Name: high-resolution patterning using two modes of electrohydrodynamic jet: drop on demand and near-field electrospinning
Uploaded: 2018-07-10T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 16 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about High-resolution Patterning Using Two Modes of Electrohydrodynamic Jet: Drop on Demand and Near-field Electrospinning at JoVE.com

Diese Forschung wurde unterstützt durch die grundlegende Wissenschaft Forschungsprogramm durch die National Research Foundation von Korea (NRF) von Korea, finanziert durch das Ministerium für Bildung (2016R1D1A1B01006801), und teilweise unterstützt von der Soonchunhyang University Research Fund .

Gesundheit und Sicherheit Zwecken, vor der Verwendung Tinte und Reinigungslösung beziehen sich auf die materiellen Sicherheitsdatenblatt (MSDS).
1. Drop-on-Demand-Electrohydrodynamic-Jet-Druck mit Silber-Nanopartikel-Tinte
<ol><li>Füllen Sie die gefilterten Silber-Nanopartikel (Psychopharmakologie) Tinte in die Farbwanne des Drucksystems EHD. Hinweis: Handelsübliche Psychopharmakologie Tinte für Inkjet Zweck einsetzbar. Die Tinte muss eine Viskosität von rund 10 cP und eine Oberflächenspannung von 20 ~ 40 mN/m, Drop-on-Demand jetten zu erhalten.</li>
	<li>Nehmen Sie eine Düse für das DOD EHD Drucken mithilfe einer thermischen Puller vor.<ol>
<li>Stellen Sie ein Glas Kapillare [Innendurchmesser (ID) von 1 mm] in der thermischen Abzieher.</li>
		<li>Legen Sie die Parameter der thermischen Abzieher; beispielsweise die Heizung Temperatur im Bereich von 580-590 ° C und ein Ziehen von rund 18 mm/s Geschwindigkeit. Hinweis: Die Parameter für die thermische Puller sollte das Ziel Düse-ID und den Umgebungsbedingungen variieren.</li>
		<li>Betreiben des thermischen Abziehers mit den eingestellten Parametern, Hitze in der Mitte der Kapillare und ziehen an beiden Enden zu einer Düse mit der ID 5 µm anzuwenden. Hinweis: Bestimmen Sie die Größe der Düse ID anhand der Ziel-Punkt-Größe auf dem Substrat. Als Referenz könnte die Düse ID von 5 µm 5 µm Größe Punkte drucken.</li>
		<li>Passen Sie die Länge der Glas-Düse durch Schneiden der Glas Düse über einem Glasschneider an.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Montieren Sie die Düse der Düsenhalter und Stecker, die mit Tinte Reservoir über Polytetrafluorethylen (PTFE) Schläuche verbunden sind.</li>
	<li>Wenden Sie den Luftdruck, Tinte, die Düsenspitze zu liefern.<ol>
<li>Schalten Sie den Luftdruck Controller und Luft Druck von 15 ~ 20 kPa bis Farbwanne, Tinte, die Düsenspitze zu liefern. Überwachen der Tintenfluss durch das transparente Glas-Düse und Schlauch um sicherzustellen, dass keine Luft in das Rohr und Düse gefangen ist, bei der Versorgung von der Tinte. Halten Druck Luft auf der Farbwanne bis Tinte an der Düsenspitze angezeigt wird. Hinweis: Reduzieren Sie den Druck nicht, bevor die Tinte an der Düsenspitze erscheint, weil die Blase Lufteinschlüsse an der Düsenspitze führen könnten.</li>
		<li>Reduzieren Sie den Druck auf ca. 12 kPa und den extrudierten Meniskus ohne jede Tinte tropft aus der Düsenspitze zu warten. Hinweis: Der richtige Luftdruck hängt von der Düse Größe und Tinte Viskosität. Erhöhen Sie den Luftdruck auf mehr als 30 kPa, übermäßige Luftverdichtung zu vermeiden, die für die Aufrechterhaltung des Meniskus in einem stabilen Zustand unerwünscht ist nicht.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Befestigen Sie den montierten Düsenkopf in das Drucksystem.</li>
	<li>Ein Glassubstrat auf dem Vakuum Futter des Inhabers Substrat und schalten Sie der Vakuumpumpe, das Substrat zu halten ein.</li>
	<li>Verschieben Sie die z-Achse-Phase, um die Pattsituation (H) Entfernung – die Lücke zwischen der Düsenspitze und die Substrat-Position – etwa 100 µm. nutzen die Seitenansicht Bild von der Überwachungskamera erworben, um Stand-off Abstand zu schätzen, mit der Entfernung der Düsenspitze für seine Überlegungen, wie in Abbildung 2dargestellt. Hinweis: Ein kleiner Abstand führt zu einem höheren elektrischen Feld, das Drucken mit einem niedrigeren DC und Puls Spannungen für jetten erleichtert. Jedoch kann ein geringer Abstand zu größeren Tropfen führen. Daher sollte das Ausmaß der Spannungen entsprechend reduziert werden, um die gewünschte Punktgröße zu erhalten. Im Allgemeinen empfiehlt sich die Verwendung einer niedrigeren Spannung kleiner gedruckten Punkte mit weniger Spritzen zu erhalten. Eine sorgfältige Bedienung ist jedoch erforderlich, wenn der Abstand weniger als 50 µm, wegen der höheren Chance Düse Bruchgefahr durch Kollision mit dem Substrat wird. In Anbetracht der Trade-off-Beziehung zwischen sprühvolumen Fähigkeit und Zuverlässigkeit empfehlen wir die Verwendung von einem Abstand von 100 µm.</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57846/57846fig2.jpg"> Abbildung 2: Stand-off Abstand Anpassung mithilfe von Side View Kamera-Bild. Die Düse Bild von einer Seitenansicht Kamera kann verwendet werden, um den Abstand zu schätzen. Der Stand-off Abstand (H) aus der Düsenspitze auf das Substrat kann leicht als die Hälfte der Abstand zwischen der Düsenspitze seinen Schatten geschätzt werden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57846/57846fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<ol start="8"><li>
Gelten DC und Puls Spannungen Bemerkung: Die DC und Puls Spannungen kann kontrolliert über die Druckersoftware.<ol>
