle fibre micron e submicron polimeri (29X di ingrandimento; scala bar = 200 micron). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura. 2834 / 52834fig10.jpg "/> Figura 10. Immagine SEM di micron (6,5 micron) e sub-micron (555 nm) fibre disegnato con una soluzione al 20% di polimero di concentrazione PMMA. (2,270X ingrandimento; scala bar = 2 micron) Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa cifra. Polymer lunghezza e diametro delle fibre sono state misurate utilizzando la microscopia elettronica a scansione. La Tabella 1 mostra il diametro medio del filo per ogni struttura unica presentata nelle Figure 6-8 sopra corrispondente alle fibre ramo biforcate e le fibre di sostegno. Tabella 2 visualizza i parametri di polimero che sono stati misurati dalle soluzioni 24% PMMA che sono stati utilizzati per fabbricare strutture sopra lamentati. Diametro Struttura in figura 6 Diametro Struttura in Figura 7 Diametro Struttura in Figura 8 Fibre di sostegno 8.65 ± 1.43 micron 9.39 ± 1.23 micron 9.31 ± 1.65 micron Fibre Branch 20,96 ± 3.35 micron 15.92 ± 1.44 micron 12.24 ± 5.42 micron Tabella 1. diametri medi delle fibre di sostegno e filiali sospesi illustrate nelle figure 6-8 per una soluzione PMMA 24%. 24% PMMA Viscosità (Pa * sec) 35.19 Surface Tension (mN / m) 262,01 <td> Mass Transfer Coefficiente (m / sec) 8.59 x 10 -8 Tabella 2. Parametri polimero delle soluzioni 24% PMMA che sono stati utilizzati per fabbricare le strutture fibrose presentati in questo lavoro.

Discussion

Prima di ogni prova, è fondamentale che la viscosità, coefficienti di trasferimento di massa e la tensione superficiale di prova delle soluzioni polimeriche essere misurato con precisione al fine di determinare se il robot e sistema di erogazione è in grado di elaborare il polimero desiderato. Come descritto in precedenza dal nostro gruppo, le soluzioni di polimeri devono conservare adeguata: 1) la tensione superficiale per consentire la formazione di filamenti liquidi in strutture / sub-micron micron; 2) la viscosità per resistere capillare rompere; e, 3) tasso di evaporazione per migliorare fibra solidificazione ^18. La sinergia tra questi parametri è la chiave per la produzione di fibre con successo nel corso di un determinato intervallo di diametri. Allo stesso tempo, l'instabilità in qualsiasi di questi parametri evita la formazione di fibre / dimensioni sub-micron micron. Per mantenere la sinergia tra questi parametri durante la fabbricazione della fibra, è importante garantire che l'ago e valvola a spillo sono accuratamente puliti dopo una-scrittura diretta sESSIONE evitare: 1) la contaminazione della soluzione; 2) la riduzione del tasso di flusso della soluzione di polimero attraverso l'ago; e, 3) la crescita eccessiva nel cordone di polimero sulla punta dell'ago. Inoltre, la temperatura di controllo del riscaldatore deve essere impostata la temperatura desiderata per mantenere una velocità costante evaporazione della soluzione polimerica.

Le fibre ramo biforcuto erano 59%, 41% e 24% più grande di diametro di quello delle strutture di supporto delle figure 6-8, rispettivamente, utilizzando la soluzione PMMA 24%. Ciò è dovuto principalmente alla distanza a cui le fibre sono disegnati. In particolare, le strutture di supporto sono disegnati per l'intera larghezza del substrato (10.0 mm X e Y; 14,4 millimetri diagonale). Come risultato, queste sono le fibre più lunghe delle strutture sospese complessiva. Le strutture ramo biforcuto sono significativamente più breve, che vanno da 7 millimetri lunghezza massima fino a 2,5 mm. Questo breve lunghezza disegno fibra non fat efficacemente indurre la deformazione delle fibre richiesto durante il processo di assottigliamento fibra per produrre piccole fibre di diametro. D'altra parte, i fili di diametro maggiore devono servire come le fibre di sostegno per sostenere efficacemente il strattoni e deformazione indotta durante il processo di trafilatura ramo biforcato. Poiché i rami di biforcazione sono disegnati attraverso le fibre di sostegno, un rimodellamento della geometria fibra supporto può verificarsi a causa di forze di disegno, nonché una dissoluzione localizzata del polimero PMMA all'interfaccia tra il supporto e le fibre ramificati del solvente presente nel soluzione polimerica. Pertanto, in alcuni casi, le fibre di sostegno può essere necessario fabbricato da una soluzione polimerica costituita da una maggiore concentrazione di polimero per produrre diametro maggiore e fibre meccanicamente forti.

