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

Prescribe en 3-D de Escritura directa de suspendidos Micron / Sub-micrones Estructuras Escala de fibra a través de un sistema de dispensación Robótica

Published: June 12, 2015

doi:

10.3791/52834

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

¹Bioengineering Department,University of Louisville

Summary

A continuación, presentamos un protocolo para fabricar libremente suspendidas-micras, / sub-micrométricas fibras de polímero escala y estructuras "en banda" generados a través de procedimiento de escritura directa automatizada por medio de un sistema de distribución de 3 ejes.

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

Durante las últimas décadas, una variedad de técnicas de fabricación, tales como hilatura en húmedo, hilado en seco y electrospinning, se han empleado para crear estructuras de fibra de polímero novedosos con diversos y sólidos biológicos, químicos, eléctricos y mecánicos propiedades ^1-12. Aunque estas técnicas de hilado son capaces de generar suspendido fibras tridimensionales, que están limitados en su capacidad para controlar con precisión orientación de las fibras en tres dimensiones desde la deposición de fibras a través de estos procesos son de naturaleza aleatoria. Además, estas técnicas están restringidas en su rango dimensional para la fabricación de fibra; específicamente, las fibras producidas a través de hilatura en húmedo y seco varían en diámetro desde decenas a cientos de micrómetros, mientras que electrospinning fibras rendimientos con diámetros que van desde decenas de nanómetros a un solo micras ^13.

Para proporcionar un control más preciso de la orientación de las fibras en el espacio 3-D, nuestro grupo desarrolló un auto-assemble o proceso "-escritura directa" de fibra de fabricación que expulsa directamente un material polimérico de un capilar hueco y luego dibuja filamentos individuales que fino y toman forma de diámetros de fibra predecibles mediante la explotación de la superficie mecánica de fluidos tensión impulsada ^14. Nuestro sistema de escritura directa inicial para aumentar el nivel de control de la posición de la fibra y el diámetro consistía en un sistema de distribución de la jeringa con resorte encargo fabricado unido a la cabeza de un encargo Ultra-High Precision microfresadora máquina (Figura 1). El UHPMM tenía una etapa con una resolución posicional de 1,25 nm en las direcciones X e Y y 20 nm en la dirección Z que fue controlado mediante programación para crear micras y cables y estructuras escala sub-micras. Una limitación de este sistema de escritura directa particular era la falta de control de flujo de la solución de polímero a través de la punta de la aguja. Aunque el sistema de dispensación de resorte genera éxito flo constantew través de la punta, una perla esférica continua expansión de la solución de polímero fue creado a la salida de la punta de la jeringa, que variaban en tamaño y volumen en función de las condiciones ambientales.

Figura 1. Imagen de Ultra High Precision Machine microfresadora:. El primer sistema de escritura directa empleada en la fabricación de estructuras de escala micras / sub-micrométricas Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La inconsistencia de esta perla fuente afectada la capacidad del sistema para fabricar repetidamente alambres de un diámetro prescrito. Aunque, las estructuras se generaron con éxito utilizando este proceso de escritura directa, la mejora del proceso mediante el aumento de control del flujo de solución de polímero permitiría para más precise, prescribe diámetros de las fibras a través de la regulación del tamaño del grano en la punta de la jeringa. Por lo tanto, este trabajo se describe la implementación de un sistema automatizado de dispensación de 3 ejes con válvula dispensadora de accionamiento neumático para controlar con precisión el tamaño caudal de la solución de polímero y perla de punta para crear prescrito, micrones estructuras suspendidas / sub-micrométricas.

