JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
русский

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengineering

Производство техники для снисходительный и быстрого изготовления на основе гидрогеля микромашин с магнитным реагировать компоненты добавки

Published: July 18, 2018
doi:
10.3791/56727
, , ,
1Molecular Engineering Laboratory, Biomedical Sciences Institute,Agency for Science Technology and Research, 2Department of Biomedical Engineering,Columbia University

Summary

Была разработана стратегия аддитивного производства для обработки гидрогели УФ поперечносшитого. Эта стратегия позволяет Ассамблее слой за слоем microfabricated гидрогеля структур, а также Ассамблее независимых компонентов, уступая интегрированные устройства, содержащие подвижных компонентов, которые реагируют с магнитным приводом.

Abstract

Полиэтиленгликоль (PEG)-на основе гидрогелей являются биосовместимыми гидрогели, для использования в организме человека были одобрены FDA. Типичный гидрогели на основе ПЭГ имеют простой монолитных архитектур и часто функцию как леса строительные материалы для ткани, инженерных приложений. Более сложные структуры обычно занимает много времени, чтобы изготовить и делать не содержат подвижных компонентов. Этот протокол описывает метод фотолитографии, который позволяет легким и быстрым микротехнологий PEG сооружений и устройств. Эта стратегия включает в себя внутренние развитых изготовление стадии, который позволяет для быстрого изготовления трехмерных структур путем строительства вверх в моде слой за слоем. Независимые движущихся компонентов может быть выровнены и собрал на структур поддержки для формирования интегрированных устройств. Эти независимые компоненты легированных с наночастицами суперпарамагнетическим оксида железа, чувствительны к магнитным срабатывания. Таким образом сфабрикованные устройства могут активироваться с помощью внешних магнитов произвести движение компонентов внутри. Следовательно этот метод позволяет для изготовления сложных MEMS-подобных устройств (микромашин), которые состоят полностью из биосовместимых гидрогеля, сможет функционировать без источника бортового питания и реагировать бесконтактным методом срабатывания. Эта рукопись описывает изготовление изготовление настройки, а также шаг за шагом метод микротехнологий этих гидрогели на основе МЭМС подобных устройств.

Introduction

МЭМС устройств нашли множество приложений, особенно в области медицинских приборов. Хотя они одалживают много дополнительной функциональности и миниатюрных характер этих устройств делает их привлекательными для использования в качестве implantables1,2,3, эти устройства часто имеют присущие безопасности и биосовместимость вопросы, как они состоят из материалов, которые могут быть вредны для человеческого организма (например, металлов, Аккумуляторы и т.д.)4,5,6. ПЭГ основе гидрогелей жидкий полимер опухшие сетей и часто используются для приложений, таких как ткани инженерные строительные леса в основном из-за их высокой биосовместимостью7,8. PEG на основе гидрогелей были также одобрены FDA для использования в людей9,10,11. Однако из-за свойств материала гидрогеля, они не легко выдерживать нормальных производственных процессов, таких как методы, используемые в типичных микротехнологий на основе кремния. Таким образом на основе гидрогеля конструкции обычно ограничиваются простой монолитных архитектур. Текущие усилия на микротехнологий гидрогелей привели к структур микронных размеров функций; Однако эти структуры являются часто один слой и одного материала12,13 и отсутствие движущихся компонентов14,,1516.

В предыдущей работе мы описываем стратегию для изготовлении микромашин, состоят исключительно из биосовместимых PEG-основе гидрогеля материал17. Особенности микронных размеров могут быть изготовлены легко методом фотолитографии и эти структуры могут быть построены вверх с использованием метода слой за слоем, включаемые точные оси движения субстрата, на котором полимеризуются гидрогели. Гидрогели различные композиции могут быть изготовлены рядом друг с другом. Кроме того эти устройства имеют движущиеся компоненты, которые могут активироваться с помощью внешнего магнита. Этот универсальный метод также подходит для обработки любой мягкий материал или гидрогеля, что фото полимеризуемых. Таким образом этот метод хорошо подходит для изготовления сложных MEMS-подобных устройств, полностью состоят из гидрогели.

