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 aditivo fabricación técnica para la fabricación fácil y rápida de Micromachines base de hidrogel con componentes magnéticamente 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

Se ha desarrollado una estrategia de fabricación aditiva para el procesamiento de los hidrogeles UV-reticulables. Esta estrategia permite el montaje de capa por capa de estructuras de hidrogel recientemente así como el montaje de componentes independientes, produciendo dispositivos integrados que contienen componentes móviles que respondan al accionamiento magnético.

Abstract

Polietilenglicol (PEG)-basado en hidrogeles son hidrogeles biocompatibles que han sido aprobados para su uso en seres humanos por la FDA. Hidrogeles típicos basada en PEG tienen arquitecturas monolíticas simple y a menudo funcionan como andamios materiales para aplicaciones de ingeniería de tejidos. Estructuras más sofisticadas suelen toman mucho tiempo para fabricar y hacer no contienen componentes móviles. Este protocolo describe un método de fotolitografía que permite la fácil y rápida de microfabricación de PEG estructuras y dispositivos. Esta estrategia implica una etapa de fabricación desarrollados in-House que permite la fabricación rápida de estructuras 3D de edificio hacia arriba en forma de capa por capa. Independiente de componentes en movimiento que puede alineado y montado en estructuras de apoyo para formar dispositivos integrados. Estos componentes independientes son dopados con nanopartículas de óxido de hierro superparamagnético que son sensibles a la actuación magnética. De esta manera, se pueden accionar los dispositivos fabricados con imanes externos para producir movimiento de los componentes dentro. Por lo tanto, esta técnica permite la fabricación de sofisticados dispositivos de MEMS-como (micromachines) que se componen enteramente de un hidrogel biocompatible, capaz de funcionar sin una fuente de energía a bordo y responden a un método sin contacto de actuación. Este manuscrito describe la fabricación de la instalación de fabricación así como el método paso a paso para la microfabricación de estos hidrogeles como MEMS dispositivos.

Introduction

Los dispositivos MEMS han encontrado multitud de aplicaciones especialmente en el campo de dispositivos médicos. Aunque prestan un montón de funcionalidades añadidas y la naturaleza miniaturizada de estos dispositivos hacen atractivo para su uso como implantables¹^,²^,³, estos dispositivos a menudo tienen biocompatibilidad y seguridad inherente cuestiones, como se componen de materiales que podrían ser perjudiciales para el cuerpo humano (por ejemplo, metales, baterías, etc.)⁴^,⁵^,⁶. Los hidrogeles basados en PEG son redes de líquido polímero hinchado y se han utilizado con frecuencia para aplicaciones tales como andamios de ingeniería de tejidos en gran parte en parte debido a su alta biocompatibilidad⁷^,⁸. Los hidrogeles basados en PEG también han sido aprobados por la FDA para su uso en seres humanos⁹^,¹⁰^,¹¹. Sin embargo, debido a las propiedades del material de hidrogel, no fácilmente soportan los procesos de fabricación normal como técnicas de microfabricación típico basados en silicio. Así, construcciones de hidrogel son típicamente limitadas a simples arquitecturas monolíticas. Los esfuerzos actuales en la microfabricación de hidrogeles han dado lugar a estructuras con características de tamaño micrométrico; sin embargo, estas estructuras son a menudo de una sola capa y un único material¹²^,¹³ y falta mover componentes¹⁴^,¹⁵^,¹⁶.

En un trabajo anterior, describimos una estrategia para la fabricación de minicoches que se componen de un material de hidrogel biocompatible basada en PEG¹⁷. Características de tamaño micrométrico se pueden fabricar fácilmente usando un método de fotolitografía y estas estructuras pueden construirse hacia arriba utilizando un método de capa por capa, activado por el movimiento de precisión del eje z del sustrato en el que los hidrogeles se polimerizan. Hidrogeles de diversas composiciones pueden ser fabricados adyacentes entre sí. Además, estos dispositivos tienen componentes móviles que pueden accionarse mediante un imán externo. Esta versátil técnica también es adecuada para el procesamiento de cualquier material blando o hidrogel que es foto-polimerizables. Así, esta técnica está bien adapta para la fabricación de sofisticados dispositivos MEMS compuestos enteramente de hidrogeles.