Protocol

1. Instalación del equipo Montar sistema de dispensación y conectar controlador de válvula y cilindro de la jeringa a la fuente neumática, a través de un regulador de presión, para ajustar la presión a 15 psi para dispensar la solución de polímero desde la punta de la aguja a un caudal de 2,45 l / min. Inserte el robot de 3 ejes y sistema de dispensación en una caja térmica para asegurar un entorno de trabajo estable (Figura 2). Instale Puntos Joint-robot de control (JR-C) Puntos de software proporcionadas por el fabricante del sistema y conecte robot de 3 ejes a un ordenador mediante el puerto serie. Montar la válvula dispensadora de robot de 3 ejes e instalar punta de la aguja en la válvula. Nivele la placa etapa robot de acuerdo con las instrucciones del fabricante para asegurar la planitud con respecto a la altura de la punta 15 de la válvula. Montar un calentador de retroalimentación controlada en el recinto para agregar el control ambiental. contenido "fo: keep-together.within-page =" always "> Figura 2. (A) 3-Axis dispensación robot con accesorios necesarios alojados en el interior de un recinto; y, (B) de cerca la imagen de la válvula de distribución con el microscopio USB adjunto para la visualización. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 2. Materiales Experimentales y factores de control Factores y su combinación Control. Variar la velocidad de alimentación de 1% de la velocidad (5 mm / seg) hasta 100% (500 mm / seg), por el software JR C-Puntos. Para esta aplicación, utilizar una velocidad de 2% (10 mm / seg) para fabricar el estructuras de fibra presentan en este trabajo. Variar las concentraciones de solución de polímero para alcanzar viscosidad específica, la tensión superficial y los parámetros de volatilidad requeridapara la aplicación deseada. Para esta aplicación, utilizar un polimetilmetacrilato 24% (PMMA) en solución de clorobenceno para fabricar las estructuras de fibra presentados en este trabajo. Varíe el control de tiempo de dosificación de la válvula de 0,02 segundos a 1 segundo con el fin de expulsar a través de soluciones de aire neumático. Para esta aplicación, use 0.02 seg para fabricar las estructuras de fibra que se presentan en este trabajo. Seleccione un tamaño de calibre de puntas de aguja de alta precisión para dispensar soluciones de polímeros. Para esta aplicación, use un 30 G (diámetro interior (ID) = 152,4 m) de punta para la fabricación de las estructuras de fibra que se presentan en este trabajo. Ajuste el rango de temperatura de funcionamiento entre 70 ° F a 100 ° F en la caja de aislamiento térmico para mantener una tasa de evaporación constante de la muestra de polímero. Para esta aplicación, utilice una temperatura de 70 ° F para fabricar las estructuras de fibra que se presentan en este trabajo. Preparación de las soluciones de polímero. Mezclarresinas de polímero de polimetacrilato de metilo (PMMA; 0,72 g) con el disolvente clorobenceno (2,28 g) bajo una campana de flujo químico. Calcular el peso del polímero (PMMA) y su disolvente (clorobenceno) para lograr la concentración deseada de polímero en solución. Para esta aplicación, utilizar un polimetilmetacrilato 24% (PMMA) en solución de clorobenceno para fabricar las estructuras de fibra presentados en este trabajo. Coloque cantidad deseada de polvo de polímero / resina en vial de vidrio. Para esta aplicación, utilizar 0,72 g de resina de PMMA para alcanzar una concentración de 24% de PMMA. Transferencia disolvente sobre polímero dentro de vial mediante una pipeta hasta que se alcanza el peso total de 3 g. Mezclar el vial durante 1 min usando un agitador vortex y ultrasonidos ellos procesar durante 5 horas para disolver completamente el polvo de polímero / resina. Compruebe la transparencia de las soluciones, si hay alguna turbidez u opacidad a la muestra continúan sonicar hasta claro. Medida de la viscosidad de soluciones de polímeros. Viscosidades de la solución a través de la Medida de cono y placa viscosímetro (por ejemplo, LVDV-II + y RVDV-II +) 16. Cargar 0,5 ml de la muestra estándar de viscosidad conocida (una mezcla a base de glicerina y agua) proporcionado por el fabricante viscosímetro para calibrar el viscosímetro con el fin de minimizar los errores en las mediciones de viscosidad. El fabricante proporciona una variedad de muestras estándar para la calibración del viscosímetro. Utilice la muestra estándar a base de glicerina con una viscosidad de 100.000 cP. Conectar camisa de agua a viscosímetro para mantener el fluido de ensayo a una temperatura de funcionamiento constante. Iniciar la medición fluido de prueba moviendo el interruptor de encendido / apagado a la posición de encendido para iniciar la rotación del eje. Una vez que el valor del par en el panel de visualización se ha estabilizado, registrar y calcular el par de las viscosidades finales utilizando la relación entre el par, el multiplicador constante del husillo y la velocidad del husillo 16 donde es la viscosidad, RPM es la velocidad del husillo colocada en cono, TK es el par (0,09373 para LVDV-II +, 1 para RVDV-II +), SMC es la constante de multiplicador de husillo que depende del husillo específico que se utiliza durante la viscosidad medición. Para este estudio, se utilizó el CP-52 de husillo que tiene una constante de multiplicador de husillo de 9,83. Medición de la tensión superficial de las soluciones de polímeros. Método de medición se refiere a la técnica Wilhelmy. 