Protocol

1. Изготовление этап Соберите set-up изготовления (рис. 1), состоящий из внутренних построен PDMS зале, в котором полимеризуются гидрогеля компоненты и стадии. На стадии изготовления состоит из акриловых сверху, в котором треки и каналы были станке для вакуумных соединений, держатель для крепежа микрометра голову в рамках стадии вакуум поддержкой и резьбовые стали должностей, которые позволяют всю сцену устанавливается на стали базой для стабилизации. Исправьте глава микрометра с акриловые кусок, который обрабатывается иметь треки для вакуумных соединений. Вакуумные соединения позволяют пользователю удерживая PDMS камеры, а также переместить гибкой мембраны в зале PDMS. Положение источника света UV (320-500 Нм) выше на стадии изготовления таким образом, что инцидент угол света перпендикулярно горизонтальной плоскости этапа (дополнительный рис. 1). 2. Изготовление PDMS палаты и определения ее «Нулевого» уровня Сделать PDMS камеру, в которой будет полимеризуется гидрогели (см. рис. 1A, PDMS камеры). Эта палата состоит из PDMS хорошо с гибкой мембраны, на который тычковой coverslip стекла. Coverslip стекла, приклеенная к гибкой PDMS мембраны дальнейшее лечение для предотвращения прилипания гидрогели (шаг 2.1.7). Подготовьте базу PDMS 9 части 1 часть отверждения агент смеси (мас.). Перемешать с стеклянный стержень для обеспечения того, чтобы база и отверждения агентов хорошо смешиваются. Центрифуга на 1000 g x для удаления пузырьков воздуха. Осторожно вылейте смесь PDMS в два стекла Петри приносить толстый слой (~ 3 мм) и тонким слоем (~0.2 мм). Место заполнены PDMS Петри на плоской, ровной поверхности и лечения на ночь при комнатной температуре или в течение 30 минут в духовке с температурой набор как минимум 75 ° C.Примечание: Тонкий слой PDMS требуется для базы PDMS камеры, как он обеспечивает создания гибкого слоя, который может быть легко перемещен в z направлении, датчик Винт микрометра. PDMS слои должны быть плоским и уровень для обеспечения равномерной толщины слоев полимеризованной гидрогеля. После PDMS полностью вылечить, нарежьте толстый слой с помощью лезвия скальпеля или перочинным ножиком круг диаметром 4 см. Отделите толстый слой PDMS из стекла Петри. Место толстый слой PDMS (снизу вверх) и тонкий слой PDMS (еще в стеклянной чашке Петри) в духовке плазмы. Плазмы лечить два PDMS слои (30 s, воздуха плазмы) и Бонд нижней стороне толстый слой PDMS Топ-стороне тонкий слой PDMS. Удалите кабального куски из стекла Петри сформировать хороший круговой с тонким слоем, формируя гибкие мембраны базы.Примечание: До удаления слоев кабального из стекла Петри, два слоя кабальном может располагаться на горячей плите на 95 ° C поощрять склеивание слоев. Плазмы Бонд стекло coverslip (№ 2, 22 x 22 мм) на верхней стороне гибкой PDMS мембраны; плазмы лечить PDMS зале и coverslip стекла из шага 4 для 30 s (воздуха плазмы) и место стекла coverslip контакте на верхней стороне гибкой мембраны, база для склеивания мембраны. Пара silanize PDMS камеры с силана трихлор (1H, 1 Ч, 2 Ч, 2H – perfluorooctyl) (PFOTS) для по крайней мере 30 минут; место PDMS камеры в вакуумного эксикатора наряду с небольшой Петри с 60 мкл PFOTS и соедините запечатанном Эксикатор Центральной лаборатории вакуумной системе. Оставьте Эксикатор, подключенный к системе вакуума по крайней мере 30 минут. Убедитесь, что создается вакуумное уплотнение эксикаторе и что капелька PFOTS «пузыри» после 5-10 минут. Пара silanization PDMS камеры позволяет снисходительный удаления сформированных гидрогеля слои и предотвращает сильная адгезия полимеризованной PEG гидрогелей на поверхность стекла после длительного использования. Для определения «нулевого» уровня PDMS камеры, поместите его на сцене вакуум включен (подключенных к центральной вакуумной системы лаборатории). Отрицательное давление удерживать PDMS камеры. PEG гидрогеля структуры будет полимеризуется в пределах этой PDMS камеры (рис. 1A, изготовление район). Место coverslip необработанных стекла верхней палате PDMS таким образом, что она охватывает хорошо. Расстояние между верхней стекла coverslip (Топ субстрата) и нижней coverslip стекла (нижней подложке) определяет толщину слоя гидрогеля, который образуется внутри камеры PDMS. С помощью микрометра голову, нажмите субстрата снизу вверх до тех пор, пока она находится в контакте с верхней субстрата. Используйте чтение на голове микрометра, как «нулевого» уровня палаты PDMS и как ссылку при определении толщины слоев полимеризованной гидрогеля. 3. Photomask дизайн для фотополимеризации гидрогеля микроструктур Для разработки фотошаблонов, используйте программное обеспечение САПР. Дизайн каждого уникального слоя гидрогеля структуры, которая должна быть сфабрикованы. Для примера устройства, изготовленные с использованием этого протокола обратитесь к рис . Рисунок 2 показывает 3D схема этого устройства, соответствующие слои, чтобы быть сфабрикованы и фотошаблонов, которые были разработаны для изготовления этих отдельных слоев. Дизайн фотошаблонов в темном поле; функции, чтобы быть полимеризуется должен быть прозрачным и фон непрозрачен (рис. 2 C, дополнительный рисунок 2). Включение выравнивания меток в конструкции фотошаблонов для облегчения выравнивания фотошаблонов во время процесса изготовления. Печать дизайн как прозрачность фотошаблонов на самом высоком разрешении доступны и на пиксель высокой плотности. 