Asma Micron / Sub-mikron Ölçeği Fiber Yapıların 3-D Doğrudan Yazma Robotik Dağıtım Sistemi aracılığıyla Prescribed
Summary
Burada, biz 3 eksenli dağıtım sistemi vasıtasıyla otomatik direkt yazma prosedürü yoluyla üretilen özgürce askıya mikron / alt mikron ölçekli polimer lifler ve "web-like" yapılar imal etmek için bir protokol mevcut.
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
Son birkaç on yıl gibi ıslak eğirme, kuru eğirme ve elektrospinning olarak fabrikasyon teknikleri, çeşitli boyunca, çeşitli ve biyolojik sağlam, kimya, elektrik ve mekanik özelliklere sahip yeni polimer 1-12 lif yapılarını oluşturmak için istihdam edilmiştir. Bu eğirme teknikleri üç boyutlu lifler süspansiyon üretme yeteneğine sahiptir, ancak, bunlar, bu işlemler vasıtasıyla elyaf birikim doğada rastgele olduğundan tam olarak üç boyutlu lif yönünü kontrol etmek için yetenekleri açısından sınırlıdır. Buna ek olarak, bu teknikler, elyaf üretimi için boyutsal aralığında sınırlıdır; nanometre onlarca tek mikron ila 13 arasında değişen çaplara sahip verim fiberleri Elektrospinning ise özel olarak ise, kuru ve ıslak eğirme ile üretilen elyaf, onlarca mikron yüzlerce çapı değişebilir.
3 boyutlu uzayda lif oryantasyonu daha hassas kontrol sağlamak için, bizim grup kendini geliştirdi-assemble veya doğrudan daha sonra içi boş kılcal dışında bir polimerik malzeme çıkarır ve "doğrudan-yazma" lif üretim süreci yüzey gerilimi odaklı akışkan mekaniği 14 sömürerek öngörülebilir lif çapları içine katılaşmaya ince ve bireysel filamentler çizer. Lif konumu ve çapı kontrol seviyesini artırmak için Bizim ilk doğrudan yazma sistemi Ultra Yüksek Hassas micromilling Makinası (Şekil 1) yapılmış bir özel başkanına bağlı bir özel fabrikasyon yaylı şırınga dağıtım sistemi oluşuyordu. UHPMM X ve Y yönlerinde 1.25 nm ve programlı mikron ve alt mikron ölçekli teller ve yapılar oluşturmak için kontrol edildi Z yönünde 20 nm'lik bir konumsal çözünürlüğe sahip bir sahne vardı. Bu özel direkt yazma sisteminin bir sınırlama iğne ucu sayesinde polimer çözeltisinin akış kontrol eksikliği oldu. Yaylı dağıtma sistemi başarıyla sabit flo oluşturulan rağmenucundan w, polimer çözeltisinin sürekli genişleyen küresel boncuk çevresel koşullara bağlı olarak boyut ve hacim olarak değiştirilebilir şırınga ucu, bir çıkış oluşturulmuştur.
Şekil Ultra Yüksek Hassasiyetli micromilling Makine 1. Resim:. Mikron / mikronaltı ölçekli yapılarını imalatı kullanılan ilk doğrudan yazma sistemi bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Bu kaynak boncuk tutarsızlığı art arda reçete çapta telleri imal sistemin yeteneğini etkiledi. Yapıların başarılı bir şekilde, bu doğrudan yazma işlemi kullanılarak elde edilmiştir de olsa, polimer çözeltisinin akış kontrol artırarak sürecinin artırılması fazla taşlı izin verecektirse, şırınga ucunda boncuk boyutu düzenlenmesi yoluyla lif çapları reçete. Böylece, bu çalışma tam reçete oluşturmak için polimer çözelti akış hızı ve uç boncuk boyutunu kontrol etmek için pnömatik olarak çalıştırılan dağıtıcı vana, mikron / alt-mikron asılı yapılar ile 3 eksenli otomatik dağıtım sisteminin uygulanmasını açıklar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her bir deneme başlamadan önce, polimer çözeltilerinin viskozitesi, kütle transferi katsayıları ve yüzey gerilimi testi doğru robotu ve dağıtma sistemi istenen polimeri işleme kapasitesine sahip olup olmadığını tespit etmek amacıyla ölçülebilir kritik öneme sahiptir. Bizim grubu ile, daha önce tarif edildiği gibi, polimer çözeltileri, yeterli muhafaza etmelidir: 1) yüzey gerilimi mikron / alt-mikron yapılarına sıvı filaman oluşumunu sağlamak için; 2) viskozite kılcal kırmak dayanacak şekilde; ve, 3) buharlaşma oranı lif katılaşma 18 artırmak için. Bu parametreler arasındaki sinerji başarılı çap belirlenen bir aralık içinde elyafın üretilmesi için bir anahtardır. Aynı zamanda, bu parametrelerin bir istikrarsızlık mikron / alt mikron çaplı elyafların oluşmasını engeller. Lif imalat sırasında bu parametreler arasındaki sinerjiyi korumak için, iğne ve iğne vana iyice doğrudan-yazma s sonra temizlenir sağlamak için önemlidirönlemek için Ession: çözeltinin 1) kirlenmesi; 2) iğne boyunca bir polimer çözelti akış hızında bir azalma; ve iğne ucu polimer boncuk, 3), aşırı büyümesi. Buna ek olarak, ısıtıcı sıcaklık kontrol cihazı, bir polimer çözeltisinin sürekli bir buharlaşma oranını korumak için istenen sıcaklığa ayarlanmış olması gerekir.
