An Additive Manufacturing Technique for the Facile and Rapid Fabrication of Hydrogel-based Micromachines with Magnetically Responsive Components

Sau Yin Chin; Yukkee Cheung Poh; Anne-C&#233;line Kohler; Samuel K. Sia

doi:10.3791/56727

JoVE Journal > Bioengineering

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Biyomühendislik

Un additif de fabrication Technique pour la Fabrication rapide et Facile des Micromachines base d’Hydrogel avec composants magnétiquement sensibles

Published: July 18, 2018

doi:

10.3791/56727

Sau Yin Chin^1,2, Yukkee Cheung Poh², Anne-Céline Kohler², Samuel K. Sia²

¹Molecular Engineering Laboratory, Biomedical Sciences Institute,Agency for Science Technology and Research, ²Department of Biomedical Engineering,Columbia University

Özet

A élaboré une stratégie de fabrication additive pour traitement UV-réticulables hydrogels. Cette stratégie permet l’assemblage de couche par couche des microfabriques hydrogel structures ainsi que l’assemblage de composants indépendants, produisant des dispositifs intégrés contenant les composants mobiles qui réagissent au déclenchement magnétique.

Abstract

Polyéthylène glycol (PEG)-fonction hydrogels sont des hydrogels biocompatibles qui ont été approuvés pour usage humain par la FDA. Typiques hydrogels axée sur le PEG ont des architectures monolithiques simples et souvent une fonction comme matériaux pour applications en génie tissulaire d’échafaudage. Des structures plus complexes prennent généralement beaucoup de temps à fabriquer et à faire ne contient pas de composants mobiles. Ce protocole décrit une méthode de photolithographie qui permet pour la microfabrication facile et rapide des dispositifs et structures de PEG. Cette stratégie consiste à un stade de fabrication avancés interne qui permet la fabrication rapide de structures 3D en s’appuyant vers le haut dans un mode de couche par couche. Indépendant des composants en mouvement aussi peut être aligné et monté dans des structures de soutènement pour former des dispositifs intégrés. Ces composants indépendants sont dopés avec des nanoparticules superparamagnétiques d’oxyde de fer qui sont sensibles au déclenchement magnétique. De cette manière, les dispositifs fabriqués peuvent être actionnés à l’aide d’aimants externes pour produire le mouvement des composants dans. Par conséquent, cette technique permet la fabrication d’appareils sophistiqués de type MEMS (micromachines) qui sont composées entièrement d’un hydrogel biocompatible, capable de fonctionner sans source de courant à bord et de répondre à une méthode sans contact d’actionnement. Ce manuscrit décrit la fabrication de fois la mise en place de fabrication ainsi que la méthode étape par étape pour la microfabrication des ces dispositifs de type MEMS hydrogels.

Introduction

Dispositifs MEMS ont trouvé une multitude d’applications, notamment dans le domaine des dispositifs médicaux. Bien qu’ils prêtent un grand nombre de fonctionnalités ajoutées et la nature miniaturisée de ces dispositifs rendent attrayant pour utilisation comme instruments implantables¹^,²^,³, souvent, ces dispositifs ont biocompatibilité et à la sécurité intrinsèque les questions, car ils sont composés de matériaux qui pourraient être nocives pour le corps humain (p. ex., métaux, piles, etc.)⁴^,⁵^,⁶. Hydrogels axée sur les PEG sont des réseaux de liquide polymère gonflé et ont été fréquemment utilisés pour des applications telles que les échafaudages ingénierie tissulaire en grande partie en partie en raison de leur haute biocompatibilité⁷^,⁸. Hydrogels axée sur le PEG ont également été approuvés par la FDA pour l’usage chez les humains⁹^,¹⁰^,¹¹. Toutefois, en raison des propriétés matérielles d’hydrogel, ils ne résistent pas facilement à des procédés de fabrication normale tels que les techniques utilisées dans le typique à base de silicium microfabrication. Ainsi, constructions de base d’hydrogel sont généralement limitées aux architectures monolithiques simples. Efforts actuels pour la microfabrication d’hydrogels ont donné lieu à des structures avec des caractéristiques moyennes de micron ; Cependant, ces structures sont souvent d’une seule couche et un unique matériau¹²^,¹³ et manque se déplaçant composants¹⁴^,¹⁵^,¹⁶.

Dans un travail antérieur, nous décrivons une stratégie de fabrication micromachines composés entièrement d’un matériau biocompatible hydrogel axée sur le PEG¹⁷. Caractéristiques taille micron peuvent être fabriqués facilement en utilisant une méthode de photolithographie et ces structures peuvent être construits vers le haut à l’aide d’une méthode couche par couche, activée par le mouvement de l’axe z précise du substrat sur lequel les hydrogels sont polymérisés. Hydrogels de différentes compositions peuvent être fabriqués à côté de l’autre. En outre, ces dispositifs ont des piéces en mouvement qui peuvent être actionnés à l’aide d’un aimant externe. Cette technique polyvalente consiste également pour le traitement de n’importe quel matériau souple ou hydrogel qui est photo polymérisable. Ainsi, cette technique est bien adaptée pour la fabrication de dispositifs de type MEMS sophistiqués composés entièrement d’hydrogels.