4. Лечение Coverslips стекла для предотвращения прилипания гидрогели Для создания поверхности, которые отталкивают полимеризованной PEG гидрогели, coverslips стекла покрыты тонким слоем PDMS. Подготовить PDMS (9:1 база для отверждения соотношение агента) и центрифуги на 1000 g x для удаления пузырьков воздуха. Нанести тонкий слой PDMS очищенного стекла coverslips и оставить вылечить на плоской, ровной поверхности в духовке (> 75 ° C, 30 мин). 5. слой, слой изготовление гидрогели: уплотнение верхнего слоя и нижней структуры поддержки Для создания гидрогелевого слоя, который будет впоследствии использоваться для уплотнения сформированный устройством, используйте необработанные кусок стекла coverslip (№ 2) как «дверца» для PDMS камеры. Этот «дверца» именуется как топ субстрата. Начиная с «нулевого» уровня устройства, Нижняя нижней подложке, с помощью микрометра голову на нужную высоту. Расстояние между верхней и нижней поверхностей определяет толщина первого слоя гидрогеля (Z1, рис. 3A). Депозит небольшой объем PEGDA форполимера (например, смесь 400Da PEGDA 1% Darocur 1173), достаточные для покрытия нижней подложке. Поместите верхний субстрата на PDMS камеры.Примечание: Важно обеспечить, что есть нет пузырьков воздуха в ловушке между верхней и нижней поверхностей. Место photomask с желаемого дизайна поверх верхней субстрата (рис. 2 c (i)). Убедитесь, что маска в полный контакт с верхней субстрат и соответствие к нижней подложке. Разоблачить гидрогеля форполимера для УФ света через фотошаблонов (шаг 1, рис. 3A). Убедитесь, что воздействие осуществляется в замкнутом пространстве, что предотвращает бродячих под действием ультрафиолетовых лучей в окрестностях.Предупреждение: Носить УФ-защиты (например, УФ очки) при работе с системой.Примечание: Сила и продолжительность воздействия зависит от типа УФ системы и PEGDA форполимера используется. Например, 200 Вт УФ лампы и 99% PEGDA (400 да PEGDA с фотоинициатора 1% (v/v)) предполимер решение, мощность лампы на 16% (соответствующий ~2.3 Вт/см2) и полностью вылечить гидрогели в течение 4 секунд. Длительность воздействия должно быть увеличено с уменьшается мощность лампы и увеличения длины цепи PEG форполимера используется. После того, как был полимеризуется гидрогелевого слоя, поднимите PDMS камеры Топ субстрата. Полимеризованная слоя должны соблюдаться на верхней подложку (врезные для шага 1, рис. 3A). Забронировать этот придерживался слой для использования позже запечатать собрал устройство. Щит этот полимеризованной слой от света.Примечание: Держать этот полимеризованной слой вдали от света и влажная с избыточной uncrosslinked форполимера для предотвращения слой от высыхания и растрескивания. Для создания структур поддержки снизу, используйте в качестве верхней субстрат PDMS палаты PDMS-покрытием стекла coverslips. Депозит больше форполимера гидрогеля на нижней подложке и охватывают PDMS хорошо с coverslip покрытием PDMS стекла. Это чтобы полимеризованной слои оставались на нижней подложке, позволяя пользователю создавать слои вверх (шаг 2, рис. 3A). Повторите шаги 5.1.4 и 5.1.5 с желаемой photomask дизайн (рис. 2 c (iii)). Удаление верхней субстрата и добавить больше PEGDA форполимера и ниже нижней подложке, с помощью микрометра голову до желаемого уровня. Этот уровень должен соответствовать толщине слоя 2nd гидрогеля полимеризованном (Z2, шаг 3, рис. 3A). Обложка PDMS хорошо с верхней субстрата (PDMS-покрытием стекла) и повторите шаги 5.1.4 и 5.1.5. Постоянно наращивать слои гидрогеля, как с помощью действия 5.2.1 и 5.2.2 до желаемой поддержки структуры формируются. 6. Монтаж и герметизация устройства на основе гидрогеля Чтобы собрать и запечатать устройство, сначала удалите Топ субстрата (PDMS-покрытием стекла) и используя пинцет, место предварительно сформированных гидрогеля компоненты (например, шестерни, железо легированных компоненты) на вспомогательных структур (часть (i), шаг 4, на рисунке 3A ).Примечание: Постоянного магнита, который может использоваться для выравнивания железо легированных компонентов (см. оксид железа допинг гидрогеля компонентов для изготовления шагов). Для герметизации устройства, сначала переведите субстрат нижней Окончательный нужную высоту собрал устройства, с помощью датчика Винт микрометра. Это должно быть окончательное высота устройства, принимая во внимание толщина слоев, внутренних компонентов и любых зазоров для перемещения компонентов (Z4, шаг 5, рис. 3A) Место предварительно сформированных гидрогелевого слоя присоединились на необработанных стекла coverslip от 5,1 частично собранном устройстве (часть (ii), шаг 4, рис. 3A). Осторожно поместите предварительно сформированных слой, таким образом, чтобы он правильно выравнивается к структурам ниже. Место фотошаблонов, который позволяет для герметизации устройства, но защищает внутренних движущихся компонентов от ультрафиолета. Убедитесь, что движущиеся компоненты не полимеризуется по краям устройства, предотвращения их передвижения во время срабатывания. Разоблачить всю структуру УФ света (часть (i), шаг 5, рис. 3A). Поднимите стекло coverslip от стадии изготовления. Запечатанный устройство следует придерживаться верхней субстрата ((часть (ii), шаг 5, Рисунок 3А).