<li>Die DC-Spannung schrittweise bis die Tinte tropft aus der Düsenspitze zu erhöhen. Hinweis: Die Ziel-Spannung nicht gleichzeitig anwenden. Die inkrementelle Spannung sollte weniger als 100 V gleichzeitig sein. Alles in allem eine Gleichspannung von mehr als 600 V nicht anwendbar.</li>
		<li>Reduzieren Sie die DC-Spannung etwas von Anfang DC-Spannung, bis keine weitere Tinte aus der Düse tropft beobachtet wird. Hinweis: Nach der Einstellung der pneumatischen Druck und DC-Spannung sollte der Meniskus in eine geeignete Form für jetten siehe Ergänzende Abbildung S1.</li>
		<li>Stellen Sie eine negativer Impulsspannung mit den Parametern der tsteigen = 0 ~ 100 µs, twohnen = 300 µs und tfallen = 0 µs7 (Abbildung 3) im Software-Menü.</li>
		<li>Gelten Sie die negative Impulsspannung am Substrat Halter. Passen Sie dann das Ausmaß der Impulsspannung, V-Impuls, um einen Tropfen pro Einzelimpuls Spannung zu erzeugen. Hinweis: Das Ausmaß der negativen Impulsspannung, VPuls, sollte kleiner als 600 V sein.</li>
		<li>Passen Sie die Gleichspannungen Hintergrund und Puls um die Zielgröße Tröpfchen auf das Substrat unter Beachtung der jettete Punkte auf das Substrat im Kamerabild Seite Ansicht zu erhalten. Hinweis: Um kleine Punkte mit weniger Spritzen auf dem Substrat zu erzeugen, sollte das Ausmaß der Impulsspannung, VPuls, so gering wie möglich sein.</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57846/57846fig3.jpg"> Abbildung 3: Puls Spannung für DOD EHD jetten. Trapezförmigen Wellenform Spannung wird empfohlen, um DOD EHD jetten7zu produzieren. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57846/57846fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<ol start="9"><li>
Druckmuster Hinweis: Zwei verschiedene Arten von Muster eignet sich für DOD EHD drucken: bitmap-Bild und (CAD)-Vektorinformationen basieren. Bitmap-Bild hat in DOD-basierte Inkjet-Druck verbreitet worden. Jedoch im Falle der gedruckten Elektronik-Anwendungen hat CAD-basierte Vektorinformationen Vorteile gegenüber DOD-basierte Inkjet-Druck, weil es effizient in Linie-basiertes Drucken mit einem einzigen EHD-Kopf. Zur gleichen Zeit kann ein Bitmap-Bild für das Bitmap-Bild drucken die Vektorinformationen umgewandelt werden.<ol>
<li>
Bitmap-Bild drucken
		<ol>
<li>Laden Sie ein Bitmap-Bild in der Registerkarte "Drucken" die Druckersoftware und wandeln Sie es in ein binäres Bild.</li>
			<li>Legen Sie die Parameter für das binäres Bild drucken. Zum Beispiel Intervall Drop (d.h. der Abstand zwischen 2 aufeinanderfolgenden Pixel) bei 10 µm. Hinweis: Das Bitmap-Bild muss keine Abmessungen. Die Abmessungen des gedruckten Bildes werden auf das Drop-Intervall bezogen werden. Beispielsweise wird das gedruckte Bild größer, wenn eine größere Tropfen Intervall verwendet wird. In herkömmlichen Inkjet-Druck, hat Punkt pro Zoll (DPI) häufig für diesen Zweck verwendet wurden. Allerdings ist darauf hinzuweisen, dass eine kleinere DPI eine größere Tropfen-Intervall bedeutet. Um die Drop-Intervall bestimmen, sollte die gedruckten Punktgröße betrachtet werden. Im Allgemeinen ist das Drop-Intervall für die EHD DOD Druck deutlich kleiner als die der herkömmlichen Inkjet-Druck.</li>
			<li>Drucken mit der ausgewählten Bitmap auf die Zielposition im Substrat beginnen.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Vektor-Druck, basierend auf CAD-Informationen
		<ol>
<li>Laden Sie CAD-Daten für den Druck. Hinweis: Das Dateiformat DXF, die Text-basierte CAD-Informationen ist, kann für die Druckinformationen verwendet werden.</li>
			<li>Legen Sie die Parameter für den Vektor Druck; zum Beispiel Intervall Tropfen auf 3 µm und die sprühvolumen Frequenz 10 Hz. Hinweis: Um die Verbindungslinie Muster drucken, sollten die Tropfen Intervall werden so gewählt, dass benachbart hinterlegt, dass Tropfen leicht überlappen. Zuviel Überlappung kann jedoch eine größere Linienbreite führen. Eine Überlappung von ca. 30 % empfiehlt sich für alle praktischen Linie drucken. Im Falle von Vektor-Druck, die Geschwindigkeit (V) die folgende Gleichung. V = d × f Hier, d = die Drop-Intervall und f = sprühvolumen Frequenz.</li>
			<li>Drucken Sie die geladene Muster auf dem Substrat mit vorher festgelegten Druckparameter wie Drop-Intervall, die Druckgeschwindigkeit, Spannung, usw. Hinweis: Nach dem Drucken, möglicherweise ein Sinterprozess verpflichtet, die gewünschte Leitfähigkeit der gedruckten Muster zu erhalten, die den Rahmen dieses Artikels sprengen würde.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
</ol>(2) leitende Gratwanderung Musterung mit Nahfeld-Elektrospinnen
<ol><li>Nahfeld-Elektrospinnen (NFES) Tinte für leitfähige Druck zu machen.<ol>
<li>Mischen Sie Ethanol und deionisiertes Wasser (DI) mit einem Volumenverhältnis von 3 (Ethanol) bis 1 (VE-Wasser), Lösungsmittel 1 vorzubereiten. Zum Beispiel mix 9 ml Ethanol und 3 ml DI Wasser um 12 ml Lösungsmittel 1 zu machen.</li>
		<li>0,3 g Poly (Ethylenoxid) mischen (PEO, Mwt = 400.000) und 9,7 g der vorbereiteten Lösungsmittel 1 zu einer Polymerlösung mit 3 Gew.-% des Menschen durch Rühren, mit einem Magnetrührer für mehr als 6 h bei Raumtemperatur (25 ° C).</li>