Protocol

1. fabricación etapa Montar la instalación de fabricación (figura 1) que consta de una casa construida etapa y cámara PDMS en la que los componentes del hidrogel se polimerizan. La etapa de fabricación consiste en una tapa de acrílico, en que las pistas y los canales se mecanizan para permitir las conexiones de vacío, un soporte para el accesorio de una cabeza de micrómetro dentro de la etapa basados en el vacío y roscado postes de acero que permiten que el escenario entero para fijarse en la base para la estabilización de acero. Fijar la cabeza del micrómetro con una pieza de acrílico que se mecaniza para tener pistas para conexión de vacío. Las conexiones de vacío permiten al usuario a pulsado la cámara PDMS como mover la membrana flexible dentro de la cámara PDMS. Coloque una fuente de luz UV (320-500 nm) sobre el escenario de fabricación tal que el ángulo de incidencia de la luz es perpendicular al plano horizontal de la etapa (suplementario Figura 1). 2. fabricación de cámara de PDMS y determinar su nivel de “Cero” Hacer una cámara PDMS en la que los hidrogeles se ser polimerizados (vea la figura 1A, cámara PDMS). Esta cámara consiste en un PDMS con una membrana flexible sobre el cual se enlaza un cubreobjetos de vidrio. El cubreobjetos de vidrio que está unido a la membrana PDMS flexible es más tratado para prevenir la adherencia de hidrogeles (paso 2.1.7). Preparar una base PDMS de 9 parte a 1 parte de mezcla de agente de curado (por peso). Revolver bien con una varilla de vidrio para asegurar que los agentes de base y el endurecedor se mezclan bien. Centrifugar a 1.000 x g para eliminar las burbujas de aire. Vierte cuidadosamente la mezcla PDMS en dos platos de Petri de vidrio para dar una capa gruesa (3 mm) y una capa delgada (~0.2 mm). Lugar lleno de PDMS de Petri en un plano, nivelado y curado durante la noche a temperatura ambiente o durante 30 minutos en un horno con temperatura regulada a un mínimo de 75 ° C.Nota: Una fina capa de PDMS es necesaria para la base de la cámara PDMS como asegura la generación de una capa flexible que se puede mover fácilmente en la dirección z por el calibre del tornillo micrométrico. Las capas PDMS deban estar plana y nivelada para asegurar que las capas de hydrogel polimerizadas son de espesor uniforme. Después de que el PDMS esté completamente seca, corte un círculo de diámetro de 4 cm en la gruesa capa usando una hoja de bisturí o navaja. Pele la gruesa capa PDMS del placa de Petri de vidrio. La gruesa capa de PDMS (parte inferior hacia arriba) y la fina capa PDMS (aún en el plato de Petri de vidrio) en un horno de plasma. Plasma tratar las dos capas PDMS (30 s, plasma de aire) y enlace de la parte inferior de la gruesa capa PDMS en la parte superior de la fina capa PDMS. Retire las piezas de servidumbre del cristal para formar un pozo circular con la fina capa formando una membrana flexible base placa de Petri.Nota: Antes de la remoción de las capas de servidumbre de la placa de Petri de vidrio, las dos capas de servidumbre se pueden colocar sobre una placa caliente a 95 ° C para fomentar la vinculación de las capas. Plasma de bonos un cubreobjetos de vidrio (no. 2, 22 x 22 mm) a la parte superior de la flexible membrana PDMS; plasma tratar la cámara PDMS y cubreobjetos de cristal desde el paso 4 para 30 s (plasma de aire) y coloque el cubreobjetos de vidrio en contacto con el lado superior de la base para adherir a la membrana de membrana flexible. Vapor silanize de la cámara de PDMS con tricloro (1H, 1H, 2H, 2H – perfluorooctyl) silano (PFOTS) durante al menos 30 minutos; Coloque la cámara PDMS en un desecador de vacío junto con un pequeño plato de Petri con 60 μL de PFOTS y conecte el desecador sellado para el sistema de vacío del laboratorio central. Deje el desecador conectado al sistema de vacío durante al menos 30 minutos. Asegúrese de que el sello de vacío del desecador se genera y que la gota de PFOTS “burbujas” después de 5-10 minutos. Vapor de silanización de la cámara PDMS permite retiro fácil del hidrogel formado capas y evita adherencia fuerte de polimerizado hidrogeles de PEG a la superficie de vidrio después de uso prolongado. Para determinar el nivel “cero” de la cámara PDMS, colocarlo en un escenario vacío activado (conectado al sistema central del vacío del laboratorio). Aplicar presión negativa para sostener la cámara PDMS hacia abajo. Las estructuras de hidrogel PEG se polimerizan dentro de esta cámara PDMS (figura 1A, área de fabricación). Coloque un cubreobjetos de vidrio no tratado en la cima de la cámara PDMS que cubre el pozo. La distancia entre el cubreobjetos de vidrio superior (sustrato superior) y el cubreobjetos de vidrio inferior (sustrato de fondo) define el espesor de la capa de hidrogel que se forma dentro de la cámara PDMS. La cabeza del micrómetro, empuje con el sustrato del fondo hacia arriba hasta que esté en contacto con el sustrato superior. Utilizar la lectura en la cabeza de micrómetro como nivel “cero” de la cámara PDMS y como una referencia al definir el espesor de las capas de hydrogel polimerizadas. 