Примечание: Если устройство по-прежнему соблюдать нижней подложке, осторожно поднимите устройство с парой с плоским наконечником пинцеты (зубчатые) или плоский шпатель. Осторожно удалите избыток unpolymerized PEGDA с использованием вакуумного всасывания и аккуратно поднимите устройство coverslip стекла, используя пару плоский пинцет или плоский шпатель. Поместите устройство в физиологический раствор или DI воды. Гидрогели набухать в растворе. Оставьте устройство в растворе для по крайней мере 30 минут, чтобы позволить для стабилизации и расширение устройства и внутренних компонентов.Примечание: Если устройство не будет использоваться для имплантации в естественных условиях , важно, для полоскания и Лич от любой форполимеры uncrosslinked. Это можно сделать, изменив решение, в котором устройство инкубировали в каждый час (по крайней мере 3 полоскания) и оставляя устройство в растворе на ночь и ополаскивания от более раствором. Удаление воздуха внутри устройства, поместив устройства в чашку Петри, наполненный DI воды или физиологического раствора в вакуумной камере (подключенных к центральной лаборатории вакуумных систем) для по крайней мере 30 минут. Это приведет к дегазации устройства и устройства будут заполнены раствором после удаления отрицательное давление.Примечание: Держать гидратированных в решение устройства во все времена. Устройство может трещины следует высушить вне. 7. оксид железа допинг гидрогеля компонентов Приготовляют раствор PEGDA форполимеров с 1% фотоинициатора (например, 99% (v/v) PEGDA (400 Da) с 1% Darocur 1173). Используя это предполимер решение, сделать 5% (w/v) раствор окиси железа (II, III) решения наночастиц. Весят из 5 мг наночастиц оксида железа и 100 мкл PEGDA форполимера. Пипетка вверх и вниз и вихревой обеспечить равномерное перемешивание. Убедитесь, что наночастицы содержанием однородно рассредоточены в пределах PEGDA форполимера перед каждым использованием как наночастиц отложений с течением времени. Пипетка небольшой объем оксида железа – PEGDA предполимер смесь на субстрат нижней палаты PDMS. Обложка PDMS хорошо с верхней субстрата (PDMS-покрытием стекла) для обеспечения сохранения сформированных гидрогели на нижней подложке. Принесите субстрат нижней на нужную высоту с помощью микрометра голову.Примечание: Тонкие слои (200 мкм) оксида железа легированных PEGDA следует полимеризуется с каждой одной экспозиции. Это обусловлено сокращением глубины проникновения УФ света как оксид железа наночастиц непрозрачны и способны поглощать и блокировать УФ-излучения. С помощью фотошаблонов, который определяет форму сегмента легированного оксида железа в движущихся компонентов, чтобы разоблачить тонкий слой оксида железа легированных форполимера УФ света (рис. 4(i)).Примечание: Время экспозиции УФ следует увеличить для обеспечения что железо легированных сегмент является полностью сшитого (~ 10 секунд). Нижняя нижней подложке и повторите шаг 6, здание железо легированных сегмента в тонких слоях каждый раз до желаемой высоты (рис. 4(ii)). В общей сложности 5 слоев следует полимеризуется приносить высокий железо легированных сегмент 1 мм. После того, как железо легированных сегмент является полным (рис. 4(iii)), удалите любой избыток железа легированных форполимера с использованием вакуумного всасывания. Не удаляйте железо легированных сегмент из стадии изготовления. Хранение PEGDA форполимера (носителей) на полимеризованном железо легированных сегмента. Принесите нижней подложке для окончательного высоту компонента, чтобы завершить. Обложка PDMS хорошо с верхней субстрата (PDMS-покрытием стекла). С помощью фотошаблонов, который определяет всю форму движущейся компонента, разоблачить форполимера PEGDA, а также сегмента железо легированный, УФ света (рис. 4(iv)). Топ субстрата и удалите избыток unpolymerized PEGDA форполимера с использованием вакуумного всасывания. PEG компонент с сегментом легированных оксида железа должна оставаться на нижней подложке. Аккуратно поднимите этот компонент, используя пинцет. Забронировать этот Утюг легированных компонент для сборки на структур поддержки на базе PEG устройства (часть (i), шаг 4, рис. 3A). Щит этот компонент от света и убедитесь, что он по-прежнему увлажненный с uncrosslinked форполимера перед использованием. 8. срабатывания собрал устройства Примечание: Железо легированных компонентов в собранном устройстве могут приводиться для перемещения с помощью сильного постоянного магнита например неодима (N52 прочность). Будьте осторожны избежать щипать опасностей, как эти магниты очень сильно привлекают ферромагнитных материалов. Место неодимовый магнит ниже или выше устройства в течение 1-2 см от устройства. Во время движения магнита, движение легированных компоненты оксид железа должно переобъявлять движения магнита.Примечание: Привод может быть построен с помощью двигателя, который присоединен с магнитом. Вращение двигателя должен позволить вращения привода железа легированных компонента.