14 Colocar 1 ml de soluciones de prueba en un vial de vidrio sobre una balanza de alta resolución (resolución escala = 0,001 g). Sumerja una varilla de vidrio de diámetro conocido en soluciones de prueba. Controla la posición de la varilla a través de un servo o actuador lineal paso a paso controlado a tocar la superficie y parcialmente sumergirse en soluciones de prueba con el contacto cero. Controlar y registrar el cambio en la medición de la masa en el balance cuandoquitar la barra de la superficie de la solución. Calcular la tensión superficial por cambio de fuerza, el perímetro del ángulo de la barra y el contacto de fluido en la varilla. ¿Dónde está el perímetro mojado de la varilla (l = 10,05 mm de diámetro = 3,2 mm), θ es el ángulo de contacto de líquido en la varilla, F es el cambio fuerza debida a la tensión superficial del fluido de ensayo en la punta de la varilla. Medición de coeficiente de transferencia de masa de soluciones. Mida coeficientes de transferencia de masa de soluciones de polímeros mediante análisis termogravimétrico. 14 Cargar 30 l de la solución de polímero PMMA 24% (en peso) en una placa de platino antes de tarado la balanza. Ventile la cámara, programe el dispositivo para funcionar a la temperatura de funcionamiento deseada (70 ° F) durante 2 horas para controlar la masa de soluciones de destino. Calcular los coeficientes de transferencia de masa por los cambios en la masa de la solución,área de solución / interfaz de aire y la densidad. donde m (t) es la masa de soluciones de PMMA, A es el área de la interfaz solución / aire (es igual a 78,5 mm 2 para placa estándar), mPOLYMER es la masa de polímero en la solución y es la densidad de la solución. Procedimiento Experimento 3. Escribir directo Dispensación protocolo de carga de muestra del sistema. Cargar 3 ml de solución de polímero en el cilindro de la jeringa, coloque pistón en cilindro de la jeringa para eliminar la distribución de la presión neumática inconsistente. Gire el adaptador de línea de entrada en el cuerpo de la jeringa, conéctelo al tubo de aire línea de código fuente. Elija calibre deseado de la punta de la aguja de precisión para llevar a cabo el experimento. En el panel de control de distribución, cambiar a purgar Estado y haga clic en "ciclo" para llenar la válvula dispensadora con polímero de maneralución hasta el alta de la punta de la aguja. Limpie solución de polímero residual de la punta en la preparación de un procedimiento escrito fibra programado. Escritura fibras de polímero directos con robot de 3 ejes y sistema de dispensación. Determine el desplazamiento para cambiar la posición de la punta de la aguja de dispensación desde la posición de inicio por defecto hasta el punto de la micro / estructura de la fibra inferior a la micra prescrito iniciación etapa robot que se puede sacar. Montar un microscopio USB (ampliación = 200X) para el soporte de la válvula del sistema de dispensación, lo que se traduce lo largo del eje Z. Enfocar manualmente en la punta del dispensador mediante el ajuste del mando de enfoque en el microscopio USB que ayuda a posicionar con precisión la punta de la válvula a la ubicación deseada, el sustrato prefabricado o dispositivo. Crear / diseñar el patrón de estructura de fibras deseada (Figuras 3A, 4A y 5A) usando un paquete de software CAD. De entrada las coordenadas espaciales (x, y, z) en el robot JR-C software de control para todos los puntos de iniciación y terminación en orden secuencial con respecto al patrón deseado creado dentro del programa CAD (Figura 3B, 4B y 5B). 15 Transferir el programa de diseño de la estructura de fibra completado desde la computadora al robot haciendo clic en "Enviar C & T de datos" en el menú del robot dentro del software JR-C 15. Cargar 3 ml de PMMA muestra de solución de concentración conocida (24%) en barril de la jeringa, la válvula de purga y la aguja, establecer todos los parámetros de dispensación para el controlador de la válvula y el control de robot software. Coloque substrato prefabricado en el escenario platina robot, cerrar las puertas recinto térmico para evitar el flujo del aire ambiente, que puede inducir la evaporación inestable de la solución de polímero. Comience a escribir las fibras sobre el sustrato haciendo clic en el menú de robot de software JR-C y seleccionando "prueba de funcionamiento" 15. DC capa una capa de metal de oro conductora para 2 min hasta una gruesa capa de 2 nm de oro por bombardeo iónico se deposita sobre las fibras estiradas para permitir la visualización de las fibras en el microscopio electrónico de barrido. Medir el diámetro y la estructura de las fibras a través de microscopio electrónico de barrido 17. Parámetros del microscopio: alto nivel de tensión: 2,00 kV; Objetivo: InLens, Distancia de Trabajo (9,0 mm). Realice el procedimiento de limpieza del sistema de dispensación bajo una campana de flujo químico. Coloque el sistema de dispensación en una campana de flujo químico para llevar a cabo el procedimiento de limpieza. Desmontar la válvula de aguja de acuerdo con el protocolo del fabricante. Coloque todas las partes metálicas en un vaso de precipitados, se vierte en el vaso de precipitados de acetona hasta que se sumergen todas las partes. Coloque vaso de precipitados en un baño ultrasónico durante 30 minutos para eliminar cualquier resto de polímero. Enjuague todas las piezas con agua DI que fluye, a continuación, utilizar una pistola de aire para soplar secos. </ li> Figura 3. (A) Ejemplo de diseño "quad" estructura de la red en un marco de 10 mm x 10 mm, (B) Instrucciones secuenciales de punto a punto espaciales para ser introducidos en el software de punto de JR-C. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta cifra. Figura 4. (A) Ejemplo de diseño "simétrico" estructura de la red en un marco de 10 mm x 10 mm, (B) Instrucciones espaciales secuenciales de punto a punto que se introduce en el software de punto de JR-C.blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 5. (A) Ejemplo de estructura diseñada web "doble chevron" en un marco de 10 mm x 10 mm, (B) Instrucciones espaciales secuenciales de punto a punto que se introduce en el software de punto de JR-C. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Representative Results