Protocol

1. stade de la fabrication Monter l’installation de fabrication (Figure 1), consistant en une maison construit étape et chambre de PDMS, dans lesquels les composants hydrogel sont polymérisés. L’étape de fabrication se compose d’un haut acrylique, dans lequel les titres et les canaux ont été usinées pour permettre les connexions sous vide, un support pour le montage d’une tête micrométrique au sein de la scène vide-activé et enfilé des poteaux en acier qui permettent la scène entière qui sera fixée sur la base pour la stabilisation en acier. Fixer la tête du micromètre avec une pièce acrylique qui est usinée pour avoir des pistes pour la connexion sous vide. Dépression permettre de maintenir enfoncée la chambre PDMS mais aussi de déplacer la membrane flexible au sein de la chambre PDMS. Placer une source de lumière UV (320-500 nm) au-dessus de la scène de fabrication tel que l’angle d’incidence de la lumière est perpendiculaire au plan horizontal de la scène (supplémentaire Figure 1). 2. fabrication de chambre de PDMS et de déterminer son niveau « Zéro » Faire une chambre PDMS, dans lesquels les hydrogels va être polymérisés (voir Figure 1 a, chambre de PDMS). Cette chambre se compose d’un PDMS bien avec une membrane souple sur lequel est collée une lamelle de verre. La lamelle de verre qui est collée sur la membrane souple de PDMS est encore traitée pour empêcher l’adhérence des hydrogels (étape 2.1.7). Préparer une base de PDMS 9 partie 1 partie mélange agent de polymérisation (en poids). Remuez bien avec une baguette de verre pour s’assurer que les agents de base et de polymérisation sont bien mélangés. Centrifuger à 1 000 g pour enlever les bulles d’air. Verser délicatement le mélange PDMS dans deux plats de Pétri de verre donne une couche épaisse (environ 3 mm) et une mince couche (~0.2 mm). Lieu rempli de PDMS Pétri sur un plat, surface plane et remède pour la nuit à température ambiante ou pendant 30 minutes dans un four avec température réglée à un minimum de 75 ° C.Remarque : Une fine couche de PDMS est requise pour la base de la chambre PDMS car il assure la génération d’une couche souple qui peut être facilement déplacée sur l’axe z de la jauge de vis micrométrique. Les couches PDMS doivent être plate et horizontale pour que les couches d’hydrogel polymérisé soient d’épaisseur uniforme. Après le PDMS est complètement durci, découper un cercle de diamètre de 4 cm dans la couche épaisse à l’aide d’une lame de bistouri ou un canif. Décoller la couche épaisse de PDMS la boîte de Pétri en verre. Placez la couche épaisse de PDMS (bas-vers le haut) et la couche mince de PDMS (toujours dans la boîte de Pétri en verre) dans un four à plasma. Plasma traiter les deux couches PDMS (30 s, plasma air) et bond le dessous de la couche épaisse de PDMS sur le haut-côté de la mince couche PDMS. Retirez les morceaux collés de la boîte de Pétri pour former un puits circulaire avec la couche mince formant une membrane souple à base de verre.Remarque : Avant d’ôter les couches cautionnés la boîte de Pétri en verre, les deux couches sous douane peuvent être placés sur une plaque de cuisson à 95 ° C pour favoriser l’adhérence des couches. Plasma coller une lamelle de verre (n ° 2, 22 x 22 mm) sur le haut-côté de la membrane flexible de PDMS ; plasma traiter la lamelle de verre et la chambre de PDMS de l’étape 4 pour 30 s (plasma air) et place la lamelle de verre en contact avec le haut-côté de la membrane flexible base pour coller l’à la membrane. Silyler de vapeur la chambre PDMS trichloro (1H, 1H, 2H, 2H – perfluorooctyl) du silane (PFOTS) pendant au moins 30 minutes ; Placer la chambre PDMS dans un dessiccateur à vide avec une petite boîte de Pétri avec 60 µL de PFOTS et branchez le dessiccateur étanche sur le système de vide de laboratoire central. Laissez le dessiccateur connecté au système de vide pendant au moins 30 minutes. S’assurer que le joint de vide d’un dessiccateur est généré et que la goutte de PFOTS « bubbles » après 5-10 minutes. Vapor silanisation de la chambre PDMS permet facile suppression d’hydrogel formé des couches et empêche l’adhérence forte d’hydrogels de PEG polymérisés à la surface du verre après une utilisation prolongée. Pour déterminer le niveau « zéro » de la chambre PDMS, placez-le sur une scène vide-activé (reliée au système central d’aspiration laboratoire). Appliquer une pression négative à maintenez la chambre PDMS. Les structures d’hydrogel PEG vont être polymérisés dans cet hémicycle PDMS (Figure 1 a, domaine de la Fabrication). Placez une lamelle de verre non traitées sur le dessus de la chambre PDMS telle qu’elle couvre le puits. La distance entre la lamelle de verre supérieur (substrat supérieur) et la lamelle de verre bas (substrat de fond) définit l’épaisseur de la couche d’hydrogel qui se forme au sein de la chambre PDMS. En utilisant la tête micrométrique, pousser le substrat de fond vers le haut jusqu’à ce qu’il est en contact avec le substrat haut de la page. Utiliser la lecture sur la tête micrométrique comme le niveau « zéro » de la chambre PDMS et comme référence lorsque vous définissez l’épaisseur des couches hydrogel polymérisé. 