Representative Results

Рисунок 3B показывает изображения слоев гидрогели полимеризуется, используя изготовление set-up. Рисунок 3B (i) показывает сфабрикованные 400 мкм толщиной базовый слой с отверстие 600 мкм. Рисунок 3B (ii) показывает еще двух слоев, которые были поверх базового слоя; периметру высотой 500 мкм и Талль ось 800 мкм в середине. Общее производство время для этих трех слоев был менее 3 минут, принимая во внимание 4 секунды для каждого слоя и время, необходимое для регулировки высоты нижней подложке и выравнивание фотошаблонов воздействия. Предыдущие работы, выполненные на же изготовление set-up демонстрирует, что различные конструкции могут быть изготовлены с резолюциями аж 100 мкм. Гидрогель компоненты могут также быть легко легированного наночастиц оксида железа. Время экспозиции были оптимизированы для обеспечения тонкими слоями (200 мкм) из PEGDA форполимеры, легированного оксида железа, что наночастицы могут быть полностью полимеризуется. Рисунок 5A показывает фотошаблонов, используемый для определения формы сегмента оксида железа, чтобы быть полимеризуется. ООН легированных PEGDA форполимера может быть полностью полимеризуется в течение 4 секунд УФ облучения. Однако когда легированных форполимера оксида железа был разоблачен на 4 секунды для УФ, результирующая гидрогеля был не полимеризуется полностью, как можно увидеть в рисунке 5 c. Сегмент генерируется был тоньше (по сравнению с полностью сшитого сегмент, показано на рисунке 5B), и края были неравномерно с нарушенной верности по сравнению с формы, определяется photomask. Воздействие УФ лучей 10 секунд был обязан полностью крест ссылку сегмента окиси железа и Рисунок 5B показывает сегмент оксида железа, который был создан; сегмент полимеризованной оксида железа является полной толщины (200 мкм) с прямыми краями, и тесно верности форма поддерживается по сравнению с фотошаблонов (Рисунок 5A). И наоборот, за облучением (> 15 секунд) УФ света генерируется оксида железа сегментов, которые были более полимеризуется. Рисунок 5 d показывает более полимеризуется сегмент, который имеет плохой форме верности и больше чем форма определяется photomask. Рисунок 6A показывает полное устройство после запечатывания с надлежащего выравнивания, используя фотошаблонов с меток выравнивания. Передач внутри устройства находится полностью в пределах центрального пустоту устройства и таким образом реагирует на магнитные срабатывания. Рисунок 6B показывает устройство с разрегулированные уплотнение слоя. Рисунок 6 c показывает нижних слоев гидрогеля и снаряжение, сам раскрыты с черным контуры и Рисунок 6 d показывает разрегулированные уплотнение слоя верхней гидрогеля, освещены в белых контуров. Как видно из рис. 6 d, части передач, которые попадают в регионах, где полимеризации будет проходить во время уплотнения (показано красной заливки) результатов в части передач привязан к основную часть гидрогелевого материала. Это предотвращает перемещение во время включения передач. На рисунке 7 показана функциональная одного передач устройство, которое было изготовлено (общее время изготовление ~ 15 минут). Общая толщина устройства составляет 2 мм и длинной измерения устройства — 13 мм. Верхние и нижние слои устройство толщиной 400 мкм и передач имеет высотой 1 мм. Эта конструкция позволяет для 100 мкм Распродажа на верхней и нижней поверхности передач для движения. Верхний слой большинство устройства имеет отверстие 600 мкм и ось для передач 400 мкм в диаметре. Рисунок 5B показывает изображения устройства при его срабатывании с магнитом, таким образом, что механизм выполняет полный поворот, как можно наблюдать от изменений в положение сегмента оксида железа от (i) по (vi). Рисунок 1 . Изготовление установка для на основе гидрогеля микромашин. A) схема стадии изготовления. Эта схема показывает различные компоненты изготовления set-up включая PDMS палаты, в котором гидрогели формируются в области изготовления, вакуум включен этап, который держит вниз PDMS камеры, а также придает гибкой мембраны Микрометр головка для контроля высоты и топ субстрат, состоящий из coverslip стекла, которая не лечить или покрытые PDMS. B) схема вид сверху на этапе изготовления (без PDMS камеры). Затем источник УФ света располагается таким образом, что инцидент угол света перпендикулярно горизонтальной плоскости на стадии изготовления (не показано на рисунке). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 2 . Схематическое устройство на основе гидрогеля сингл передач и фотошаблонов, используемые для каждого слоя. A) схема из топ – и косой вид типичного на основе гидрогеля устройство, которое может быть изготовлена с использованием этой стратегии. Это устройство состоит из одного передач, содержащий железо легированных сегмент, который позволяет для магнитного контроля. B) схема отдельных слоев и компонентов внутри устройства. Этот сингл зубчатые устройство состоит из верхней уплотнение слоя (i), поддержка структур, таких как пост железо легированных снаряжения и стены из устройства (ii), а также нижний слой (iii). C) Photomask конструкции, используемые для изготовления устройства сингл зубчатые. Фотошаблонов являются разработанные темного поля; желаемых функций остается прозрачной пока темный фон. Эта панель показывает photomask конструкции соответствует верхней уплотнения слоя (i), и вспомогательных структур (ii) и нижний слой (iii). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 3 . Слой за слоем фотолитографии на основе гидрогеля микромашин. A) схема поэтапного процесса для изготовления устройств в области изготовления камеры PDMS. 1: небольшой объем форполимера PEGDA накапаны на coverslip стекла, приклеенная к гибкой мембраны PDMS палаты (внизу субстрата). Кусок необработанных стекла coverslip используется в качестве верхней субстрата и фотошаблонов находится на вершине этой верхней субстрата. Высота нижней подложке доводится до желаемой высоты (Z1) с помощью микрометра голову. Гидрогель форполимера затем подвергается воздействию УФ света через photomask. Топ субстрата может затем снять PDMS камеры и гидрогелевые, которые по-прежнему придерживаться верхней субстрата (вставка). Затем этот уровень зарезервирован для последующего использования. 2: шаг 1 повторяется, но Топ субстрат теперь заменены PDMS-покрытием стекла. Полимеризованная гидрогеля останется приклеенная к нижней подложке. 3: высота нижней подложке опустил (Z2> Z1) и более форполимера могут быть добавлены в область изготовления. Используется вторая photomask и форполимера подвергается воздействию УФ света еще раз. 4: 3 шаг может быть повторен (Z3 > Z2) до тех пор, пока создаются структуры требуемой поддержки. (i) после завершения структур поддержки, топ субстрата могут быть удалены для получения доступа к изготовлению области для внедрения любых преформированных гидрогеля компонентов (например, железо легированных передач). (ii) после преформированных компоненты были помещены и надлежащим образом выровнены, гидрогелевого слоя из шага 1 можно поверх сфабрикованные структуры и соответствие. 5: все слои затем подвергаются воздействию УФ-излучения через фотошаблонов, что тюлени края устройства. (i) этапа запечатывания уплотнения все устройство в то время как внутренние компоненты защищены от дальнейшего воздействия УФ. (ii запечатанных устройство может быть снят с отсека для изготовления, как оно преференциально будет придерживаться верхней субстрата. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 4 . Шаги для наночастиц оксида железа допинг компонентов гидрогеля. (i) УФ света предоставляется через фотошаблонов, определение оксида железа легированных сегмента в рамках гидрогеля передач. (ii) тонкие слои (200 мкм) оксида железа легированных гидрогеля полимеризуется каждый раз и накладываются на друг друга. (iii) слой тонких слоев создает сегмент с общей высотой 1 мм. Этот сегмент остается в слое изготовления. (iv) ООН легированных форполимера затем на хранение в области изготовления и фотошаблонов, определяет полную форму шестерни затем используется во время сшивки. Это позволяет формирование полной передач с оксида железа легированных сегмента. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 5 . Фотополимеризации компонентов оксида железа легированных гидрогеля. A) Photomask передач сегмента для легированного наночастиц оксида железа. B) оксида железа легированных гидрогеля, которая была оптимально полимеризуется (10 s воздействия). C) оксида железа легированных гидрогеля, которая была под полимеризуется (4 s воздействия). D) оксида железа легированных гидрогеля, который был чрезмерно полимеризуется (20 s воздействия). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 6 . Выравнивание гидрогелевого слоя во время уплотнительные устройства. A) изображения показаны правильное выравнивание слоев гидрогеля с-перемещение снаряжение это полностью внутри вакуум устройства. B) изображения показаны устройства с разрегулированные гидрогеля слоями (B, C и D являются образы из того же устройства, но с различными слоями выделены). C) же образ как и (B), но с черной контуры выяснения нижней слои, которые правильно выровнены. Передач правильно помещен в нижних слоев. D) же образ как и (B), но с белыми контурами, показаны разрегулированные верхний слой гидрогеля. Механизм был частично полимеризуется в ходе этапа запечатывания и части передач (красная заливка) была привязана к сыпучий материал устройства. Это делает устройство нефункциональные. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 7 . Приведение в действие одного зубчатые micromachine на основе гидрогеля. A) изображения показаны сфабрикованные устройства. B) изображения показаны различные ориентации снасти после срабатывания. (i) от ее первоначальной ориентации (0°) механизм поворота, (ii) 60°, (iii) 120°, (iv) 180°, (v) 240° и 300°. Линейки шкалы составляет 1 мм пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 8 . Универсальная изготовление различных конструкций на основе гидрогеля микромашин. A) простой ворота клапан, который управляет выпуска препаратов из одного резервуара. Линейное движение компонента оксида железа легированных гидрогеля ворота диффузии гипотетический наркотиков через вне и розетки. B условным линейной коллектор, который контролирует выпуска препаратов из нескольких резервуаров. Каждый резервуар содержит гипотетических наркотиков и движение ворот оксида железа легированных компонент движения наркотиков из этих водохранилищ через окно гидрогеля, который позволяет для распространения этих препаратов, для наружного применения. C) A простой ротор, который может активироваться вращаться вокруг оси. D изысканный дизайн, основанный на диске, Женева. Приводом с ПИН возможность привлечь больше приводные шестерни и производить прерывистого движения; полное вращение привод вращает приводные шестерни на 60°. Все бары масштаба являются 1 мм. От подбородка, ю. S. et al. добавка для производства на основе гидрогеля материалов для следующего поколения имплантируемых медицинских устройств. Робототехника науки. 2 (2), (2017). Перепечатано с разрешения AAAS17. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Discussion