		<li>Mix-Ag Nano einfügen Tinte, die eine Viskosität von etwa 11.000 hat cP und die vorbereiteten Polymerlösung mit einem Gewichtsverhältnis von 5 (Ag Nano Paste Tinte) bis 1 (Polymerlösung) mit einem Vortex-Mixer für 10 min die Tinte für NFES. zu erhalten Zum Beispiel 10 g Ag Nano einfügen Tinte und 2 g Polymerlösung können gemischt werden, um die NFES Tinte zu erhalten. Hinweis: In diesem Protokoll ist das Verhältnis der Ausgangsmaterialien in der Regel wichtiger als die genaue Höhe der Materialien. Handelsübliche Ag Nano einfügen Tinte zum Bildschirm ausdrucken, die Ag Feststoffgehalt von etwa 85,5 Gew.-% hat, kann für diesen Zweck verwendet werden. Beachten Sie, dass die Auswahl des Lösungsmittels und das Polymer unterscheiden kann aufgrund der Zusammensetzung der Tinte, die verwendet wird.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Füllen Sie die vorbereitete NFES Tinte in die Spritze.</li>
	<li>Schließen Sie die Spritze mit einer Düse über das Verbindungsrohr. Hinweis: Für die Düse kann eine handelsübliche Spritzennadel mit der ID 100 µm verwendet werden.</li>
	<li>Liefern Sie die Tinte an der Düse durch die Spritze manuell drücken.</li>
	<li>Installieren Sie die Spritze in die Spritze-Motor, der an das System angeschlossen ist.</li>
	<li>Ein Substrat auf dem Vakuum-Spannfutter und schalten Sie der Vakuumpumpe, das Substrat während des Druckvorgangs zu halten ein.</li>
	<li>Steuern Sie die Z-Position (Bühne) Stand-off Abstand anpassen. Hinweis: Der empfohlene Abstand ca. 2 mm sollte eine deutlich kleinere Stand-off Abstand im Vergleich zu einem mit herkömmlichen Elektrospinnen verwendet wird.</li>
	<li>
Einstellen der Durchflussmenge
	<ol>
<li>Die Spritzenpumpe zu füllen die NFES Tinte in die Düse Montage und generieren eine Tintenfluss mit einer anfänglichen Durchflussmenge von 50 µL/min, das ist höher als der Ziel-Durchfluss zu betreiben.</li>
		<li>Legen Sie einen Ziel-Durchfluss von 1 µL/min strömt die Tinte aus der Düsenspitze. Hinweis: Ein kleiner Volumenstrom kann in kleinere Muster Breite führen. Allerdings könnte es Linie Bruch führen. Die Trade-off zwischen der Linienbreite und die Fortsetzung der Linie sollte betrachtet werden, wenn die Ziel-Durchflussmenge bestimmt wird.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Spannung anlegen
	<ol>
<li>Schließen Sie die DC-Spannungsquelle an der Düse-Stecker an und verbinden Sie die Boden-Spannung mit der Substrat-Inhaber.</li>
		<li>Erhöhen Sie die DC-Spannung allmählich auf 1,5 kV. Hinweis: Da die Stand-off Abstand im Bereich von wenigen Millimetern ist, die DC-Spannung gesteigert werden bis zu 2 kV, die höher ist, dass der DOD EHD-Druck Jet. Jedoch eine Gleichspannung größer als 2 kV sollte vermieden werden, da es das funktionelle Material beschädigen könnten, vor allem Ag paste Tinte, hinzu kommt die Polymerlösung. Im Allgemeinen empfiehlt sich eine niedrigere Gleichspannung, wenn eine dünner gedruckten Zeile erforderlich ist. Jedoch konnte der gedruckten Linien leicht getrennt werden, wenn eine niedrige Spannung verwendet wird, weil die Zugkraft für kontinuierliche Tinte drucken mit der DC-Spannung verbunden ist. Betrachtet man die vor-und Nachteile, empfehlen wir die Verwendung von eine Gleichspannung von 1 kV bis 2 kV.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Starten Sie den Leerlauf Druck mit einer Druckgeschwindigkeit von 300 mm/s für mehr als 10 min, eine stationäre Strömung zu erhalten. Passen Sie die Druckparameter wie die DC Spannung und Strom beim Leerlauf ausdrucken, das gewünschte Druckergebnis zu erhalten. Hinweis: Im Leerlauf Druck von mehr als 10 min ist erforderlich, um eine stationäre Strömung zu erhalten, weil die zähflüssige Tinte in den langen Schlauch während der Tinte Lieferung an der Düsenspitze komprimiert werden kann. Ohne Leerlauf drucken, kann die gedruckte Linienbreite mit der Zeit ändern. Die Leerlaufdrehzahl Druck somit sollte dasselbe wie die tatsächliche Druckgeschwindigkeit damit die sprühvolumen Parameter während des Druckvorgangs angepasst werden können. Auf diese Weise wird die DC-Spannung beim Leerlauf ausdrucken, die Breite der Ziel-Linie zu erhalten angepasst. Beachten Sie, dass die Durchflussmenge und Gleichspannung ausgeglichen sein sollte, so dass die Menge der Tinte, die durch die Spritzenpumpe geschoben entspricht der Menge der Tinte, die durch das elektrische Feld nach unten gezogen werden kann.</li>
	<li>Wählen Sie die Druck-Muster, wie eine kontinuierliche Linie und Grid-Muster. Hinweis: Da die hergestellte Faser leicht abgelenkt werden kann und nach dem Zufallsprinzip wegen der Ladung Abstoßung Kraft erzeugt durch die gedruckten Linien hinterlegt werden kann, die Druckgeschwindigkeit sollte größer sein als 300 mm/s, das Muster mit den Druck Richtungen auszurichten und die Abstand zwischen den gedruckten Zeilen wird empfohlen, mehr als 100 µm werden um den gürten oder Linie Muster drucken.</li>
	<li>Drucken Sie das gewählte Muster auf dem Substrat mit vorher festgelegten Druckparameter. Hinweis: Ein Sintern müssen erhalten die Ziel-Funktionalitäten der gedruckten Muster, die den Rahmen dieses Artikels sprengen würde.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Onses, M. S., Sutanto, E., Ferreira, P. M., Alleyne, A. G., Rogers, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms,+Capabilities,+and+Applications+of+High-Resolution+Electrohydrodynamic+Jet+Printing.">Mechanisms, Capabilities, and Applications of High-Resolution Electrohydrodynamic Jet Printing.</a> Small. 11 (34), 4237-4266 (2015).</li><li>Jaworek, A., Krupa, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Classification+of+the+modes+of+EHD+spraying.">Classification of the modes of EHD spraying.</a> Journal of Aerosol Science. 30 (93), 873-893 (1999).</li><li>Lee, A., Jin, H., Dang, H. W., Choi, K. H., Ahn, K. 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Die Autoren haben nichts preisgeben.

