一种简便快速制备磁响应元件的水凝胶基微型机械的添加剂制造技术

1. 制作阶段 装配制造 (图 1) 设置, 由内部内置的阶段和在其中聚合水凝胶成分的聚甲基硅室组成。制作阶段包括一个丙烯酸顶部, 其中的轨道和通道被加工成允许真空连接, 在真空启用阶段内的千分尺夹具的固定架, 以及允许整个舞台固定的螺纹钢柱。在钢基础上稳定。 用压克力片固定千分尺的头, 加工成有真空连接的轨道。真空连接使用户能够在该室中按住, 并移动柔性膜。 将 UV 光源 (320-500 nm) 置于制造阶段之上, 使入射角度与舞台的水平平面垂直 (辅助图 1)。 2. 制造该室并确定其 “零” 水平 制作一室, 其中水凝胶将被聚合 (见图 1A, 硅烷室)。本会议厅由一个具有柔性膜的盖玻片和玻璃纤维粘合而成。进一步处理粘附于柔性盖玻片膜的玻璃纤维, 以防止水凝胶 (步进 2.1.7) 的附着力。 准备9部分, 以1部分固化剂混合物 (按重量)。 用玻璃棒搅拌好, 确保基材和固化剂混合良好。离心机在 1000 x g 去除气泡。 小心倒入两个玻璃培养皿的混合物, 以产生厚层 (3 毫米) 和薄层 (~ 0.2 毫米)。将所填充的培养皿放在平坦的、水平的表面上, 在室温下或在30分钟内在烤箱中固化, 温度设定在最低75摄氏度。注: 在该基部的基础上, 需要一个薄层的聚硅烷, 因为它确保了在 z 方向上可以很容易地通过千分尺螺杆测量的柔性层的生成。为了确保聚合水凝胶层的厚度均匀, 必须对其进行平整和水平的测量。 在将其完全固化后, 使用手术刀刀片或小刀将直径为4厘米的圆圈切成厚层。从玻璃培养皿中剥离厚的玻纤层。将厚的玻纤层 (下侧向上) 和薄的 (仍在玻璃培养皿中) 的薄片 (仍然是在玻璃板中) 放入等离子烤箱。 等离子处理两层 (三十年代, 空气等离子体) 和债券的底部, 厚的一层, 以顶部的薄的一层。从玻璃培养皿中取出粘合件, 形成一个圆形井, 形成一个柔性膜基的薄层。注: 在从玻璃培养皿中去除粘合层之前, 两层粘合的涂层可以放在95摄氏度的热板上, 以鼓励层间的粘合。 等离子键 a 玻璃盖玻片 (不 2, 22 毫米 x 22 毫米) 的顶部的挠性的有机玻璃膜;等离子处理从步骤4三十年代 (空气等离子) 玻璃盖玻片和两个, 并将玻璃盖玻片与柔性膜基的顶部接触, 使其与膜粘合。 蒸气 silanize 氯 (1H、1H、2H、2H-perfluorooctyl) 硅烷 (PFOTS) 至少30分钟;将干燥与60µL PFOTS 的小型培养皿一起置于真空中, 将密封干燥连接到中心实验室真空系统。把干燥连接到真空系统至少30分钟。 确保干燥的真空密封件生成, 并在 5-10 分钟后 PFOTS “气泡” 的水滴。硅烷化蒸气室允许在长时间使用后, 对形成的水凝胶层进行简易去除, 防止聚合 PEG 凝胶与玻璃表面的强力粘合。 要确定所用的 “零” 级, 请将其置于真空启用阶段 (连接到实验室中心真空系统)。 施加负压, 使其保持向下。PEG 水凝胶结构将被聚合在这一聚合物室 (图 1A, 制造区域)。 将未经处理的玻璃盖玻片放在该室的顶部, 这样它就能覆盖井。顶部玻璃盖玻片 (顶部衬底) 与底部玻璃盖玻片 (底衬底) 之间的距离定义了在其内部形成的水凝胶层的厚度。 使用千分尺头, 向上推底部基板, 直到它与顶部基体接触。将千分尺中的读数作为 “零” 级的, 在定义聚合水凝胶层厚度时作为参考。 3. 水凝胶显微组织聚合的光掩模设计 设计光掩膜, 使用 CAD 软件。 设计要制作的水凝胶结构的每一个独特的层。有关使用此协议制作的示例设备, 请参阅图 2 。图 2显示了该设备的3D 示意图、要制作的相应层以及为制作这些单独的层而设计的光掩膜。 设计光掩膜在黑暗领域;要聚合的功能应该是透明的, 背景是不透明的 (图 2C,辅助图 2)。 