Эта техника является легким и быстрым методом для фотолитографии слой за слоем гидрогеля микроструктур. Использование Аддитивные производства подход, мы можем легко создавать разнообразные 3D конструкций из биосовместимых материалов и даже включать движущихся частей. Таким образом, это позволит формирование полностью биологически совместимыми микросхемами. Методика основана на простым повторением шаги литографии, которая обеспечивается точный контроль высоты нижней подложке через микрометра голову. Изготовление традиционных методов, используемых в индустрии MEMS, с участием суровых обработки техники и жертвенных материалы, часто не совместим с обработкой мягкой гидрогели. Другие методы для 3D печати гидрогели, например методы, основанные на экструзии, ограничиваются пространственным разрешением выше 200 мкм и печатать со скоростью мм/с для простых структур, не содержащих движущихся частей18,19. Лазерная стереолитография (SLA) и цифровой проект света (DLP) на основе bioprinters может быть в состоянии добиться лучшего резолюций, но есть также много дороже для установки. Эти изготовления стратегии также не способны легко печатать свесы без поддержки субстрат материалов, которые могут быть трудно внедрить и удалить из завершенных устройства. Мы обойти это, выравнивание и полимеризовать слой предварительно сформированных уплотнение структуры сфабрикованные поддержки как последний шаг, чтобы сформировать завершенные устройства. Дизайн Изготовление set-up дает пользователю легкий доступ к сфабрикованным структур и позволяет легко выравнивание различных компонентов с использованием меток выравнивания.