3. Photomask diseño para fotopolimerización de microestructuras de hidrogel Para diseñar los patrones, utilice software de CAD. Diseño de cada capa única de la estructura del hidrogel que debe fabricarse. Consulte la figura 2 para el dispositivo de ejemplo fabricado usando este protocolo. La figura 2 muestra 3D esquemático de este dispositivo, las capas correspondientes a ser fabricadas así como los patrones que fueron diseñados para la fabricación de estas capas individuales. Patrones de diseño en campo oscuro; características para ser polimerizado deben ser transparentes y el fondo es opaco (figura 2 C, suplementario Figura 2). Marcas de alineación incorporar en los diseños de fotomáscara para facilitar la alineación de los patrones durante el proceso de fabricación. Imprimir los diseños como patrones de transparencia en la resolución más alta disponible y densidad de píxeles de alta. 4. tratamiento de vidrio cubreobjetos para evitar la adherencia de los hidrogeles Para crear superficies que repelen los hidrogeles PEG polimerizados, cubreobjetos de vidrio están cubiertos con una fina capa de PDMS. Preparación de PDMS (9:1 base a proporción de agente de curado) y centrifugar a 1.000 x g para eliminar las burbujas de aire. Aplique una fina capa de PDMS para cubreobjetos de vidrio limpio y deje curar sobre una superficie plana, dentro de un horno (> 75 ° C, 30 min). 5. capa por capa para fabricación de hidrogeles: capa de sellado superior e inferior estructuras de apoyo Para crear una capa de hidrogel que se utilizará posteriormente para sellar el dispositivo formado, utilice una pieza sin tratar de cubreobjetos de cristal (No.2) como una “tapa” para la cámara PDMS. Esta “tapa” se refiere a como el sustrato superior. A partir del nivel “cero” del dispositivo, baje el sustrato de fondo utilizando la cabeza de micrómetro a la altura deseada. La distancia entre las parte superior e inferior sustratos define el espesor de la primera capa de hidrogel (Z1, Figura 3A). Depositar un pequeño volumen del prepolímero PEGDA (por ejemplo, una mezcla de 400Da PEGDA con 1% Darocur 1173), suficiente para cubrir el sustrato de fondo. Coloque el sustrato superior en la cámara PDMS.Nota: Es importante asegurarse de que no hay ninguna burbuja de aire atrapada entre los sustratos superiores e inferiores. Coloque un photomask con el diseño deseado en la parte superior del sustrato superior (figura 2 (i)). Asegúrese de que la máscara está en completo contacto con el sustrato superior y alineada con el sustrato de fondo. Exponga el prepolímero de hidrogel a UV luz a través de la fotomáscara (paso 1, Figura 3A). Asegurar que la exposición se realiza dentro de un espacio cerrado que evita la perdida exposición a los rayos UV a los alrededores.PRECAUCIÓN: Use protección UV (por ejemplo, UV gafas) cuando el sistema operativo.Nota: La potencia y duración de la exposición depende del tipo de sistema UV y prepolímero PEGDA utilizado. Por ejemplo, para una lámpara UV W 200 y 99% PEGDA (400 Da PEGDA con 1% fotoiniciador (v/v)) solución de prepolímero, ajustar la potencia de la lámpara en el 16% (correspondiente a ~2.3 W/cm2) y curar completamente los hidrogeles antes de 4 segundos. La duración de la exposición debe ser aumentada con disminución de potencia de la lámpara y aumentar la longitud de la cadena de PEG de prepolímero utilizado. Después de la capa de hidrogel ha sido polimerizada, levante el sustrato superior de la cámara PDMS. La capa de polimerizado debe respetarse en el sustrato superior (recuadro de paso 1, Figura 3A). Reservamos esta capa adherida para usar más tarde sellar el dispositivo montado. Cubra esta capa polimerizada de la luz.Nota: Mantenga esta polimerizada capa lejos de la luz y con todo exceso prepolímero para evitar que la capa de secado y el agrietamiento. Para crear las estructuras de soporte inferior, use cubreobjetos de vidrio recubierto de PDMS como el sustrato superior de la cámara PDMS. Depósito más prepolímero de hidrogel sobre el sustrato de fondo y cubierta de PDMS con un cubreobjetos de vidrio recubierto de PDMS. Esto es para asegurar que las capas polimerizadas en el sustrato de fondo, que permite al usuario construir capas hacia arriba (paso 2, Figura 3A). Repita los pasos 5.1.4 y 5.1.5 con el diseño deseado fotomáscara (figura 2 c (iii)). Quite el sustrato superior y añadir más prepolímero PEGDA y baje el sustrato de fondo utilizando la cabeza de micrómetro hasta el nivel deseado. Este nivel debe corresponderse con el espesor de la capa 2nd de hidrogel para ser polimerizado (Z2, paso 3, Figura 3A). Cubra el PDMS bien con el sustrato superior (vidrio recubrimiento PDMS) y repita los pasos 5.1.4 y 5.1.5. Continuamente se acumulan capas de hidrogel como desee siguiendo los pasos del 5.2.1 y 5.2.2 hasta que se forman las estructuras de soporte deseado. 6. montaje y sellado el dispositivo basado en el hidrogel Para montar y sellar el dispositivo, primero quite el sustrato superior (vidrio recubrimiento PDMS) y usando un par de pinzas, coloque hidrogel forma componentes (p. ej., engranajes, componentes de hierro-dopado) en las estructuras de apoyo (parte (i), paso 4, Figura 3A ).Nota: Un imán permanente se puede utilizar para alinear los componentes de hierro-dopado (ver óxido de hierro el dopaje de los componentes del hidrogel para pasos de fabricación). Para sellar el dispositivo, primero traer el sustrato inferior a la altura deseada final del dispositivo montado usando el calibrador de tornillo del micrómetro. Esto debe ser la altura final del dispositivo, teniendo en cuenta el espesor de las capas, componentes interiores y cualquier espacio dado para mover componentes (Z4, paso 5, Figura 3A) Lugar la capa de hidrogel preformada adherida sobre el cubreobjetos de vidrio no tratado de 5.1 en el dispositivo parcialmente ensamblado (parte (ii), paso 4, Figura 3A). Coloque con cuidado la capa de forma tal que está correctamente alineado a las estructuras por debajo de ella. Coloque un photomask que permite el sellado del dispositivo protege el interior componentes en movimiento de la exposición