在光掩模设计中加入对齐标记, 以方便光掩膜在制造过程中对齐。 打印设计为透明光掩膜在最高分辨率可用和高像素密度。 4. 玻璃盖玻片的处理, 防止水凝胶粘附 为了创建排斥聚合的 PEG 水凝胶的表面, 玻璃盖玻片被涂上一层薄薄的硅烷。 准备 (9:1 碱固化剂比) 和离心机在 1000 x g 去除气泡。 应用一薄层的盖玻片清洗玻璃, 并留在一个平面, 水平表面的烤箱内 (> 75 °c, 30 分钟) 治疗。 5. 水凝胶的逐层制作: 顶层密封和底层支撑结构 要创建一个水凝胶层, 随后将用于密封成型的设备, 使用未经处理的玻璃盖玻片 (2 号) 作为一个 “盖子”, 为一个。这个 “盖子” 被称为顶部衬底。 从设备的 “零” 级别开始, 使用千分尺头将底部衬底降低到所需的高度。顶部和底部基底之间的距离定义了第一层水凝胶的厚度 (Z1,图 3A)。 将 PEGDA 预聚体的一小部分 (例如, 400Da PEGDA 的混合物与 1% Darocur 1173) 交存, 足以覆盖底衬底。 将顶部衬底放到基材室。注意: 重要的是要确保没有气泡之间的顶部和底部衬底。 将光掩模与所需的设计放在顶部衬底上 (图 2C (i))。确保掩码与顶部衬底完全接触, 并与底衬底对齐。 通过光掩模将水凝胶预聚物暴露在 UV 光中 (步骤 1,图 3A)。确保在封闭的空间内进行曝光, 防止杂散紫外线照射到周围区域。注意: 在操作系统时,应佩戴紫外线防护 (如紫外线护目镜)。注意: 曝光的功率和持续时间取决于紫外线系统的类型和 PEGDA 预聚体的使用。 例如, 对于 200 w 紫外线灯和 99% PEGDA (400 Da PEGDA 与1% 光 (v/v)) 预聚体解决方案, 设置灯功率在 16% (对应于 ~ 2.3 瓦特/cm2) 和充分治愈水凝胶在4秒内。随着灯功率的降低和预聚体的 PEG 链长度的增加, 曝光时间应增加。 在凝胶层被聚合后, 将顶层衬底从基板上提起。聚合层应附着在顶部衬底上 (为步骤 1 (图 3A) 插入。保留此粘附层以供以后使用以密封组装设备。从光中屏蔽这个聚合层。注: 保持这一聚合层远离光和湿与过剩的 uncrosslinked 预聚体, 以防止层的干燥和开裂。 要创建底层支撑结构, 请使用盖玻片涂层玻璃作为该基板的顶部基体。 将更多的水凝胶预聚物存入底层基体上, 并将其覆盖在盖玻片的玻璃表面。这是为了确保聚合层保留在底层基板上, 允许用户向上构建层 (步骤 2,图 3A)。 重复步骤5.1.4 和5.1.5 所需的光掩模设计 (图 2c (iii))。 卸下顶部衬底并添加更多的 PEGDA 预聚体, 并使用千分尺头到所需的水平下部底衬底。这个水平应该对应于2和层的水凝胶的厚度将被聚合 (Z2, 步骤 3,图 3A)。 盖好与顶部基板 (5.1.4 涂层玻璃) 和重复步骤的5.1.5。 通过5.2.1 和5.2.2 的步骤不断地建立所需的水凝胶层, 直到形成所需的支撑结构。 6. 基于水凝胶的装置的组装和密封 要组装和密封该设备, 首先删除顶部衬底 (玻纤膜玻璃) 和使用一双镊子, 将预成型的水凝胶部件 (如齿轮, 掺杂铁元件) 放置到支撑结构上 (第 (一)、步骤 4,图3A).注: 永久磁铁可用于对任何掺杂铁的部件进行校准 (请参阅水凝胶组件的氧化铁掺杂以制作步骤)。 要密封设备, 首先使用千分尺螺钉量规将底衬底放到装配设备的最终所需高度。这应该是设备的最终高度, 考虑到层的厚度, 内部组件和任何为移动部件提供的间隙 (Z4, 步骤 5,图 3A) 将预成型的水凝胶层放置在未经处理的玻璃盖玻片上, 从5.1 到部分组装装置 (第 (ii)、步骤4、图 3A)。仔细地放置预先形成的层, 使其正确地与它下面的结构对齐。 放置一个光掩模, 允许密封的设备, 但保护内部移动组件的紫外线照射。