3. Photomask Design pour la photopolymérisation de Microstructures d’Hydrogel Pour concevoir la photomasks, utilisez des logiciels de CAO. Concevoir chaque couche unique de la structure de l’hydrogel qui doit être fabriquée. Reportez-vous à la Figure 2 pour l’appareil exemple fabriqué en utilisant ce protocole. La figure 2 montre 3D schématique de ce dispositif, les couches correspondants à fabriquer ainsi que les masques qui ont été conçus pour la fabrication de ces différentes couches. Conception des masques en champ sombre ; fonctionnalités pour être polymérisé doivent être transparentes et l’arrière-plan est opaque (Figure 2 C, complémentaire de la Figure 2). Repères incorporent dans les designs de photomasque pour faciliter l’alignement de la photomasks au cours du processus de fabrication. Imprimer les dessins comme photomasks de transparence avec la meilleure résolution disponible et à la densité de pixels de haut. 4. traitement des lamelles de verre pour empêcher l’adhérence des Hydrogels Pour créer des surfaces qui repoussent les hydrogels PEG polymérisées, lamelles de verre sont recouvertes d’une fine couche de PDMS. Préparer le PDMS (9:1 base de ratio agent de polymérisation) et centrifuger à 1 000 g pour enlever les bulles d’air. Appliquez une fine couche de PDMS à lamelles de verre nettoyé et laisser guérir sur une surface plane et de niveau avec un four (> 75 ° C, 30 min). 5. couche-par-couche Fabrication d’Hydrogels : couche d’étanchéité supérieure et inférieure des Structures de soutènement Pour créer une couche d’hydrogel qui sera par la suite utilisée pour sceller le dispositif formé, utilisez une pièce non traitée de lamelle de verre (n ° 2) comme un « couvercle » pour la chambre PDMS. Ce « couvercle » est dénommé le substrat haut de la page. A partir de niveau « zéro » de l’appareil, abaissez le substrat de fond à l’aide de la tête du micromètre à la hauteur désirée. La distance entre les haut et le bas des substrats définit l’épaisseur de la première couche d’hydrogel (Z1, Figure 3 a). Déposer une petite quantité du prépolymère de la PEGDA (par exemple, un mélange de 400Da PEGDA 1 % Darocur 1173), suffisant pour couvrir le substrat du fond. Placez le substrat haut de la page sur la chambre PDMS.Remarque : Il est important de s’assurer qu’il n’y a aucune bulle d’air emprisonnée entre les haut et le bas des substrats. Mettre un photomasque avec conception désirée sur le dessus du substrat supérieur (Figure 2 (i)). Assurez-vous que le masque est en plein contact avec le substrat haut et alignée sur le substrat de fond. Exposer le prépolymère hydrogel aux UV à travers le photomasque (étape 1, Figure 3 a). S’assurer que l’exposition se faite au sein d’un espace clos qui empêche l’exposition aux rayons ultraviolets errant dans la région environnante.ATTENTION : Portez une protection UV (p. ex., UV, lunettes) lorsque le système d’exploitation.Remarque : La puissance et la durée de l’exposition dépend du type de système UV et prépolymère PEGDA utilisé. Par exemple, pour une lampe UV W 200 et les 99 % PEGDA (400 Da PEGDA avec photo-initiateur 1 % (v/v)) solution prépolymère, régler la puissance de la lampe à 16 % (correspondant à ~2.3 W/cm2) et totalement guérir les hydrogels dans les 4 secondes. La durée d’exposition doit être augmentée avec la diminution de puissance de la lampe et augmenter la longueur de chaîne de cheville du prépolymère utilisé. Après que la couche hydrogel a été polymérisée, soulevez le substrat haut la chambre PDMS. La couche polymérisée devrait être respectée sur le substrat supérieur (médaillon pour l’étape 1, Figure 3 a). Réserver cette couche collée à utiliser plus tard sceller l’appareil assemblé. Protéger cette couche polymérisée de la lumière.NOTE : Garder cette couche polymérisée abri de la lumière et mouiller avec excès non prépolymère afin d’éviter la couche de dessèchement et de fissuration. Pour créer les structures de soutènement de fond, utilisez lamelles de verre enduit de PDMS comme substrat supérieur de la chambre PDMS. Déposez plus prépolymère d’hydrogel sur le substrat de fond et couvrir le PDMS bien avec une lamelle de verre enduit de PDMS. Il s’agit de garantir que les couches polymérisés demeurent sur le substrat du fond, permettant à l’utilisateur de construire des couches vers le haut (étape 2, Figure 3 a). Répétez les étapes 5.1.4 et 5.1.5 avec la conception de photomask désirée (Figure 2c (iii)). Enlever le substrat haut et ajouter plus prépolymère PEGDA et baisser le substrat de fond à l’aide de la tête du micromètre au niveau souhaité. Ce niveau doit correspondre à l’épaisseur de la couche 2nd d’hydrogel polymérisé (Z2, étape 3, Figure 3 a). Couvrir le PDMS bien avec le substrat haut (verre PDMS) et répétez les étapes 5.1.4 et 5.1.5. S’accumuler sans cesse couches d’hydrogel comme désiré avec étapes 5.2.1 et 5.2.2 jusqu’à ce que les structures de support désiré sont forment. 6. montage et étanchéité de l’appareil de base d’Hydrogel Pour assembler et sceller l’appareil, retirez le substrat haut (verre PDMS) et une paire de pincettes, placer hydrogel pré-formé composants (p. ex., engrenages, composants dopé au fer) sur les structures de soutènement (partie i, étape 4, Figure 3 a ).Remarque : Un aimant permanent peut servir à aligner des composants de fer dopé (voir oxyde de fer dopage des composants d’hydrogel pour les étapes de fabrication). Pour sceller l’appareil, tout d’abord mettre le substrat de fond à la hauteur désirée finale de l’appareil assemblé à l’aide de la jauge de vis micrométrique. Cela devrait être la hauteur finale de l’appareil, compte tenu de l’épaisseur des couches, les composants intérieurs et les hauteurs libres indiquées pour déplacer des composants (Z4, étape 5, Figure 3 a) Place la couche préformée hydrogel respecté sur la lamelle de verre non traitées de 5.1 sur le périphérique partiellement monté (partie (ii), étape 4, Figure 3 a). Placer soigneusement la couche préformée telle qu’elle est correctement alignée sur les structures en dessous. Mettre un photomasque qui permet l’étanchéité de l’appareil, mais protège l’intérieur des composants en mouvement de l’exposition