Ci sono principalmente tre metodi efficaci per modificare il protocollo esistente per generare una gamma più ampia di sostegno e fibra ramificatadiametri: 1) inizialmente dispensare il polimero da una punta dell'ago più grande (ad esempio, 25 G; ID = 254 micron) per generare le fibre di sostegno e poi scambiare per una punta dell'ago più piccolo (ad esempio, 32 G; ID = 101,6 micron) per fabbricare le piccole fibre ramificate; 2) come indicato in precedenza, utilizzare più concentrazioni di polimero; e / o 3) regolare la velocità di avanzamento, cioè, la velocità alla quale la fase attraversa, in cui l'aumento della velocità di avanzamento produce fibre di diametro più piccolo e diminuendo la velocità di alimentazione crea fibre di diametro maggiore. Fino ad oggi, siamo stati in grado di realizzare con successo le fibre più piccolo a 90 nm; Tuttavia, la resa in fibre a questa dimensione è bassa a causa di rottura capillare.

Una limitazione del processo di scrittura diretto automatico è che solo una concentrazione della soluzione polimerica può essere erogato alla volta. Questo limita il livello di complessità delle strutture sospese da sviluppare, senza dover: 1) aggiungere una seconda valvola di erogazione al robot;o, 2) rimuovere la valvola esistente ed eseguire il protocollo di pulizia (Sezione 3.4) prima dell'erogazione della seconda soluzione di polimero, che richiede più tempo. Una seconda limitazione è la velocità di avanzamento (o la velocità di stampa), in cui la massima velocità di avanzamento che il sistema è in grado di raggiungere è di 500 mm / sec. Tuttavia, vi è un compromesso tra la velocità di avanzamento e la formazione della fibra. In particolare, se le forze inerziali (forze dovute alla velocità di avanzamento) sono superiori alle forze di tensione superficiale e velocità di evaporazione della soluzione di polimero, fibra formazione non si verifica. D'altra parte, se la velocità di avanzamento è troppo bassa, le fibre si fratturano a causa di eccessiva evaporazione prima e durante il processo di allungamento. In terzo luogo, fibre e struttura dimensioni sono limitati alla gamma di funzionamento dello stadio del robot, ossia, 200 mm, 200 mm e 25 mm (con una precisione di posizionamento 10 micron) nelle direzioni x, yez, rispettivamente. Tuttavia, questo processo non consentire la formazione di elevato allungamento (fibra length: diametro) fibre. Strategicamente variando la dimensione punta di erogazione e la concentrazione della soluzione polimerica consentirebbe una più ampia gamma diametro delle fibre, creando la capacità di generare strutture liberamente sospese di maggiore complessità.

Seguendo i protocolli indicati sopra, fibre polimeriche micron e diametro submicron possono essere generati con un elevato livello di controllo spaziale sfruttando le tensione superficiale-driven fluido meccanica delle soluzioni polimeriche, che non possono essere controllati con altri processi ad umido, secco o Electrospinning . Dal lavoro precedente ^8,19, sappiamo che questa tecnica può essere utilizzata per fabbricare intricato micro / submicron dispositivi fluidici ¹⁹ e ponteggi bioingegneria ^8. Questa tecnica di facile ed economica ha i suoi vantaggi rispetto ai metodi tradizionali di fabbricazione pialla in molti modi.

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).

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Yuan, H., Cambron, S. D., Keynton, R. S. Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System. J. Vis. Exp. (100), e52834, doi:10.3791/52834 (2015).

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