Стратегия, представленная здесь также намного быстрее, чем другие методы аналогичных резолюций; Общее время, необходимое для изготовления продемонстрировали устройства с вращающейся составляет около 15 минут. Другой добавил преимущество этой стратегии производства, хотя не продемонстрировала в этом протоколе, но в нашей предыдущей работы17, является способность для пользователя, чтобы быстро и легко изменить тип полимер используется между шагами, которые может быть сделано в небольших объемах . Таким образом можно создать устройства, которые состоят из различных типов гидрогели. Прибор, изготовленный с использованием этой стратегии также имеет дополнительное преимущество бесконтактных срабатывания как механизм содержит сегмент, легированного наночастиц оксида железа, рендеринга передач чувствительных к магнитного привода и таким образом могут активироваться с помощью внешнего магнит. Кроме того устройство полностью биосовместимых и поэтому может быть безопасно имплантированных в естественных условиях.

Важной особенностью этого метода является лечение различных стеклянных поверхностей, что позволяет пользователю преференциально придерживаться или оттолкнуть полимеризованной Гидрогель в нижней или верхней стеклянной подложке. Когда используется сочетание необработанных стекла с поверхности стекла PFOTS-лечение (нижней подложке), сформированные гидрогели будет преференциально придерживаться необработанных стекла, как они отталкиваются от фторированные поверхности стекла PFOTS-лечение. И наоборот когда PDMS-покрытием стекла используется с PFOTS-лечение нижней подложке, гидрогели будет имеют тенденцию оставаться на поверхности PFOTS-лечение как поверхности PDMS сильно оттолкнуть сформированных гидрогели. Эта функция позволяет строить вверх, придерживаться гидрогели, таким образом, что они являются иммобилизованных на стеклянные подложки и может быть зарезервирован для выравнивания с другими структурами в более поздний момент времени или даже построить вниз. Это добавляет гибкость техника и типов конструкций, которые могут быть изготовлены, а также позволяет включение и уплотнения в независимой, свободной перемещение гидрогеля компонентов.

Во время изготовления слой за слоем важно оптимизировать время полимеризации. Гидрогели должна быть оптимально сшитого, таким образом, что они образуют на полную толщину, а также с высокой точностью по сравнению с фигуры определяется photomask. Это зависит от мощности лампы и тип используемых гидрогеля. Хотя не показано в настоящем Протоколе, время полимеризации с растущей мощность лампы уменьшается и возрастает с увеличением длины цепи КОЛЫШЕК и снижение концентрации PEGDA используется. Другие факторы, которые влияют на количество энергии для фотополимеризации, такие как изменение непрозрачности форполимера связано с добавлением наночастиц оксида железа (рис. 4), будет также влиять на время полимеризации. Оптимизация для сшивки условия для различных гидрогеля композиции таким образом требуется перед началом процесса изготовления устройств.

Использование меток выравнивания на фотошаблонов и надлежащему применению гидрогеля слоев, особенно окончательный уплотнение слоя, имеют важное значение для обеспечения надлежащей герметизации выполняется, и внутренних компонентов не случайно сшитого для окружающих структур поддержки в процессе изготовления. Это позволит предотвратить эти компоненты свободно двигаться во время магнитных срабатывания. Как показано на рисунке 5, разрегулированные Топ уплотнение слоя и фотошаблонов приводит сшивки и анкеровка часть снаряжения для сыпучих материалов самого устройства. В результате это снаряжение не вращается, когда приводом с магнитом.

Устройства могут активироваться с помощью сильных магнитах например неодимовые магниты. Эти магниты создания сильных магнитных сил в близкого расстояния до ферромагнитных материалов и следует позаботиться о том, чтобы предотвратить травмы. Устройство может приводиться двигаться без магнита, контактирующих с устройством; магнит может быть проведено или помещен ~ 1 см от устройства. Движение железа легированных компонентов должно отражать движение магнита и может быть приводом двигаться непрерывно или ориентированной периодически как пожелано. Устройство может приводиться вручную или срабатывания установки могут быть использованы. Магнит может быть присоединен к любой привода (например, мотор сервопривода) для вращательного движения. Скорость вращения магнита, и следовательно скорость вращения железо легированных компонента, могут управляться с помощью микроконтроллера. Это обеспечивает для более точного метода срабатывания.

На рисунке 8 показана схема и изображения различных конструкций от предыдущей работы, которые были сфабрикованы, используя эту же технику и продемонстрировать универсальность данного метода. Эти проекты варьируются от простых устройств, которые напоминают клапаны (рис. 8A) до более сложных и сложные конструкции, которые черпают вдохновение из Женевы диск дизайн (рис. 8 d), которые состоят из 2 занимается передач, которые производят прерывистый движение. Маленький функции, которые могут быть созданы с помощью этого метода, как правило, были около 100 мкм, и каждая конструкция состоит из нескольких слоев (3-6 слоев). Различных типов, гидрогеля композиций (с различных механических сильные и пористость) также может быть полимеризуется и связаны друг с другом. Следовательно один можно легко комбинировать типы гидрогели для использования внутри устройства в зависимости от необходимой функции различных компонентов внутри устройства.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана NSF CAREER award, низ R01 Грант (HL095477-05) и NSF ECCS-1509748 Грант. S.Y.C. была поддержана национальной науки стипендию (PhD), который был награжден агентством по науке, технологии и научных исследований (Сингапур). Мы благодарим Keith Yeager за помощь с строительство изготовление set-up и Сайрус W. Beh для фотографий и настройки устройств.