aux UV. S’assurer que les composants mobiles sont non polymérisés aux bords de l’appareil, empêchant leur mouvement pendant la manoeuvre. Exposer l’ensemble de la structure à la lumière UV ( Figure 3 a, partie i, étape 5). Soulevez la lamelle de verre dès le stade de fabrication. Le dispositif scellé doit adhérer au substrat supérieur ((partie (ii), étape 5, Fig. 3 a).Remarque : Si l’appareil reste collé au substrat du fond, soulever délicatement l’appareil avec une paire d’à bout plat (non dentelé) pinces à épiler ou d’une spatule plate. Retirer délicatement l’excédent PEGDA non polymérisée à l’aide d’aspiration sous vide et soulever délicatement l’appareil hors service de la lamelle de verre à l’aide d’une paire de pinces plates ou une spatule plate. Placer le dispositif dans une solution saline ou de l’eau distillée. Hydrogels gonflent en solution. Laissez l’appareil dans la solution pendant au moins 30 minutes permettre à la stabilisation et l’expansion de l’appareil et les composants intérieurs.Remarque : Si l’appareil doit être utilisé pour l’implantation de in vivo , il est important de rincer et de lixiviation au large de n’importe quel domaine de prépolymères. Cela peut être fait en changeant la solution dans laquelle le dispositif est incubé dans toutes les heures (au moins 3 rinçages) et en laissant l’appareil en solution au jour le jour et rinçage au large avec plus de solution. Éliminer l’air au sein de l’appareil en plaçant l’appareil dans une boîte de Pétri remplie avec l’eau distillée ou de sérum physiologique dans une chambre à vide (reliée aux systèmes de vide de laboratoire central) pendant au moins 30 minutes. Cela se traduira par le dégazage de l’appareil et l’appareil sera remplie de la solution une fois que la pression négative est supprimée.Remarque : Maintenez l’appareil hydraté/en solution en tout temps. L’appareil peut se fissurer devrait il être laissée à sécher. 7. l’oxyde de fer dopage des composants d’Hydrogel Préparer une solution prépolymère PEGDA avec photo-initiateur 1 % (par exemple, 99 % (v/v) PEGDA (400 Da) avec 1 % Darocur 1173). Vous utilisez cette solution prépolymère, préparez une solution de 5 % (p/v) d’oxyde de fer (II, III) solution de nanoparticules. Peser 5 mg de nanoparticules d’oxyde de fer et ajouter 100 µL de prépolymère de PEGDA. Pipette de haut en bas et vortex pour assurer un mélange homogène. Veiller à ce que les nanoparticules sont dispersées homogène au sein du prépolymère PEGDA avant chaque utilisation tout comme les nanoparticules sédiments au fil du temps. Déposer une petite quantité de l’oxyde de fer – mélange prépolymère PEGDA sur le substrat du fond de la chambre PDMS. Couvrir le PDMS bien avec le substrat haut (verre PDMS) pour s’assurer que les hydrogels formés restent sur le substrat du fond. Porter le substrat de fond à la hauteur désirée à l’aide de la tête du micromètre.Remarque : Les couches minces (200 µm) de PEGDA dopée à l’oxyde de fer devraient être polymérisés avec chaque exposition unique. C’est en raison de la diminution de la profondeur de pénétration de l’UV légère comme l’oxyde de fer nanoparticules sont opaques et sont capables d’absorber et de bloquer les rayons UV. À l’aide d’un photomasque qui définit la forme du segment à être dopé avec l’oxyde de fer au sein de la composante, exposer la mince couche d’oxyde de fer prépolymère dopé à la lumière UV (Figure 4(i)).Remarque : La durée d’exposition UV doit être augmentée pour s’assurer que le segment dopé au fer est entièrement réticulés (environ 10 secondes). Abaissez le substrat de fond et répétez l’étape 6, le segment dopé au fer en couches minces de construction chaque fois à la hauteur désirée (Figure 4(ii)). Un total de 5 couches devrait être polymérisé pour donner un segment de fer dopé haut de 1mm. Une fois le segment dopée fer complète (Figure 4(iii)), retirer tout excédent prépolymère dopé au fer à l’aide d’aspiration sous vide. Ne pas enlever le segment de fer dopé dès le stade de fabrication. Déposer le prépolymère PEGDA (dopé) sur le segment de fer dopé polymérisé. Porter le substrat de fond à la hauteur finale du composant doit être remplie. Couvrir le PDMS bien avec le substrat haut (verre PDMS). À l’aide d’un photomasque qui définit la forme entière de la composante, exposer le prépolymère PEGDA, ainsi que le segment dopé au fer, à la lumière UV (Figure 4(iv)). Enlever le substrat haut et excès non polymérisée prépolymère PEGDA à l’aide d’aspiration sous vide. Un composant de la cheville avec un segment d’oxyde de fer dopé doit rester sur le substrat du fond. Soulevez doucement ce composant à l’aide d’une paire de pincettes. Réserver cette composante dopé au fer pour assemblage sur les structures de soutènement d’un périphérique PEG ( Figure 3 a, partie i, étape 4). Bouclier de cette composante de la lumière et faire en sorte qu’elle reste mouillée avec angles prépolymère avant utilisation. 8. déclenchement de l’appareil assemblé Remarque : Les composants de fer dopé au sein de l’appareil assemblé peuvent être actionnés pour déplacer à l’aide d’un aimant permanent puissant comme néodyme (N52 force). Veillez à ne pas pincer les dangers que ces aimants sont très fortement attirés par les matériaux ferromagnétiques. Placer un aimant de néodyme au-dessous ou au-dessus du dispositif au sein de 1 à 2 cm de l’appareil. Tout en déplaçant l’aimant, le mouvement des composants d’oxyde de fer dopés doit occulter le mouvement de l’aimant.Remarque : Un actionneur peut être construit en utilisant un moteur qui est attaché avec un aimant. Actionnement de rotation de la composante dopé de fer doit permettre la rotation du moteur.