In diesem Protokoll, wir konzentrieren uns auf feine Muster mit zwei Modi Psychopharmakologie Tinte drucken: DOD EHD Druck- und NFES. Die EHD-Jet Drucken Anwendung ist jedoch nicht beschränkt auf die Verwendung von Psychopharmakologie leitlack. Hier besprechen wir die allgemeinen Leitlinien für die Auswahl der Tinte, die Systemkonfiguration und andere Druckparameter EHD-Jet Drucken für verschiedene feine Muster Anwendungen verwenden musste.
Die erste und wichtigste Schritt für den Druck de...

EHD Jet Druck hat in verschiedenen Bereichen, wie gedruckte Elektronik, Biotechnologie und erweiterte Materialanwendungen verbreitet denn es ist in der Lage, hochauflösende und Low-Cost direkte Musterung1. Die gedruckten Linienbreite oder gedruckten Punktgröße konnte bis 1 µm ist deutlich kleiner als die der konventionellen Piezo-basierte Inkjet drucken1reduziert werden.
In EHD-Druck, ein kleiner Teil der Tinte (oder Meniskus) verdrängt die Düsenspitze und gepflegt durch die Kontrolle der Flow Rate1,2,3,4,5 oder positiver Luftdruck1 ,6,7. Die extrudierte Meniskus ist geladen und kann problemlos gezogen werden aus der Düsenspitze auf das Substrat durch ein elektrisches Feld, wie in Abbildung 1dargestellt. Konische Meniskus bildet sich während der jetten, produzieren einen Tinte Stream viel dünner als die Größe der Düse.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57846/57846fig1.jpg"> Abbildung 1: EHD Druck. Die Abbildung zeigt das Prinzip der EHD Jet Druck. Tinte wird per Druck geschoben und gezogen durch ein elektrisches Feld um eine extrudierte Meniskus aus der Düse zu bilden. Dann kann die geladene Tinte leicht Substrat über einen DC oder Impulsspannung ausgestoßen werden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57846/57846fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Obwohl ein EHD Drucker für zwei verschiedene Modi, Nahfeld-Elektrospinnen (NFES) und Drop-on-Demand (DOD) EHD Jet Druck verwendet werden kann, unterscheiden die Realisierung Methoden stark voneinander Tinte, fluidische System und treibende Spannung1 , 2 , 3. NFES4,5 verwendet beispielsweise eine relativ hohe zähflüssige Tinte [mehr als 1.000 Centipoise (cP)], kontinuierliche Mikro-Linienmuster mit High-Speed-Druck bis zu 1 m/s zu bilden. Auf der anderen Seite DOD EHD Jet Druck6,7,8 Verwendungen niederviskosen Tinte mit einer Viskosität von etwa 10 cP Dot-basierte komplexe Muster mit einem niedrigen Druck drucken weniger als 10 mm/s Geschwindigkeit.
Da die Voraussetzung für jeden Modus deutlich unterschiedlich ist, kann es schwierig für unerfahrene Forscher, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen sein. Die empirische "Know-how" könnte in der Praxis wichtig sein. Um Forscher daran gewöhnen zu helfen präsentieren wir das Druckverfahren EHD Protokolle für feine leitfähige Musterung mit Ag Nanopartikel Tinte drucken. Jedoch haben wir Kommentare zu den Protokollen hinzugefügt, so dass sie nicht auf eine leitfähige Musterung mit Ag Nanopartikel Tinte begrenzt sind. Schließlich werden Druck und Verarbeitung Richtlinien im Abschnitt Diskussion dargestellt.