UV. Asegurar que los componentes móviles no se polimerizan a los bordes del dispositivo, evitando su movimiento durante el accionamiento. Exponer toda la estructura a la luz UV (parte (i), paso 5, Figura 3A). Levantar el cubreobjetos de vidrio desde la etapa de fabricación. El dispositivo de sellado debe adherirse al sustrato superior ((parte (ii), paso 5, Figura 3A).Nota: Si el dispositivo permanece adherido al sustrato de fondo, levante con cuidado el dispositivo con un par de punta plana (no dentadas) unas pinzas o una espátula plana. Retire con cuidado el exceso no polimerizada PEGDA con la succión del vacío y levante el aparato el cubreobjetos de vidrio usando un par de pinzas planas o espátula plana. Coloque el dispositivo en una solución salina o agua desionizada. Los hidrogeles se hinchan en la solución. Deje el dispositivo en la solución durante al menos 30 minutos permitir la estabilización y la expansión del dispositivo y los componentes interiores.Nota: Si el dispositivo debe ser utilizado para la implantación de en vivo , es importante aclarar y lixiviación de prepolímeros de cualquier ámbito. Esto puede hacerse cambiando la solución en la que el dispositivo se incuba en cada hora (por lo menos 3 enjuagues) y dejando el dispositivo en la solución durante la noche y aclara apagado con más solución. Eliminar el aire dentro del dispositivo colocando el dispositivo dentro de una caja de Petri llenado DI agua o solución salina dentro de una cámara de vacío (conectada a sistemas de vacío de laboratorio central) durante al menos 30 minutos. Esto resultará en la desgasificación del dispositivo y el dispositivo se llenará con solución una vez que se elimina la presión negativa.Nota: Mantenga el dispositivo/hidratado en solución en todo momento. El dispositivo puede agrietar deben dejarse a secar. 7. óxido de hierro el dopaje de los componentes del hidrogel Preparar una solución de prepolímero PEGDA con 1% fotoiniciador (p. ej., 99% (v/v) PEGDA (Da 400) con 1% Darocur 1173). Utilizando esta solución de prepolímero, hacer una solución al 5% (p/v) de óxido de hierro (II, III) solución de nanopartículas. Pesar 5 mg de óxido de hierro nanopartículas y añadir 100 μl de prepolímero PEGDA. Pipeta para arriba y hacia abajo y agitar para asegurar una mezcla uniforme. Asegúrese de que nanopartículas homogéneamente se dispersan en el prepolímero PEGDA antes de cada uso, como las nanopartículas sedimento con el tiempo. Pipetear un volumen pequeño del óxido de hierro – mezcla prepolímero PEGDA en el sustrato de la parte inferior de la cámara PDMS. Cubrir el PDMS bien con el sustrato superior (vidrio recubrimiento PDMS) para asegurar que los hidrogeles formados permanecen en el sustrato de fondo. Llevar el sustrato inferior a la altura deseada, usando la cabeza del micrómetro.Nota: Capas delgadas (200 μm) de óxido de hierro-dopado PEGDA deben ser polimerizadas con cada exposición individual. Esto es debido a la disminución de la profundidad de penetración de lo UV ligero como el óxido de hierro nanopartículas son opacos y son capaces de absorber y bloquear la luz ultravioleta. Usando un photomask que define la forma del segmento a ser dopado con óxido de hierro dentro del componente móvil, exponer la capa delgada de óxido de hierro dopado prepolímero a la luz UV (figura 4(i)).Nota: Tiempo de exposición de rayos UV debe incrementarse para asegurar que el segmento de hierro-dopado es completamente reticulados (~ 10 segundos). Baje el sustrato de fondo y repita el paso 6, edificio el segmento de hierro-dopado en capas delgadas cada vez a la altura deseada (figura 4(ii)). Un total de 5 capas debe ser polimerizado para producir un segmento de hierro-dopado de altura de 1mm. Después de que el segmento de hierro-dopado es completa (figura 4(iii)), quite cualquier exceso prepolímero de hierro-dopado mediante la succión del vacío. No quite el segmento de hierro-dopado de la etapa de fabricación. Depositar el prepolímero PEGDA (lámpara) en el segmento de hierro-dopado polimerizado. Llevar el sustrato inferior a la altura final del componente a ser completado. Cubrir el PDMS bien con el sustrato superior (vidrio recubrimiento PDMS). Utilizar un photomask que define la forma entera del componente móvil, exponer el prepolímero PEGDA, así como el segmento de hierro-dopado, a la luz UV (figura 4(iv)). Quite el sustrato superior y exceso no polimerizada prepolímero PEGDA con la succión del vacío. Un componente de la clavija con un segmento de óxido de hierro dopado sigan en el substrato de fondo. Suavemente levante este componente mediante un par de pinzas. Reservamos este componente hierro-dopado para montaje en estructuras de soporte de un dispositivo con clavija (parte (i), paso 4, Figura 3A). Escudo de este componente de la luz y asegúrese de que permanezca mojada con prepolímero de todo antes de su uso. 8. actuación del dispositivo montado Nota: Pueden accionar los componentes de hierro-dopado en el dispositivo montado para mover mediante un imán permanente fuerte como neodimio (N52 la fuerza). Tenga cuidado de evitar pellizcar peligros como estos imanes son muy fuertemente atraídos por materiales ferromagnéticos. Colocar un imán de neodimio por debajo o por encima del dispositivo dentro de 1-2 cm del dispositivo. Mientras se mueve el imán, el movimiento de los componentes de óxido de hierro dopados debe remedar el movimiento del imán.Nota: Un actuador se puede construir usando un motor que está conectado con un imán. La rotación del motor debe permitir accionamiento rotacional de los componentes de hierro dopado.