Representative Results

Figure 3 b montre des images des couches d’hydrogels polymérisés avec l’installation de fabrication. Figure 3 b (i) montre une fabriqué 400 µm épaisse couche de base avec une ouverture de µm 600. Figure 3 b (ii) montre un autre deux couches qui étaient en couches sur le dessus de la couche de base ; un grand périmètre de 500 µm et un axe de hauteur 800 µm au milieu. Le temps de fabrication totale de ces trois couches était moins de 3 minutes, en tenant compte de 4 secondes d’exposition pour chaque couche et le temps nécessaire pour ajuster la hauteur du substrat du fond et l’alignement des masques. Des travaux antérieurs effectué sur la même installation de fabrication démontrent qu’une variété de modèles peut être fabriquée avec des résolutions aussi haut que 100 µm. Les composants de l’hydrogel pourraient également être facilement dopées avec des nanoparticules d’oxyde de fer. Les temps d’exposition ont été optimisées afin d’assurer des couches minces (200 µm) de prépolymères PEGDA dopés avec de l’oxyde de fer nanoparticles pourrait être complètement polymérisé. Figure 5 a montre le photomasque permet de définir la forme du segment d’oxyde de fer pour être polymérisé. Le prépolymère PEGDA non dopé peut être complètement polymérisé dans les 4 secondes après exposition aux UV. Toutefois, lorsque le prépolymère dopé d’oxyde de fer a été exposée pendant 4 secondes aux UV, l’hydrogel qui en résulte a été pas complètement polymérisé, comme peut être vu dans la Figure 5. Le segment généré était plus mince (par rapport à un segment entièrement réticulé, illustré à la Figure 5 b), et les bords étaient inégales avec fidélité compromise par rapport à la forme définie par le photomasque. Exposition aux UV de 10 secondes n’était tenue de cross link le segment de l’oxyde de fer et Figure 5 b montre le segment de l’oxyde de fer qui a été généré ; le segment polymérisé d’oxyde de fer est de pleine épaisseur (200 µm) avec les bords droits et fidélité de forme est étroitement maintenue par rapport à la photolithographie (Figure 5 a). À l’inverse, une surexposition (> 15 secondes) à la lumière UV généré des segments de l’oxyde de fer qui étaient plus polymérisés. Figure 5 montre un plus polymérisés segment a fidélité mauvais état et est plus grande que la forme définie par le photomasque. Figure 6 a montre un dispositif complet après scellement avec un alignement correct en utilisant photomasques avec repères. L’équipement intérieur de l’appareil est entièrement dans le vide central de l’appareil et est donc sensible aux déclenchement magnétique. Figure 6 b montre un appareil avec une couche d’étanchéité mal alignée. La figure 6 montre les couches inférieures de l’hydrogel et le train lui élucidée avec contours noirs et la Figure 6 montre l’étanchéité mal alignée de la couche supérieure hydrogel élucidée en contours blancs. Comme il ressort de la Figure 6, certaines parties de l’engin qui se trouvent dans les régions où la polymérisation aurait lieu au cours de l’étanchéité (indiqué en rouge remplissage) résultats dans certaines parties de l’engin d’être ancré à la masse du matériau hydrogel. Cela empêche l’engin de se déplacer pendant la manoeuvre. La figure 7 montre un appareil fonctionnel seul engrenage qui a été fabriqué (total des temps de fabrication ~ 15 minutes). L’épaisseur totale de l’appareil est de 2 mm et la plus grande dimension de l’appareil est de 13 mm. Les couches supérieures et inférieures de l’appareil est 400 µm d’épaisseur et l’engin a une hauteur de 1 mm. Cette conception permet un dégagement de 100 µm sur la surface supérieure et inférieure de l’engin pour permettre le mouvement. La couche supérieure de la plupart de l’appareil a une ouverture de µm 600 et l’essieu du train est de 400 µm de diamètre. Figure 5 b montre des images de l’appareil lorsqu’il est actionné avec un aimant, tel que le train effectue une rotation complète comme on peut observer de la modification de position du segment d’oxyde de fer (i) à (vi). Figure 1 . Installation de fabrication à base d’hydrogel micromachines. A) Représentation schématique du stade de la fabrication. Ce schéma montre les diverses composantes de l’installation de fabrication y compris la chambre PDMS, dans lesquels les hydrogels sont formés au sein de la zone de fabrication, une scène vide compatible qui maintient enfoncée la chambre PDMS comme attache la membrane souple à un tête micrométrique pour contrôle de la hauteur et le substrat haut consistant en une lamelle de verre qui est non traitée ou recouvertes de PDMS. B) schéma de la vue de dessus de la phase de fabrication (sans chambre de PDMS). La source de lumière UV est alors positionnée de telle sorte que l’angle d’incidence de la lumière est perpendiculaire au plan horizontal de la phase de fabrication (non illustré sur la figure). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 2 . Schématique de périphérique unique-gear hydrogel et masques photographiques utilisés pour chaque couche. A) schéma de l’et oblique-vue de dessus d’un appareil de base d’hydrogel typique qui peut être fabriqué à l’aide de cette stratégie. Ce dispositif se compose d’un seul engrenage qui contient un segment dopé au fer qui permet un contrôle magnétique. B) schéma des couches individuelles et des composants au sein de l’appareil. Ce dispositif unique-gear se compose d’une toupie d’étanchéité couche (i), structures d’appui telles que la poste pour les engins de fer dopé et les parois de l’appareil (ii) ainsi qu’une couche de fond (iii). Dessins de Photomask C) utilisés pour fabriquer le dispositif unique-gear. Les masques sont foncé conçu sur le terrain ; fonctionnalités désirées sont laissées transparentes, tandis que le fond est sombre. Ce panneau montre les dessins de photomask correspondant au sommet d’étanchéité couche (i), structures d’appui (ii) et couche de fond (iii). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 3 . Photolithographie de couche-par-couche de base d’hydrogel micromachines. A) Représentation schématique du processus étape par étape pour la fabrication de dispositifs au sein de la zone de fabrication de la chambre PDMS. 1 : un petit volume du prépolymère PEGDA est reversé sur la lamelle de verre collée à la membrane souple de la chambre PDMS (substrat de fond). Un morceau de lamelle de verre non traitée est utilisé comme substrat supérieur et un photomasque est placé au dessus de ce substrat haut de la page. La hauteur du substrat du fond est portée à la hauteur désirée (Z-1) à l’aide de la tête du micromètre. Le prépolymère hydrogel est ensuite exposée aux UV à travers le photomasque. Le substrat haut de la page peut alors être soulevé la chambre PDMS et l’hydrogel restes adhère au substrat supérieur (en médaillon). Cette couche est ensuite réservée pour une utilisation ultérieure. 2 : étape 1 est répétée, mais le substrat supérieur est maintenant remplacé par verre PDMS. L’hydrogel polymérisé resteront collé au substrat du fond. 3 : la hauteur du substrat du fond est abaissée (Z2> Z1) et prépolymère de plus peut être ajouté à la zone de fabrication. Un deuxième photomasque est utilisé et le prépolymère est exposée à la lumière UV une fois de plus. 4 : étape 3 peut être répété (Z3 > Z2) jusqu’à ce que les structures de support désiré sont créés. (i) une fois que les structures de soutènement sont terminés, le substrat supérieur peut être retiré pour permettre l’accès au secteur de la fabrication pour l’introduction des composants préformés hydrogel (p. ex., dopée fer gear). (ii) une fois les composants préformés ont été placés et bien alignées, la couche d’hydrogel à l’étape 1 peut être placée sur le dessus de la structure préfabriquée et alignée. 5 : toutes les couches sont ensuite exposés à la lumière à travers un photomasque qui scelle les bords de l’appareil UV. (i) l’étape étanchéitée joints l’ensemble du dispositif, tandis que les composants intérieurs sont protégés des davantage l’exposition aux UV. (ii) l’appareil étanche peut alors être soulevée la chambre de fabrication qu’elle respecterait préférentiellement au substrat haut de la page. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 4 . Étapes pour dopage de nanoparticules d’oxyde de fer des composants hydrogel. (i) lumière UV est exposée via un photomasque définissant le segment dopée à l’oxyde de fer dans le train d’hydrogel. (ii) mince (200 µm) couches d’oxyde de fer dopé hydrogel est polymérisé à chaque fois et empilés les uns sur les autres. (iii) la couche de fines couches crée un segment d’une hauteur totale de 1 mm. Ce segment est laissé dans la couche de fabrication. (iv) non dopé prépolymère est alors déposé dans la zone de fabrication et un photomasque qui définit la forme complète de l’engin est ensuite utilisé au cours de la réticulation. Cela permet la formation de l’équipement complet avec un segment dopée à l’oxyde de fer. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 5 . Photopolymérisation de composants dopée à l’oxyde de fer hydrogel. A) Photomask du segment de l’équipement à être dopé avec des nanoparticules d’oxyde de fer. B) hydrogel dopé d’oxyde de fer qui a été parfaitement polymérisé (exposition de 10 s). C) hydrogel dopé d’oxyde de fer qui a été sous polymérisés (4 s exposition). D) hydrogel dopé d’oxyde de fer qui a été trop polymérisé (exposition de 20 s). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 6 . Alignement d’hydrogel couches au cours de l’étanchéité du dispositif. A) image montrant l’alignement correct des couches d’hydrogel avec mouvement libre gear qui est entièrement dans le vide de l’appareil. B) dispositif du image montrant avec des couches d’hydrogel mal alignées (B, C et D sont des images de l’appareil même, mais avec différentes couches a mis en évidence). C) même image comme dans (B), mais avec des contours noirs élucider le fond des couches qui sont correctement alignés. L’engin est correctement placé dans les couches inférieures. D) même image b mais avec contours blancs montrant la couche supérieure mal alignée d’hydrogel. L’engin a été partiellement polymérisé pendant l’étape de l’étanchéité et certaines parties de l’engin (remplissage rouge) a été ancrée à la marchandise en vrac de l’appareil. Cela rend l’appareil non fonctionnel. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 7 . Déclenchement d’un single-gear-base d’hydrogel micromachine. A) montrant l’appareil fabriqué par l’image. B) images montrant les différentes orientations de l’engin à actionnement. (i) à partir de son orientation initiale (0°), l’engrenage est tourné par (ii) 60°, (iii) 120°, (iv) 180°, v 240° et 300°. Barre d’échelle est de 1 mm s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 8 . Fabrication polyvalente de diverses conceptions de base d’hydrogel micromachines. A) une simple vanne qui contrôle la libération des médicaments provenant d’un réservoir unique. Le mouvement linéaire du composant hydrogel dopée à l’oxyde de fer portes la diffusion d’un hypothétique drogue dehors à travers et la sortie. B) une variété fermée linéaire qui contrôle la libération des médicaments de plusieurs réservoirs. Chaque réservoir contient des médicaments hypothétiques et le mouvement des portes dopée à l’oxyde de fer composant la circulation des médicaments hors de ces réservoirs à travers une fenêtre d’hydrogel qui permet la diffusion de ces médicaments à l’extérieur. C) un simple rotor peut être actionné pour faire tourner autour d’un axe. D) un design sophistiqué, basé sur le disque de Genève. Un engin volant avec une épingle est en mesure d’exercer un plus grand engrenage entraîné et produire le mouvement intermittent ; une rotation complète de la roue motrice tourne le pignon entraîné à 60°. Toutes les barres d’échelle sont de 1 mm. Du menton, S. Y. et al. Additive de fabrication de matériaux de base d’hydrogel pour la prochaine génération de dispositifs médicaux implantables. Robotique de science. 2 (2), (2017). Réimprimé avec la permission de l’AAAS,17. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Discussion