<table><tbody><tr><td>EHD integrated printing system</td><td>Psolution Ltd., South Korea</td><td>PS300</td><td></td></tr><tr><td>Harima Ag Nanoparticle ink</td><td>Harima Inc., Japan</td><td>Harima NPS-JL</td><td>Ag solid content: ~ 53 wt%, Viscosity: ~10 cP, Surface tension: ~30 mN/m</td></tr><tr><td>Glass capillary</td><td>Narishige Scientific Instrument Lab</td><td>G-1</td><td>Inner diameter: 1 mm; Used to make nozzle for DOD EHD jet printing using thermal puller</td></tr><tr><td>Nozzle thermal puller</td><td>Sutter Instrument, USA</td><td>Sutter P-1000</td><td></td></tr><tr><td>Microscope Slides (Glass subtrate)</td><td>Paul-Marienfeld &amp;amp; Co.KG, Germany</td><td>10 006 12</td><td>Dimension (L x W x T): 76 mm x 26 mm x 1 mm</td></tr><tr><td>Magnetic Stirrer</td><td>Barnstead Thermolyne Corp., USA</td><td>Cimarec SP131635</td><td></td></tr><tr><td>Vortex Stirrer</td><td>Jeiotech, South Korea</td><td>Lab Companion VM-96T</td><td></td></tr><tr><td>Ag nanopaste&amp;nbsp;</td><td>NPK, South Korea</td><td>ES-R001</td><td>Ag solid content: ~85.5 wt%, Viscosity: ~11000 cP</td></tr><tr><td>Poly ethylene oxide (PEO)</td><td>Sigma-Aldrich, USA</td><td>372773-500G</td><td>Mw = 400000</td></tr><tr><td>Ethanol</td><td>Sigma-Aldrich, USA</td><td>459836-500ML</td><td></td></tr></tbody></table>

high-resolution patterning using two modes of electrohydrodynamic jet: drop on demand and near-field electrospinning