确保移动元件不被聚合到设备的边缘, 从而防止其在驱动过程中的运动。 将整个结构暴露于 UV 光 (第一部分 (i), 步骤 5,图 3A)。 从制作阶段提起玻璃盖玻片。密封装置应坚持顶部衬底 ((ii), 步骤 5,图 3A)。注: 如果设备仍附着在底部衬底上, 请小心地用一对扁平尖 (无锯齿) 镊子或平铲将设备抬起。 小心地去除多余的 unpolymerized PEGDA 使用真空吸入和小心地解除设备关闭玻璃盖玻片使用一双平镊子或平铲。 将设备放入盐水溶液或 DI 水中。水凝胶在溶液中膨胀。将设备放在解决方案中至少30分钟, 以允许设备和内部组件的稳定和扩展。注: 如果该设备是用于体内植入, 重要的冲洗和浸出任何 uncrosslinked 预聚物。这可以通过更改设备在每个小时 (至少3漂洗) 中孵化的解决方案来完成, 并在解决方案中过夜, 然后用更多的解决方案冲洗掉设备。 将设备放在装有 DI 水或盐水的培养皿内 (连接到中心实验室真空系统), 以使设备内的空气不超过30分钟。这将导致设备的脱气, 一旦负压消除, 设备就会充满溶液。注意: 始终保持设备的水合/在溶液中。该设备可能会开裂, 如果它是留下来晾干。 7. 水凝胶成分的氧化铁掺杂 准备一个 PEGDA 预聚体溶液与1% 光 (例如, 99% (v/v) PEGDA (400 Da) 与 1% Darocur 1173)。 使用这个预聚体溶液, 使 5% (w/v) 溶液的氧化铁 (II, III) 纳米粒子溶液。重出5毫克氧化铁纳米微粒, 加入100µL PEGDA 预聚体。吸管上下和涡流, 以确保均匀混合。 确保纳米粒子 homogenously 分散在 PEGDA 预聚体中, 在每次使用之前, 纳米粒子将随时间沉淀。 将少量的氧化铁-PEGDA 预聚体混合物移到该基板的底衬底上。 盖好与顶部基板 (玻纤涂层玻璃), 以确保形成的水凝胶保持在底部基板。 使用千分尺头将底部基底带到所需的高度。注: 细层 (200 µm) 的氧化铁掺杂 PEGDA 应聚合与每一个暴露。这是由于紫外线的穿透深度下降, 因为氧化铁纳米粒子是不透明的, 能够吸收和阻挡紫外线光。 使用定义在运动元件内掺杂氧化铁的光掩模的形状, 将被掺杂的氧化铁的薄层暴露在 UV 光中 (图 4(i))。注: 应增加紫外线照射时间, 以确保掺杂铁的段完全交联 (~ 10 秒)。 下底衬底和重复步骤 6, 每一次建立在薄层的铁掺杂段, 以达到所需的高度 (图 4(ii))。共5层应聚合, 以产生1mm 高铁掺杂段。 在铁掺杂段完成后 (图 4(iii)), 去除任何多余的铁掺杂预聚体使用真空吸力。不要从制造阶段去除掺杂铁的部分。 将 PEGDA 预聚体 (掺杂) 沉积在聚合铁掺杂段上。将底部基板带到要完成的组件的最终高度。用顶部衬底 (玻纤涂层玻璃) 将其盖好。 使用定义整个移动元件形状的光掩模, 将 PEGDA 预聚体以及掺杂铁的段暴露到 UV 光 (图 4(iv))。 卸下顶部衬底, 用真空吸力去除多余的 unpolymerized PEGDA 预聚体。一个掺杂铁氧化物段的 PEG 元件应留在底部基体上。用一对镊子轻轻举起这个组件。 将这种掺铁组件保留在基于 PEG 的设备的支撑结构上 (第 (一)、步骤4、图 3A)。保护此组件不受光照, 并确保在使用前 uncrosslinked 预聚体保持湿润。 8. 组装装置的驱动 注: 组装装置内的铁掺杂元件可通过强力永磁体 (如钕 (N52)) 来驱动移动。小心避免捏的危险, 因为这些磁铁是非常强烈的吸引力, 铁磁材料。 将钕磁铁放在设备下方 1-2 厘米以外的装置上。在移动磁铁时, 铁氧化物掺杂元件的运动应该会遮蔽磁铁的运动。注: 执行器可以使用与磁铁连接的马达来制造。电机的旋转应允许铁掺杂元件的旋转驱动。