çatallı kol lifler, Şekil 6-8 destek yapıları daha çapı% 41,% 24 daha büyük,% 59, sırası ile,% 24 PMMA çözeltisi kullanılarak. Bu lifler çizilir hangi mesafeye öncelikle kaynaklanmaktadır. Özellikle, destek yapıları alt-tabakanın tüm eni boyunca çizilen (X ve Y yönlerinde 10.0 mm; çapraz 14.4 mm). Bunun bir sonucu olarak, bu genel olarak süspanse yapıların uzun elyaflardır. çatallı dal yapıları aşağı 2,5 mm 7 mm maksimum uzunluk arasında değişen ölçüde kısadır. Bu kısa elyaf çekme uzunluğu hayır yokt etkin küçük çaplı elyafları üretmek için fiber inceltme işlemi sırasında gerekli olan elyaf suşu neden olur. Öte yandan, daha büyük çaplı teller etkin bir çatallı dal çekme işlemi sırasında uyarılan römorkörcülük ve deformasyon sürdürmek için destek lifleri olarak hizmet için gereklidir. Çatallanma dalları destek lifleri boyunca çizilir gibi, destek lif geometrisinin bir biçimlenme nedeniyle solvent mevcut çizim güçlerinin yanı sıra destek arasındaki arayüzde PMMA polimer lokalize çözülme ve dallı lifleri oluşabilir Polimer çözeltisi. Bu nedenle, bazı durumlarda, destek elyaflar daha büyük bir çapa ve mekanik olarak daha güçlü elyafın üretilmesi için bir polimer, daha yüksek bir konsantrasyon içeren bir polimer çözeltisinden imal edilmesi gerekebilir.
Bir desteğin daha geniş ve dallı lif üretmek için mevcut protokol değiştirerek öncelikle üç etkili yöntemler vardırçapları: 1) başlangıçta büyük bir iğne ucundan polimeri dağıtmak (örneğin, 25 G; Kimliği = 254 mikron) desteği lifleri oluşturmak ve daha sonra küçük bir iğne ucu (örneğin, 32 G alışverişi, kimliği = 101.6 mikron) imal etmek Daha küçük dallı lifler; Yukarıda belirtildiği gibi 2), birden fazla polimer konsantrasyonlarının kullanılması; ve yani / veya, 3) ayarlamak ilerleme hızı, besleme hızı küçük çaplı lifleri üreten artırılması ve besleme hızı azalan nerede sahne, erişir hangi hızda geniş çaplı lifleri oluşturur. Bugüne kadar, başarılı bir şekilde 90 nm kadar küçük lifleri imal etmek mümkün olmuştur; Ancak, bu boyutta fiber verim nedeniyle kılcal dağılmasından düşüktür.
Otomatik doğrudan yazma işleminin bir sınırlama polimer çözeltisinin sadece bir konsantrasyonu, bir anda tevzi edilebilir olmasıdır. Bu gerek kalmadan geliştirilecek askıya yapıların karmaşıklığı düzeyi kısıtlar: 1) robota ikinci bir dağıtım vanası ekleyin;veya, 2) Mevcut valfini çıkarın ve ek zaman alır ikinci polimer solüsyonu, dağıtım öncesi temizlik protokolü (Kısım 3.4) gerçekleştirin. İkinci sınırlama sistemi ulaşma yeteneğine sahiptir maksimum ilerleme hızı 500 mm / sn olan ilerleme hızı (ya da baskı hızı) 'dir. Ancak, besleme hızı ve lif oluşumu arasında bir tercih söz konusudur. Atalet kuvvetleri (besleme hızına bağlı kuvvetleri) yüzey gerilimi kuvvetlerinin ve polimer çözeltisinin bir buharlaşma hızına daha büyük olan özel olarak, fiber oluşumu oluşmaz. Besleme hızı çok düşükse, diğer yandan, lifler, önce, ve uzama işlemi sırasında aşırı buharlaşma kırılma olacaktır. Üçüncü olarak, elyaf yapısı ve boyutları sırasıyla x, y ve z istikametlerinde robotun aşamasında çalışma aralığında, örneğin, 200 mm, 200 mm ve (10 um konumsal bir doğrulukla) 25 mm ile sınırlıdır. Bununla birlikte, bu süreç (fiber l yüksek en boy oranı oluşmasını sağlayacak yokength: çap) elyafları olabilecektir. Stratejik yüksek karmaşıklık serbestçe asılı yapılarını oluşturmak için yeteneği oluşturma, dağıtma uç boyutu ve daha geniş bir lif çapı aralığı için izin verecek polimer çözeltisi konsantrasyonunu değişen.
Yukarıda belirtilen protokoller izlenerek, mikron ve mikron altı çapı polimer lifleri başka, ıslak, kuru ya da Elektrospinning işlemler ile kontrol edilemez Polimer çözeltilerin yüzey gerilimi tahrik edilen akışkan mekaniği, yararlanarak aralıklı kontrolünün yüksek düzeyde elde edilebilir . Önceki çalışma 8,19, biz bu tekniğin karmaşık mikro / submikron akışkan cihazlar 19 ve biyomühendislik iskeleleri 8 imal etmek için kullanılabilir olduğunu biliyorum. Bu ucuz ve kolay bir tekniktir birçok yönden geleneksel planya fabrikasyon yöntemleri üzerinde kendi avantajları vardır.
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).