Materials

Poly(ethylene glycol) (n) diacrylate [MW 400Da] Polysciences, Inc 01871-250 PEGDA reagent for prepolymer
Darocur 1173 Ciba Specialty Chemicals, Inc – Photoinitiator
Iron oxide (II, III) Sigma Aldrich 637106-25G  Iron oxide nanoparticles
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane Sigma Aldrich 448931 Fluorinated compound that is used to vapor silanize the PDMS chamber to prevent adhesion of hydrogel to the glass coverslip that is bonded to the flexible PDMS membrane with prolonged use of the PDMS chamber
Petri dish, glass Sigma Aldrich BR455743 Glass petri dishes for casting PDMS layers for forming PDMS chamber
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit (PDMS) Dow Corning 240-4019862 PDMS for fabrication chamber
Glass coverslips (No. 2), 50 x 45 mm Fisher Scientific FIS#12-543F Glass substrates that cover the fabrication chamber
Fisherbrand Straight Flat Tip Forceps 4.75in Fisher Scientific FIS#16-100-112 Tweezers for handling polymerized hydrogel layers/devices
Omnicure S2000 Cadence Technologies Pte Ltd 010-00148R UV lamp
5 mm Adjustable Collimating Adaptor Cadence Technologies Pte Ltd 810-00042 Collimator for UV lightsource
Photomasks CAD/Art Services Inc – Photomasks used to define hydrogel microstructures
Adobe Illustrator Adobe – Designing of photomasks
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Elman, N. M., Ho Duc, H. L., Cima, M. J. An implantable MEMS drug delivery device for rapid delivery in ambulatory emergency care. Biomedical Microdevices. 11 (3), 625-631 (2009).
  2. Gensler, H., Sheybani, R., Li, P. Y., Mann, R. L., Meng, E. An implantable MEMS micropump system for drug delivery in small animals. Biomedical Microdevices. 14 (3), 483-496 (2012).
  3. Grayson, A. C. R., et al. BioMEMS review: MEMS technology for physiologically integrated devices. Proceedings of the IEEE. 92 (1), 6-21 (2004).
  4. Frost, M., Meyerhoff, M. E. In vivo chemical sensors: tackling biocompatibility. Analytical Chemistry. 78 (21), 7370-7377 (2006).
  5. Voskerician, G., et al. Biocompatibility and biofouling of MEMS drug delivery devices. Biomaterials. 24 (11), 1959-1967 (2003).
  6. Ainslie, K. M., Desai, T. A. Microfabricated implants for applications in therapeutic delivery, tissue engineering, and biosensing. Lab Chip. 8 (11), 1864-1878 (2008).
  7. Burdick, J. A., Anseth, K. S. Photoencapsulation of osteoblasts in injectable RGD-modified PEG hydrogels for bone tissue engineering. Biomaterials. 23 (22), 4315-4323 (2002).
  8. Drury, J. L., Mooney, D. J. Hydrogels for tissue engineering: scaffold design variables and applications. Biomaterials. 24 (24), 4337-4351 (2003).
  9. Alcantar, N. A., Aydil, E. S., Israelachvili, J. N. Polyethylene glycol-coated biocompatible surfaces. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 51 (3), 343-351 (2000).
  10. Cruise, G. M., et al. In vitro and in vivo performance of porcine islets encapsulated in interfacially photopolymerized poly(ethylene glycol) diacrylate membranes. Cell Transplantation. 8 (3), 293-306 (1999).
  11. Hoare, T. R., Kohane, D. S. Hydrogels in drug delivery: Progress and challenges. Polymer. 49 (8), 1993-2007 (2008).
  12. Ryu, W., Huang, Z., Prinz, F. B., Goodman, S. B., Fasching, R. Biodegradable micro-osmotic pump for long-term and controlled release of basic fibroblast growth factor. Journal of Controlled Release. 124 (1-2), 98-105 (2007).
  13. Lee, J. W., Park, J. H., Prausnitz, M. R. Dissolving microneedles for transdermal drug delivery. Biomaterials. 29 (13), 2113-2124 (2008).
  14. Hinton, T. J., et al. Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels. Science Advances. 1 (9), e1500758 (2015).
  15. Tseng, H., et al. Fabrication and mechanical evaluation of anatomically-inspired quasilaminate hydrogel structures with layer-specific formulations. Annals of Biomedical Engineering. 41 (2), 398-407 (2013).
  16. Grogan, S. P., et al. Digital micromirror device projection printing system for meniscus tissue engineering. Acta Biomaterialia. 9 (7), 7218-7226 (2013).
  17. Chin, S. Y., et al. Additive manufacturing of hydrogel-based materials for next-generation implantable medical devices. Science Robotics. 2 (2), (2017).
  18. Diogo, G. S., Gaspar, V. M., Serra, I. R., Fradique, R., Correia, I. J. Manufacture of beta-TCP/alginate scaffolds through a Fab@home model for application in bone tissue engineering. Biofabrication. 6 (2), 025001 (2014).
  19. Hockaday, L. A., et al. Rapid 3D printing of anatomically accurate and mechanically heterogeneous aortic valve hydrogel scaffolds. Biofabrication. 4 (3), 035005 (2012).

Tags

Additive ManufacturingHydrogel-based MicromachinesMagnetically Responsive ComponentsRapid FabricationBiocompatible DevicesPET-based HydrogelsFDA ApprovalPDMS ChamberPEGDA PrepolymerUV ExposurePhotomaskBottom Support Structures

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Chin, S. Y., Poh, Y. C., Kohler, A., Sia, S. K. An Additive Manufacturing Technique for the Facile and Rapid Fabrication of Hydrogel-based Micromachines with Magnetically Responsive Components. J. Vis. Exp. (137), e56727, doi:10.3791/56727 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image