Electrohydrodynamic (EHD) Jet Druck hat in verschiedenen Bereichen hingewiesen, weil es als ein Werkzeug mit hoher Auflösung und Low-Cost direkte Strukturierung verwendet werden kann. EHD Drucken verwendet fluidische Lieferant, um den extrudierten Meniskus durch schieben die Tinte aus der Düsenspitze zu halten. Das elektrische Feld dient dann den Meniskus bis auf das Substrat hochauflösende Muster produzieren zu ziehen. Zwei Modi der EHD Druck werden seit feine Musterung: kontinuierliche Nahfeld-Elektrospinnen (NFES) und Punkt-basiertes Drop-on-Demand (DOD) EHD drucken. Je nach den Druckmodi werden die Anforderungen an die Druckerei Ausrüstung und Tinte Viskosität unterscheiden. Obwohl zwei verschiedene Modi mit einem einzigen EHD-Drucker implementiert werden können, die Realisierung Methoden unterscheiden sich erheblich in Bezug auf Tinte, fluidische System und fahrspannung. Folglich, ohne ein korrektes Verständnis der sprühvolumen Anforderungen und Einschränkungen ist es schwierig, die gewünschten Ergebnisse erzielen. Dieses Papier soll eine Leitlinie zu präsentieren, damit unerfahrene Forscher die Versuch und Irrtum Bemühungen um die EHD-Jet für ihre spezifischen Forschungs- und Entwicklungszwecke verwenden verringern können. Um die feine Musterung Umsetzung zu demonstrieren, verwenden wir Ag Nanopartikel Tinte für die leitfähigen Musterung in das Protokoll. Darüber hinaus präsentieren wir auch die generalisierten Drucken Richtlinien, die für andere Arten von Tinte für verschiedene feine Musterung Anwendungen verwendet werden können.

Dot-basierten Drop-on-Demand-Druck: DOD Druck basiert auf einen Tropfen pro sprühvolumen Trigger jetten. DOD jetten, niedrigviskose Tinte mit einer Viskosität von ca. 10 produzieren sollte cP verwendet werden. Die Tinte Voraussetzung für EHD DOD Druck ist ähnlich wie die konventionellen DOD-Inkjet, wie die EHD-Druckverfahren mit derjenigen der konventionellen DOD-Inkjet. Bei herkömmlichen Inkjet-Druck, hat die Raster-Drucktechnik weit verbreitet wurde, weil es fü...

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High-resolution Patterning Using Two Modes of Electrohydrodynamic Jet: Drop on Demand and Near-field Electrospinning

Hochauflösende Musterung mit zwei Modi der Electrohydrodynamic Jet: Drop-on-Demand und Nahfeld-Elektrospinnen

Hier präsentieren wir ein Protokoll, um hochauflösende leitfähige Muster mit Electrohydrodynamic (EHD) Jet Druck zu produzieren. Das Protokoll enthält zwei Modi der EHD Jet Druck: die kontinuierliche Nahfeld-Elektrospinnen (NFES) und die Dot-basiertes Drop-on-Demand (DOD) EHD drucken.

Electrohydrodynamic (EHD) jet printing has drawn attention in various fields because it can be used as a high-resolution and low-cost direct patterning ...

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

9.6K Aufrufe.  Soonchunhyang University. Hier präsentieren wir ein Protokoll, um hochauflösende leitfähige Muster mit Electrohydrodynamic (EHD) Jet Druck zu produzieren. Das Protokoll enthält zwei Modi der EHD Jet Druck: die kontinuierliche Nahfeld-Elektrospinnen (NFES) und die Dot-basiertes Drop-on-Demand (DOD) EHD drucken.

Serie: High-resolution Patterning Using Two Modes of Electrohydrodynamic Jet: Drop on Demand and Near-field Electrospinning

Electrospinning Fundamentals: Optimizing Solution and Apparatus Parameters

Electrospun nanofiber scaffolds have been shown to accelerate the maturation, improve the growth, and direct the migration of cells in vitro. Electrospinning is a process in which a charged polymer jet is collected on a grounded collector; a rapidly rotating collector results in aligned nanofibers while stationary collectors result in randomly oriented fiber mats. The polymer jet is formed when an applied electrostatic charge overcomes the surface tension of the solution. There is a minimum concentration for a given polymer, termed the critical entanglement concentration, below which a stable jet cannot be achieved and no nanofibers will form - although nanoparticles may be achieved (electrospray). A stable jet has two domains, a streaming segment and a whipping segment. While the whipping jet is usually invisible to the naked eye, the streaming segment is often visible under appropriate lighting conditions. Observing the length, thickness, consistency and movement of the stream is useful to predict the alignment and morphology of the nanofibers being formed. A short, non-uniform, inconsistent, and/or oscillating stream is indicative of a variety of problems, including poor fiber alignment, beading, splattering, and curlicue or wavy patterns. The stream can be optimized by adjusting the composition of the solution and the configuration of the electrospinning apparatus, thus optimizing the alignment and morphology of the fibers being produced. In this protocol, we present a procedure for setting up a basic electrospinning apparatus, empirically approximating the critical entanglement concentration of a polymer solution and optimizing the electrospinning process. In addition, we discuss some common problems and troubleshooting techniques.