Las imágenes de las estructuras reales producidos a través de la robot de 3 ejes y método de escritura directa para cada uno de los respectivos diseños y algoritmos JR C-punto definido en las Figuras 3-5A y B anteriormente se muestran en las figuras 6A, 7A y 8A. Como puede verse en las imágenes resultantes, fibras tridimensionales, libremente suspendidos han sido con éxito "escrito" sobre los sustratos mediante la manipulación con precisión la punta del dispensador para localizaciones espaciales prescritas incluyendo la iniciación / terminación de puntos, así como puntos de intersección. Las inserciones de estas cifras magnifican los puntos de intersección de las fibras en suspensión, lo que demuestra la capacidad del sistema para controlar con precisión la orientación de la fibra (Figuras 6B, 7B y 8B) en el espacio 3-D. Figura 6. (A) Op imagen tica de fabricar "quad" estructura de la red suspendida tener 2 fibras de soporte (diagonales) y 12 fibras PMMA ramificados bifurcados (15X óptico ampliación; barra de escala = 1 mm), imagen (B) SEM de una sola fibra bifurcada (ampliación 289x; escala bar = 100 micras). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 7. (A) Imagen Óptico de estructura fabricada web "simétrico" suspendida con 1 fibra de apoyo (horizontal) y 11 bifurcados fibras PMMA ramificados (15X óptico ampliación; barra de escala = 1 mm), (B) Imagen SEM de un solo bifurcado fibra (107X ampliación; barra de escala = 100 micras).52834fig7large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 8. (A) Imagen Óptico de fabricar "doble chevron" suspendido estructura laminar que tiene 1 fibra de apoyo (horizontal) y 22 bifurcados fibras PMMA ramificados; imagen SEM de un solo (15X óptico ampliación barra de escala = 1 mm), (B) fibra bifurcada. (80X de aumento; barra de escala = 100 micras) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 9 muestra Cierre de vista de la orden secuencial de punto a punto de la fabricación de la fibra en la que el robot de 3 ejes y sistema de dispensación pueden generar las estructuras en forma de banda libremente suspendidos. Las p puntos de contacto olymer mostradas con números corresponden a la iniciación programada y puntos de terminación en el software JR-C referenciada en la Figura 3B arriba. Las flechas representan trayectoria robot. Figura 10 muestra micras y fibras de polímero submicrónicas, lo que demuestra la capacidad del sistema de escritura directa para fabricar cables de diferentes tamaños. Figura 9. SEM imagen que ilustra el orden secuencial de fabricación de punto a punto para la elaboración de las fibras micras y submicrónicas de polímero (magnificación 29X; barra de escala = 200 micras). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 2834 / 52834fig10.jpg "/> Figura 10. SEM imagen de micras (6,5 micras) y fibras estiradas utilizando una solución de polímero PMMA concentración del 20% inferior a la micra (555 nm). (2,270X ampliación; barra de escala = 2 m) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Polymer longitud de la fibra y el diámetro se midieron usando microscopía electrónica de barrido. La Tabla 1 muestra el diámetro medio de cable para cada estructura única presentados en las Figuras 6-8 arriba correspondiente a las fibras de la rama bifurcados y las fibras de soporte. Tabla 2 muestra los parámetros de polímero que se midieron a partir de las soluciones de 24% de PMMA que se utilizaron para fabricar las estructuras indicadas anteriormente. Estructura de diámetro en la Figura 6 Estructura de diámetro en la Figura 7 Estructura de diámetro en la Figura 8 Fibras de Apoyo 8,65 ± 1,43 micras 9,39 ± 1,23 micras 9,31 ± 1,65 micras Fibras Branch 20,96 ± 3,35 micras 15,92 ± 1,44 micras 12,24 ± 5,42 micras Tabla 1. Promedio de diámetros de las fibras de soporte y sucursales en suspensión que se muestran en las Figuras 6-8 para una solución de PMMA 24%. 24% PMMA Viscosidad (Pa * seg) 35.19 Tensión superficial (mN / m) 262.01 <td> Transferencia de Masa Coeficiente (m / seg) 8.59 x 10 -8 Tabla 2. Parámetros de polímeros de las soluciones de 24% de PMMA que se utilizaron para fabricar las estructuras de fibra que se presentan en este trabajo.