Cette technique est une méthode rapide et facile pour photolithographie couche par couche de microstructures d’hydrogel. En utilisant un additif à l’approche de fabrication, nous pouvons facilement construire une variété de structures 3D sur la base des matériaux biocompatibles et même incorporer des pièces mobiles. Cela permettrait donc la formation des micro-dispositifs entièrement biocompatible. La technique est basée sur la simple répétition des étapes de la lithographie, qui est activée par un contrôle précis de la hauteur du substrat du fond via une tête micrométrique. Techniques de fabrication traditionnelles utilisées dans l’industrie de MEMS, impliquant rude traitement techniques et matières sacrificielles, est souvent pas compatible avec le traitement des hydrogels douces. Autres méthodes pour les hydrogels d’impression 3D, telles que les méthodes axées sur l’extrusion, se limitent à des résolutions spatiales supérieures à 200 µm et vitesse mm/s pour des structures simples qui ne contiennent pas de déplacement des pièces¹⁸^,¹⁹d’impression. La stéréolithographie (SLA) et bioprinters projet lumière numérique (DLP) basé peut-être être en mesure d’atteindre la meilleure résolution mais ils sont aussi beaucoup plus coûteux à installer. Ces stratégies de fabrication ne sont pas en mesure d’imprimer facilement des surplombs sans substrat matériel, qui peut être difficile à mettre en place et retirer de l’appareil rempli d’accompagnement. Nous contourner cela en alignant et en polymérisant une couche d’étanchéité préformée à la structure de soutènement fabriqué comme une étape finale pour former l’appareil rempli. La conception de l’installation de fabrication donne l’utilisateur un accès facile aux structures préfabriquées et permet l’alignement facile des différentes composantes à l’aide de repères.

La stratégie présentée ici est également beaucoup plus rapide que les autres techniques de résolutions similaires ; le temps total nécessaire pour la fabrication démontrée de l’appareil avec une rotation est d’environ 15 minutes. A ajouté un autre avantage de cette stratégie de fabrication, mais pas démontrée dans le présent protocole mais indiqué dans notre précédent de travail¹⁷, est la possibilité pour l’utilisateur de rapidement et facilement modifier le type de polymère utilisé entre les étapes qui peuvent être faits par de petites quantités . De cette façon, on peut créer des périphériques qui sont un composé de différents types d’hydrogels. L’appareil fabriqué en utilisant cette stratégie aussi a l’avantage supplémentaire d’actionnement sans contact comme l’engin contient un segment qui est dopé avec des nanoparticules d’oxyde de fer, l’engin de rendu sensible à déclenchement magnétique et peut donc être actionné à l’aide d’un externe aimant. En outre, le dispositif est entièrement biocompatible et par conséquent peut être implanté en toute sécurité en vivo.