Representative Results

Figura 3B muestra imágenes de las capas de hidrogeles polimerizados usando la configuración de fabricación. Figura 3B (i) muestra un fabricado 400 μm espesor capa base con una apertura de μm 600. Figura 3B (ii) muestra otras dos capas que fueron capas sobre la capa base; un perímetro alto de 500 μm y un árbol alto de 800 μm en el centro. El tiempo de fabricación total de estas tres capas era menos de 3 minutos, teniendo en cuenta 4 segundos de exposición para cada capa y el tiempo necesario para ajustar la altura del sustrato de fondo y la alineación de patrones. Trabajos previos realizados en la configuración misma de fabricación demuestra que se puede fabricar una gran variedad de diseños con resoluciones tan altas como 100 μm. Los componentes del hidrogel también podrían ser fácilmente dopados con nanopartículas de óxido de hierro. Los tiempos de exposición fueron optimizados para asegurar capas finas (200 μm) de prepolímeros PEGDA dopados con óxido de hierro nanopartículas podrían ser totalmente polimerizadas. Figura 5A muestra el photomask utilizado para definir la forma del segmento de óxido de hierro para ser polimerizado. El prepolímero PEGDA no dopado puede ser polimerizado completamente dentro de 4 segundos de exposición Ultravioleta. Sin embargo, cuando el prepolímero dopado óxido de hierro fue expuesto durante 4 segundos a los rayos UV, el hidrogel resultante no fue completamente polimerizado, como puede verse en la figura 5. El segmento generado era más delgado (en comparación con un segmento totalmente reticulado que se muestra en la figura 5B), y los bordes eran irregulares con fidelidad comprometida en comparación con la forma definida por el photomask. La exposición Ultravioleta de 10 segundos estaba obligada a totalmente Cruz enlazar el segmento de óxido de hierro y la figura 5B muestra el segmento de óxido de hierro que se generó; el polimerizado del óxido de hierro es de espesor completo (200 μm) con bordes rectos, y fidelidad de la forma se mantiene cerca en comparación con la fotomáscara (figura 5A). Por el contrario, sobre exposición (> 15 segundos) a la luz UV genera segmentos de óxido de hierro que se polimerizan más. Figura 5 muestra un polimerizado segmento que tiene fidelidad de forma pobre y es más grande que la forma definida por el photomask. La figura 6A muestra un dispositivo completo después de sellar con la alineación apropiada utilizando patrones con marcas de alineación. El engranaje dentro del dispositivo está totalmente en el vacío central del dispositivo y así responde a la actuación magnética. Figura 6B muestra un dispositivo con una capa del lacre desalineada. Figura 6 muestra las capas de la parte inferior del hidrogel y el engranaje se aclaran con contornos negros y la figura 6 muestra el desalineación sellado de la capa de hidrogel superior aclarado en los contornos blancos. Como puede verse en la figura 6, las porciones del engranaje que caen dentro de las regiones donde la polimerización llevará a cabo durante resultados sellado (relleno se muestra en rojo) en la parte del equipo de estar anclado a la mayor parte del material de hidrogel. Esto evita que el engranaje se mueva durante el accionamiento. La figura 7 muestra un dispositivo funcional solo engranaje que fue fabricado (tiempo de fabricación ~ 15 minutos en total). El espesor total del dispositivo es de 2 mm y la dimensión más larga del aparato es de 13 mm. Las capas superior e inferior del dispositivo es de 400 μm de espesor y el engranaje tiene una altura de 1 mm. Este diseño permite una separación de 100 μm en la superficie superior e inferior del engranaje para permitir el movimiento. La capa más superior del dispositivo tiene un 600 apertura μm y el eje de la marcha es 400 μm de diámetro. La figura 5B muestra imágenes del dispositivo cuando se acciona con un imán que el equipo realiza una rotación completa como se puede observar el cambio en la posición del segmento de (i) óxido de hierro a través de (vi). Figura 1 . Instalación de fabricación para base de hidrogel micromachines. A) esquema de la etapa de fabricación. Este esquema muestra los distintos componentes de la instalación de fabricación, incluyendo el compartimiento PDMS en la que los hidrogeles se forman dentro del área de fabricación, un escenario vacío permitió que tiene abajo de la cámara PDMS, así como se fija la membrana flexible a una cabeza de micrómetro para control de altura y el substrato superior consisten en un cubreobjetos de vidrio que no tratado o recubierto con PDMS. B) esquema de la vista superior de la etapa de fabricación (sin cámara PDMS). La fuente de luz UV entonces se coloca tales que el ángulo de incidencia de la luz es perpendicular al plano horizontal de la etapa de fabricación (no se muestra en la figura). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2 . Esquema de dispositivo solo engranaje de hidrogel y patrones utilizados para cada capa. A) esquema de la parte superior y oblicuo-vista de un típico dispositivo hidrogel que puede ser fabricado usando esta estrategia. Este dispositivo consiste en un engranaje simple que contiene un segmento de hierro-dopado que permite control magnético. B) esquema de las capas individuales y componentes dentro del dispositivo. Este dispositivo solo engranaje consiste en una tapa de sellado capa (i), estructuras de apoyo como el post de la marcha de hierro-dopado y las paredes del dispositivo (ii) así como una capa de fondo (iii). Diseños C) Photomask utilizados para fabricar el dispositivo solo engranaje. Los photomasks son oscuro diseño de campo; características deseadas se dejan transparentes mientras que el fondo es oscuro. Este panel muestra los diseños de fotomáscara correspondiente a la parte superior sellado de capa (i), estructuras de soporte (ii) y capa inferior (iii). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3 . Fotolitografía capa por capa de hidrogel basado en micromachines. A) esquema del proceso paso a paso para la fabricación de dispositivo dentro del área de fabricación de la cámara PDMS. 1: un pequeño volumen de prepolímero PEGDA se pipetea en el cubreobjetos de vidrio adherido a la membrana flexible de la cámara PDMS (sustrato de fondo). Un pedazo de cubreobjetos de vidrio no tratado es utilizado como el substrato superior y un photomask se coloca sobre este sustrato superior. La altura del sustrato inferior es llevada a la altura deseada (Z1) usando la cabeza del micrómetro. El prepolímero de hidrogel entonces se expone a la luz a través de la fotomáscara UV. El sustrato superior puede levantar entonces la cámara PDMS y el hidrogel permanece adherido al substrato superior (recuadro). Esta capa entonces se reserva para su uso posterior. 2: se repite el paso 1, pero el sustrato superior es ahora sustituido por vidrio recubierto de PDMS. El hydrogel polimerizada permanecerá adherida al sustrato de fondo. 3: se baja la altura del sustrato inferior (Z2> Z1) y prepolímero más puede agregarse a la zona de fabricación. Se utiliza un segundo photomask y el prepolímero se expone a la luz UV una vez más. 4: se puede repetir el paso 3 (Z3 > Z2) hasta que se crean las estructuras de soporte deseado. (i) una vez finalizadas las estructuras de soporte, puede eliminarse el substrato superior para permitir el acceso al área de fabricación para la introducción de los componentes del hidrogel preformado (p. ej., engranajes de hierro-dopado). (ii) una vez que los componentes preformados han sido colocados y alineados correctamente, la capa de hidrogel del paso 1 puede ser colocada encima de la estructura fabricada y alineada. 5: todas las capas se exponen a la luz a través de un photomask que sella los bordes del dispositivo UV. (i) el paso lacre sellos todo el dispositivo mientras que los componentes interiores están protegidos contra la exposición Ultravioleta más. (ii) el dispositivo de sellado se puede levantar entonces de la cámara de fabricación como preferentemente se adhieren al sustrato superior. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 4 . Pasos para nanopartículas de hierro óxido dopado de hidrogel componentes. (i) la luz UV se expone en un photomask definiendo el segmento dopada con óxido de hierro en el engranaje de hidrogel. (ii) delgada (200 μm) capas de óxido de hierro-dopado hidrogel es polimerizado cada vez y apilados uno encima del otro. (iii) la capa de finas capas crea un segmento con altura total de 1 mm. Este segmento quedo en la capa de fabricación. (iv) no dopado prepolímero se deposita luego en el área de fabricación y un photomask que define la forma completa del engranaje se utiliza durante el cross-linking. Esto permite la formación de los equipos completos con un segmento dopada con óxido de hierro. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 5 . Fotopolimerización de componentes de óxido de hierro-dopado hidrogel. A) Photomask del segmento de engranaje para ser dopado con nanopartículas de óxido de hierro. B) hidrogel dopada con óxido de hierro que ha sido óptimamente polimerizado (exposición de s 10). C) hidrogel dopada con óxido de hierro que ha sido polimerizado bajo (4 s de exposición). D) hidrogel dopada con óxido de hierro que ha sido sobre-había polimerizado (exposición 20). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 6 . Alineación del hidrogel capas durante el cierre del dispositivo de. A) imagen que muestra la alineación correcta de capas de hidrogel con libre movimiento del engranaje que es totalmente en el vacío del aparato. B) dispositivo de muestra imagen con capas de hidrogel desalineada (B, C y D son imágenes de un mismo dispositivo pero con diferentes capas destacadas). C) la misma imagen como en (B) pero con contornos negros dilucidar fondo capas que están correctamente alineadas. El equipo está correctamente colocado dentro de las capas de fondo. D) mismo de la imagen como en (B) pero con contornos blancos mostrando la capa superior desalineada de hidrogel. El engranaje ha sido parcialmente polimerizado durante la etapa de cierre y porciones del engranaje (relleno rojo) ha sido anclado a granel del dispositivo. Esto hace que el dispositivo no funciona. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 7 . Actuación de un solo engranaje basado en hidrogel micromachine. A) imagen que muestra el dispositivo fabricado. B) imágenes que muestran las diferentes orientaciones del engranaje sobre actuación. (i) de su orientación inicial (0°), se gira el engranaje (ii) 60°, (iii) 120°, (iv) 180°, (v) 240° y 300°. Barra de escala es 1 mm haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 8 . Fabricación versátil de varios diseños para base de hidrogel micromachines. A) una simple compuerta que controla la liberación de drogas de un solo depósito. El movimiento lineal del componente de óxido de hierro-dopado hidrogel puertas la difusión de un fármaco hipotético hacia fuera a través de y un tomacorriente. B) una variedad lineal cerrada que controla la liberación de fármacos de múltiples depósitos. Cada tanque contiene drogas hipotéticas y el movimiento de las puertas de la componente de óxido de hierro-dopado el movimiento de drogas de estos reservorios a través de una ventana de hidrogel que permite la difusión de estas drogas hacia fuera al exterior. C) un simple rotor puede ser accionado para girar sobre un eje. D) un sofisticado diseño basado en la unidad de Geneva. Un engranaje de conducción con un alfiler es capaz de involucrar a un mayor engranaje conducido y producir un movimiento intermitente; una rotación completa del engranaje motriz gira el engranaje conducido por 60°. Todas las barras de escala están de 1 mm. Desde la barbilla, S. Y. et al. Additive fabricación de materiales a base de hidrogel para la próxima generación de dispositivos médicos implantables. La ciencia robótica. 2 (2), (2017). Reimpreso con permiso de AAAS17. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