Discussion

Antes de intentar cada ensayo, es crítico que la prueba de las soluciones de polímero de viscosidad, coeficientes de transferencia de masa y la tensión superficial se mide con precisión con el fin de determinar si el robot y el sistema de distribución es capaz de procesar el polímero deseado. Como se ha descrito previamente por nuestro grupo, las soluciones de polímero deben conservar adecuada: 1) la tensión superficial para permitir la formación de filamentos líquidos en estructuras / sub-micras micras; 2) la viscosidad para soportar capilar romper; y, 3) la tasa de evaporación para aumentar la fibra de solidificación ^18. La sinergia entre estos parámetros es la clave para producir con éxito fibras de más de un rango especificado de diámetros. Al mismo tiempo, la inestabilidad en cualquiera de estos parámetros evita la formación de fibras / escala sub-micras micras. Para mantener la sinergia entre estos parámetros durante la fabricación de la fibra, es importante asegurarse de que la aguja y la válvula de aguja se limpian a fondo después de una escritura directa sEssion para impedir: 1) la contaminación de la solución; 2) una reducción en el caudal de la solución de polímero a través de la aguja; y, 3) el crecimiento excesivo de la perla de polímero en la punta de la aguja. Además, el controlador de temperatura en el calentador debe estar ajustado a la temperatura deseada para mantener una velocidad de evaporación constante de la solución de polímero.