Une caractéristique importante de cette technique est le traitement des substrats verre différents, qui permet à l’utilisateur à préférentiellement adhérer ou repousser l’hydrogel polymérisé à substrat de verre haut ou bas. Lorsqu’une combinaison de verre non traitée est utilisée avec une surface de verre imprégnées d’insecticide PFOTS (substrat de fond), hydrogels formés respectera préférentiellement au verre non traitée, car ils sont repoussés de la surface fluorés de verre imprégnées de PFOTS. À l’inverse, verre PDMS est utilisé avec le substrat de fond traités PFOTS, hydrogels aura tendance à rester sur la surface traitée PFOTS comme surfaces PDMS repoussent plus fortement les hydrogels formés. Cette fonctionnalité permet de construire vers le haut, respectent les hydrogels tels qu’ils sont immobilisés sur des substrats de verre et peuvent être réservés pour un alignement à d’autres structures plus tard dans le temps ou même construire vers le bas. Cela ajoute à la flexibilité de la technique et les types de dessins qui peuvent être fabriqués mais aussi permet l’incorporation et l’étanchéité dans des composants de l’hydrogel indépendant, mouvement libre.

Au cours de la fabrication de couche par couche, il est important d’optimiser le temps de polymérisation utilisé. Hydrogels devrait être optimalement réticulés telle qu’ils forment à pleine épaisseur ainsi qu’à la haute fidélité par rapport à la forme définie par le photomasque. Cela dépend de la puissance de la lampe et le type d’hydrogel utilisé. Bien que non montré dans ce protocole, le temps de polymérisation diminue avec la montée en puissance lampe et augmente avec l’augmentation de la longueur de chaîne de PEG et baisse des concentrations de PEGDA utilisé. Autres facteurs qui influent sur la quantité d’énergie disponible par photopolymérisation, tels que la variation de l’opacité de la prépolymère en raison de l’addition de nanoparticules d’oxyde de fer (Figure 4), affectera également le temps de polymérisation. Optimisation des conditions d’hydrogel différentes compositions de réticulation est donc requis avant le début du processus de fabrication des dispositifs.

L’utilisation de marques d’alignement sur les masques de photo et de l’alignement correct des couches hydrogel, surtout la dernière couche de scellement, sont importants pour assurer qu’une bonne étanchéité est effectuée et les composants intérieurs ne sont pas par inadvertance réticulés à la autour de structures de soutènement au cours du processus de fabrication. Cela n’empêcherait ces composants de se déplacer librement pendant la manoeuvre magnétique. Comme illustré à la Figure 5, un top mal aligné d’étanchéité couche et photomasque entraîne la réticulation et l’ancrage d’une partie de l’équipement pour le matériaux en vrac de l’appareil lui-même. Par conséquent, ce type d’engin ne tourne pas lorsque actionné avec un aimant.

Les appareils peuvent être actionnés à l’aide de forts aimants permanents tels que les aimants en néodyme. Ces aimants génèrent de puissantes forces magnétiques quand à courte portée pour les matériaux ferromagnétiques et il faut pour prévenir toute blessure. Le dispositif peut être actionné pour déplacer sans l’aimant entrant en contact avec l’appareil ; l’aimant peut être observée ou placé environ 1cm de l’appareil. Le mouvement des composants dopée fer devraient refléter le mouvement de l’aimant et peut être actionné pour déplacer continuellement ou orienté par intermittence comme vous le souhaitez. Le dispositif peut être actionné manuellement ou un montage de déclenchement peut être utilisé. L’aimant peut être fixé à n’importe quel déclencheur (p. ex., le servomoteur) à mouvement de rotation. La vitesse de rotation de l’aimant, et donc la vitesse de rotation du composant dopé au fer, peut être contrôlé à l’aide d’un microcontrôleur. Ceci fournit une méthode plus précise d’actionnement.

La figure 8 montre des schémas et des images de différents modèles de travaux antérieurs qui ont été fabriqués en utilisant la même technique et démontrent de la polyvalence de cette méthode. Celles-ci vont de conceptions de simples dispositifs qui ressemblent à des valves (Figure 8 a) aux plus complexes et sophistiquées dessins qui s’inspirent de la conception de voiture de Genève (Figure 8) qui forment des 2 engins engagés qui produisent des intermittents mouvement. Les caractéristiques plus petits qui peuvent être générés à l’aide de cette technique ont été généralement environ 100 µm et chaque dessin ou modèle est composé de plusieurs couches (couches de 3 à 6). Différents types de compositions d’hydrogel (avec différentes résistances mécaniques et porosité) peuvent également être polymérisés et collés les uns aux autres. Par conséquent, on peut facilement combiner les types des hydrogels à être utilisée dans un dispositif selon la fonction des différents composants dans l’appareil.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par une bourse de carrière de la NSF, NIH R01 grant (HL095477-05) et NSF ECCS-1509748 subvention. S.Y.C. a été pris en charge par la Bourse nationale de la Science (PhD), qui a été décerné par l’Agence pour la Science, Technology and Research (Singapour). Nous remercions Keith Yeager d’aide avec la construction de l’installation de fabrication et les Cyrus W. Beh pour les photos de l’installation et des appareils.

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

Referanslar

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Additive Manufacturing Hydrogel-based Micromachines Magnetically Responsive Components Rapid Fabrication Biocompatible Devices PET-based Hydrogels FDA Approval PDMS Chamber PEGDA Prepolymer UV Exposure Photomask Bottom Support Structures

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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).