Esta técnica es un método fácil y rápido para Fotolitografía capa por capa de hidrogel microestructuras. Utilizando un aditivo fabricación de enfoque, podemos construir fácilmente una variedad de estructuras 3D de materiales biocompatibles e incluso incorporar partes móviles. Así, esto permitiría la formación de microdispositivos totalmente biocompatible. La técnica se basa en la simple repetición de los pasos de la litografía, que se activa mediante el control preciso de la altura del sustrato inferior a través de una cabeza de micrómetro. Las técnicas de fabricación tradicional utilizadas en la industria de MEMS, que implican duras técnicas y materiales de sacrificio, a menudo no es compatible con el procesamiento de hidrogeles suaves. Otros métodos para hidrogeles impresión 3D, tales como métodos basados en la extrusión, se limitan a resoluciones espaciales por encima de 200 μm e impresión velocidades de mm/s para las estructuras simples que no incluyen mover piezas¹⁸^,¹⁹. La estereolitografía (SLA) y el proyecto de luz digital (DLP) basado en bioprinters tal vez ser capaces de lograr mejores resoluciones, pero son también mucho más costoso para configuración. Estas estrategias de fabricación no son capaces de imprimir fácilmente voladizos sin apoyo a los materiales de sustrato, que pueden ser difíciles de introducir y extraer el dispositivo terminado. Nosotros eludir este alineando y polimerización forma capa del lacre a la estructura de soporte fabricado como paso final para formar el dispositivo terminado. El diseño de la instalación de fabricación le da al usuario fácil acceso a las estructuras fabricadas y permite la fácil alineación de los diversos componentes con el uso de marcas de alineación.

La estrategia aquí presentada es también mucho más rápida que otras técnicas de resoluciones similares; el tiempo total para la fabricación demostrada del dispositivo con una rotación es unos 15 minutos. Otro añadido la ventaja de esta estrategia de fabricación, aunque no demostrado en el presente Protocolo pero se muestra en nuestro anterior trabajo¹⁷, es la capacidad para el usuario a rápidamente y fácilmente cambiar el tipo de polímero utilizado entre los pasos que se pueden hacer en pequeños volúmenes . De esta manera, uno puede crear dispositivos que son un compuesto de diferentes tipos de hidrogeles. El dispositivo fabricado usando esta estrategia también tiene la ventaja añadida de accionamiento sin contacto como el equipo contiene un segmento que es dopado con nanopartículas de óxido de hierro, haciendo el equipo sensible a la actuación magnética y así puede accionar con un externo imán. Además, el dispositivo es completamente biocompatible y por lo tanto, puede ser con seguridad implantados en vivo.