Las fibras de ramificación bifurcadas fueron 59%, 41% y 24% más grande en diámetro que el de las estructuras de soporte de las Figuras 6-8, respectivamente, utilizando la solución de PMMA 24%. Esto se debe principalmente a la distancia a la que se extraen las fibras. Específicamente, las estructuras de soporte se dibujan en toda la anchura del sustrato (10,0 mm en las direcciones X e Y; 14,4 mm en diagonal). Como resultado, estos son las fibras más largas de las estructuras generales en suspensión. Las estructuras de ramificación bifurcados son significativamente más corto, que van desde 7 mm longitud máxima hasta 2,5 mm. Esta longitud dibujo de fibra más corta no hacet inducir eficazmente la deformación de la fibra requerida durante el proceso de adelgazamiento de fibra a fin de producir las fibras de pequeño diámetro. Por otro lado, se requieren cables de mayor diámetro para servir como las fibras de apoyo para sostener eficazmente el tirón y la deformación inducida durante el proceso de dibujo rama bifurcada. Como las ramas de bifurcación se dibujan a través de las fibras de sostén, una remodelación de la geometría de la fibra de apoyo puede ocurrir debido a las fuerzas de dibujo, así como una disolución localizada del polímero PMMA en la interfaz entre el soporte y fibras ramificadas desde el disolvente presente en el solución de polímero. Por lo tanto, en algunos casos, pueden necesitar ser fabricado a partir de una solución de polímero que consiste en una mayor concentración de polímero para producir fibras de diámetro mayor y mecánicamente más fuertes que las fibras de soporte.

Existen principalmente tres métodos eficaces para modificar el protocolo existente para generar una gama más amplia de apoyo y fibra ramificadadiámetros: 1) prescindir inicialmente el polímero de una punta de la aguja más grande (por ejemplo, 25 g; ID = 254 micras) para generar las fibras de sostén y luego canjear por una punta de aguja más pequeña (por ejemplo, 32 G; ID = 101,6 m) de fabricar las fibras más pequeñas ramificados; 2) como se señaló anteriormente, utilizar varias concentraciones de polímero; y / o, 3) ajustar la velocidad de alimentación, es decir, la velocidad a la que la etapa atraviesa, donde el aumento de la velocidad de alimentación produce fibras de diámetro más pequeño y la disminución de la velocidad de alimentación crea fibras de mayor diámetro. Hasta la fecha, hemos sido capaces de fabricar con éxito fibras tan pequeñas como 90 nm; sin embargo, el rendimiento de fibra en esta dimensión es baja debido a ruptura capilar.

Una de las limitaciones del proceso de escritura directa automatizada es que sólo una concentración de solución de polímero se puede dispensar a la vez. Esto restringe el nivel de complejidad de las estructuras suspendidas a desarrollarse sin tener que: 1) añadir una segunda válvula de dispensación para el robot;o, 2) retirar la válvula existente y realizar el protocolo de limpieza (sección 3.4) antes de dispensar la segunda solución de polímero, lo que requiere tiempo adicional. Una segunda limitación es la velocidad de alimentación (o velocidad de impresión), donde la velocidad de alimentación máxima que el sistema es capaz de alcanzar es de 500 mm / seg. Sin embargo, existe un compromiso entre la velocidad de alimentación y la formación de fibras. Específicamente, si las fuerzas de inercia (fuerzas debidas a la velocidad de alimentación) son mayores que las fuerzas de tensión superficial y la velocidad de evaporación de la solución de polímero, no se produce la formación de fibras. Por otro lado, si la velocidad de alimentación es demasiado baja, las fibras se fracturan debido a la evaporación excesiva antes y durante el proceso de elongación. En tercer lugar, dimensiones de las fibras y la estructura se limitan a la gama de funcionamiento de la etapa del robot, es decir, 200 mm, 200 mm y 25 mm (con una precisión posicional 10 micras) en las direcciones x, y y z, respectivamente. Sin embargo, este proceso no permitir la formación de alta relación de aspecto (fibra length: diámetro) fibras. Estratégicamente variando el tamaño de la punta de dispensación y la concentración de solución de polímero que permitiría una gama más amplia diámetro de la fibra, la creación de la capacidad de generar estructuras libremente suspendidas de mayor complejidad.

Siguiendo los protocolos se ha indicado anteriormente, las fibras de polímero micras y diámetro submicrométrico se pueden generar con un alto nivel de control espacial mediante la explotación de las superficies mecánica de fluidos de tensión impulsada de las soluciones de polímero, que no pueden ser controlados con cualesquiera otros procesos húmedos, secos o electrospinning . A partir de un trabajo previo ^8,19, sabemos que esta técnica puede ser utilizada para fabricar dispositivos de fluidos intrincada de micro / submicrónicas ¹⁹ y andamios bioingeniería ^8. Esta técnica barata y fácil tiene sus propias ventajas sobre los métodos tradicionales de fabricación de cepillo de muchas maneras.

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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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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