Una característica importante de esta técnica es el tratamiento de los sustratos de vidrio diferente, que permite al usuario preferencial adherirse o rechazar el hidrogel polimerizado en el sustrato de vidrio superior o inferior. Cuando se utiliza una combinación de vidrio sin tratar con una superficie de vidrio tratados con PFOTS (sustrato de fondo), hidrogeles formados preferentemente se adhieren al vidrio sin tratar, ya que son repelidos de la superficie de fluorado de vidrio tratados con PFOTS. Por el contrario, cuando vidrio recubierto de PDMS se utiliza con el sustrato de fondo tratados con PFOTS, hidrogeles tenderá a permanecer en la superficie tratada con PFOTS como las superficies PDMS repelen más fuertemente los hidrogeles formados. Esta característica permite construir hacia arriba, se adhiere a los hidrogeles que están inmovilizados en substratos de vidrio y puede ser reservados para alineación a otras estructuras en un punto posterior en tiempo o incluso construir hacia abajo. Esto agrega a la flexibilidad de la técnica y los tipos de diseños que pueden ser fabricados así como permite la incorporación y sellado en hidrogel independiente, movimiento libre de componentes.

Durante la fabricación de capa por capa, es importante optimizar el uso de la polimerización. Hidrogeles deben ser óptimamente reticulados que se forman en todo el espesor, así como en alta fidelidad con respecto a las formas definidas por el photomask. Esto depende de la potencia de la lámpara y del tipo de hidrogel utilizado. Aunque no se muestra en el presente Protocolo, el tiempo de polimerización disminuye con cada vez mayor potencia de la lámpara y aumenta con el aumento de longitud de la cadena de PEG y disminuyendo las concentraciones de PEGDA utilizado. Otros factores que afectan la cantidad de energía disponible para la fotopolimerización, tales como el cambio en opacidad de prepolímero debido a la adición de nanopartículas de óxido de hierro (figura 4), también afectará el tiempo de polimerización. Optimización de las condiciones de hidrogel diferentes composiciones del cross-linking es así necesaria antes de iniciar el proceso de fabricación de dispositivos.

El uso de marcas de alineación en los patrones y la alineación correcta de las capas de hidrogel, sobre todo la capa de sellado final, son importantes para asegurar que se realiza un sellado adecuado, y los componentes interiores no reticulados inadvertidamente a la alrededor de estructuras de apoyo durante el proceso de fabricación. Esto impediría que estos componentes moverse libremente durante el accionamiento magnético. Como se muestra en la figura 5, una desalineación tapa sellado de capa y photomask produce el entrecruzamiento y la fijación de una porción de material a granel del mismo dispositivo. Como resultado, este equipo no gira al accionar con un imán.

Los dispositivos se pueden accionar mediante el fuertes imanes permanentes como los imanes de neodimio. Estos imanes generan fuertes fuerzas magnéticas en gama cercana a materiales ferromagnéticos y debe tenerse cuidado para evitar lesiones. El dispositivo puede accionarse para mover sin el imán entre en contacto con el dispositivo; el imán puede ser sostenido o coloca ~ 1cm lejos del dispositivo. El movimiento de los componentes de hierro-dopado debe reflejar el movimiento del imán y se puede accionar para mover continuamente u orientado intermitentemente como deseado. El dispositivo puede accionarse manualmente o puede utilizar una configuración de la actuación. El imán puede acoplarse a cualquier actuador (por ejemplo, el motor servo) al movimiento de rotación. La velocidad de rotación del imán, y por lo tanto la velocidad de rotación del componente hierro-dopado, puede ser controlada mediante un microcontrolador. Esto proporciona un método más preciso de actuación.

La figura 8 muestra esquemas e imágenes de varios diseños de trabajos anteriores que fueron fabricados utilizando esta misma técnica y demuestran la versatilidad de este método. Estos gama de diseños de dispositivos simples que se asemejan a las válvulas (figura 8A) más complicados y sofisticados diseños que se inspiran en el diseño de la impulsión de Geneva (figura 8) que comprenden de 2 engranajes comprometidos que producen intermitente movimiento. Las características más pequeñas que se pueden generar con esta técnica fueron típicamente cerca de 100 μm y cada diseño se compone de varias capas (3 a 6 capas). Diferentes tipos de composiciones de hidrogel (con diferentes fuerzas mecánicas y porosidad) pueden también ser polimerizados y uno al otro. Por lo tanto, uno puede combinar los tipos de hidrogeles a utilizar dentro de un dispositivo según la función requerida de los distintos componentes dentro del dispositivo.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue apoyado por una concesión de la carrera de NSF, NIH R01 grant (HL095477-05) y subvención NSF ECCS-1509748. S.Y.C. fue apoyado por la beca nacional de la ciencia (PhD), que fue premiado por la Agencia de ciencia, tecnología e investigación (Singapur). Agradecemos a Keith Yeager para ayuda con la construcción de la instalación de fabricación y Cyrus W. Beh para las fotografías de los dispositivos y configuración.

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).