Electrospinning techniques can create a variety of nanofibrous scaffolds for tissue engineering or other applications. We describe here a procedure to optimize the parameters of the electrospinning solution and apparatus to obtain fibers with the desired morphology and alignment. Common problems and troubleshooting techniques are also presented.

Elektrospinnen Grundlagen: Optimierung Solution und Geräteparameter

Electrospun nanofiber scaffolds have been shown to accelerate the maturation, improve the growth, and direct the migration of cells in vitro. ...

Forschung

Biotechnik

Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

Printed electronics rely on low-cost, large-area fabrication routes to create flexible or multidimensional electronic, optoelectronic, and biomedical devices1-3. In this paper, we focus on one- (1D), two- (2D), and three-dimensional (3D) printing of conductive metallic inks in the form of flexible, stretchable, and spanning microelectrodes.
Direct-write assembly4,5 is a 1-to-3D printing technique that enables the fabrication of features ranging from simple lines to complex structures by the deposition of concentrated inks through fine nozzles (~0.1 - 250 &mu;m). This printing method consists of a computer-controlled 3-axis translation stage, an ink reservoir and nozzle, and 10x telescopic lens for visualization. Unlike inkjet printing, a droplet-based process, direct-write assembly involves the extrusion of ink filaments either in- or out-of-plane. The printed filaments typically conform to the nozzle size. Hence, microscale features (&lt; 1 &mu;m) can be patterned and assembled into larger arrays and multidimensional architectures.
In this paper, we first synthesize a highly concentrated silver nanoparticle ink for planar and 3D printing via direct-write assembly. Next, a standard protocol for printing microelectrodes in multidimensional motifs is demonstrated. Finally, applications of printed microelectrodes for electrically small antennas, solar cells, and light-emitting diodes are highlighted.

Planar and three-dimensional printing of conductive metallic inks is described. Our approach provides new avenues for fabricating printed electronic, optoelectronic, and biomedical devices in unusual layouts at the microscale.

Planar-und Drei-Dimensional Printing von Leitfähige Druckfarben

Printed electronics rely on low-cost, large-area fabrication routes to create flexible or multidimensional electronic, optoelectronic, and biomedical ...

The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and polar dielectric liquids. These bridges are unique from capillary bridges in that they exhibit extensibility beyond a few millimeters, have complex bi-directional mass transfer patterns, and emit non-Planck infrared radiation. A number of common solvents can form such bridges as well as low conductivity solutions and colloidal suspensions. The macroscopic behavior is governed by electrohydrodynamics and provides a means of studying fluid flow phenomena without the presence of rigid walls. Prior to the onset of a liquid bridge several important phenomena can be observed including advancing meniscus height (electrowetting), bulk fluid circulation (the Sumoto effect), and the ejection of charged droplets (electrospray). The interaction between surface, polarization, and displacement forces can be directly examined by varying applied voltage and bridge length. The electric field, assisted by gravity, stabilizes the liquid bridge against Rayleigh-Plateau instabilities. Construction of basic apparatus for both vertical and horizontal orientation along with operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

Horizontal and vertical electrohydrodynamic liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields and polar dielectric liquids. The construction of basic apparatus and operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

Die Herstellung elektro Bridges von Polar Schlags Flüssigkeiten

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and ...

Ingenieurwesen

Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System

A 3-axis dispensing system is utilized to control the initiating and terminating fiber positions and trajectory via the dispensing software. The polymer fiber length and orientation is defined by the spatial positioning of the dispensing system 3-axis stages. The fiber diameter is defined by the prescribed dispense time of the dispensing system valve, the feed rate (the speed at which the stage traverses from an initiating to a terminating position), the gauge diameter of the dispensing tip, the viscosity and surface tension of the polymer solution, and the programmed drawing length. The stage feed rate affects the polymer solution&#8217;s evaporation rate and capillary breakup of the filaments. The dispensing system consists of a pneumatic valve controller, a droplet-dispensing valve and a dispensing tip. Characterization of the direct write process to determine the optimum combination of factors leads to repeatedly acquiring the desired range of fiber diameters. The advantage of this robotic dispensing system is the ease of obtaining a precise range of micron/sub-micron fibers onto a desired, programmed location via automated process control. Here, the discussed self-assembled micron/sub-micron scale 3D structures have been employed to fabricate suspended structures to create micron/sub-micron fluidic devices and bioengineered scaffolds.

Here, we present a protocol to fabricate freely-suspended, micron/sub-micron scale polymer fibers and &#8220;web-like&#8221; structures generated via automated direct writing procedure by means of a 3-axis dispensing system.

Vorgeschriebene 3-D direkte Schreiben von Hänge Micron / Sub-Mikrometer-Maßstab Faserstrukturen über eine Robotic Dosiersystem

A 3-axis dispensing system is utilized to control the initiating and terminating fiber positions and trajectory via the dispensing software. The polymer ...

Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. This wetting phenomenon is important in many technical fields ranging from physiology to aerospace engineering. Currently, several different techniques exist for fabricating hemiwicking structures. These conventional methods, however, are often time consuming and are difficult to scale-up for large areas or are difficult to customize for specific, nonhomogeneous patterning geometries. The presented protocol provides researchers with a simple, scalable, and cost-effective method for fabricating micro-patterned hemiwicking surfaces. The method fabricates wicking structures through the use of stamp printing, polydimethylsiloxane (PDMS) molding, and thin-film surface coatings. The protocol is demonstrated for hemiwicking with ethanol on PDMS micropillar arrays coated with a 70 nm thick aluminum thin-film.

A simple protocol is provided for the fabrication of hemiwicking structures of varying sizes, shapes, and materials. The protocol uses a combination of physical stamping, PDMS molding, and thin-film surface modifications via common materials deposition techniques.

Skalierbare Stempeldruck und Fertigung von Hemiwicking Oberflächen

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. ...

Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications

Superhydrophobic materials, with surfaces possessing permanent or metastable non-wetted states, are of interest for a number of biomedical and industrial applications. Here we describe how electrospinning or electrospraying a polymer mixture containing a biodegradable, biocompatible aliphatic polyester (e.g., polycaprolactone and poly(lactide-co-glycolide)), as the major component, doped with a hydrophobic copolymer composed of the polyester and a stearate-modified poly(glycerol carbonate) affords a superhydrophobic biomaterial. The fabrication techniques of electrospinning or electrospraying provide the enhanced surface roughness and porosity on and within the fibers or the particles, respectively. The use of a low surface energy copolymer dopant that blends with the polyester and can be stably electrospun or electrosprayed affords these superhydrophobic materials. Important parameters such as fiber size, copolymer dopant composition and/or concentration, and their effects on wettability are discussed. This combination of polymer chemistry and process engineering affords a versatile approach to develop application-specific materials using scalable techniques, which are likely generalizable to a wider class of polymers for a variety of applications.

Two- and three-dimensional superhydrophobic polymeric materials are prepared by electrospinning or electrospraying biodegradable polymers blended with a lower surface energy polymer of similar composition.

Herstellung Superhydrophobe Polymere Materialien für biomedizinische Anwendungen

Superhydrophobic materials, with surfaces possessing permanent or metastable non-wetted states, are of interest for a number of biomedical and industrial ...

Electrospinning Fibrous Polymer Scaffolds for Tissue Engineering and Cell Culture

As the field of tissue engineering evolves, there is a tremendous demand to produce more suitable materials and processing techniques in order to address the requirements (e.g., mechanics and vascularity) of more intricate organs and tissues. Electrospinning is a popular technique to create fibrous scaffolds that mimic the architecture and size scale of the native extracellular matrix. These fibrous scaffolds are also useful as cell culture substrates since the fibers can be used to direct cellular behavior, including stem cell differentiation (see extensive reviews by Mauck et al. and Sill et al. for more information). In this article, we describe the general process of electrospinning polymers and as an example, electrospin a reactive hyaluronic acid capable of crosslinking with light exposure (see Ifkovits et al. for a review on photocrosslinkable materials). We also introduce further processing capabilities such as photopatterning and multi-polymer scaffold formation. Photopatterning can be used to create scaffolds with channels and multi-scale porosity to increase cellular infiltration and tissue distribution. Multi-polymer scaffolds are useful to better tune the properties (mechanics and degradation) of a scaffold, including tailored porosity for cellular infiltration. Furthermore, these techniques can be extended to include a wide array of polymers and reactive macromers to create complex scaffolds that provide the cues necessary for the development of successful tissue engineered constructs.

The process of electrospinning polymers for tissue engineering and cell culture is addressed in this article. Specifically, the electrospinning of photoreactive macromers with additional processing capabilities of photopatterning and multi-polymer electrospinning is described.

Elektrospinnen Faserige Polymer Gerüste für Tissue Engineering und Cell Culture

As the field of tissue engineering evolves, there is a tremendous demand to produce more suitable materials and processing techniques in order to address ...

Biologie

Expanding Nanopatterned Substrates Using Stitch Technique for Nanotopographical Modulation of Cell Behavior

Substrate nanotopography has been shown to be a potent modulator of cell phenotype and function. To dissect nanotopography modulation of cell behavior, a large area of nanopatterned substrate is desirable so that enough cells can be cultured on the nanotopography for subsequent biochemical and molecular biology analyses. However, current nanofabrication techniques have limitations to generate highly defined nanopatterns over a large area. Herein, we present a method to expand nanopatterned substrates from a small, highly defined nanopattern to a large area using stitch technique. The method combines multiple techniques, involving soft lithography to replicate poly(dimethylsiloxane) (PDMS) molds from a well-defined mold, stitch technique to assemble multiple PDMS molds to a single large mold, and nanoimprinting to generate a master mold on polystyrene (PS) substrates. With the PS master mold, we produce PDMS working substrates and demonstrate nanotopographical modulation of cell spreading. This method provides a simple, affordable yet versatile avenue to generate well-defined nanopatterns over large areas, and is potentially extended to create micro-/nanoscale devices with hybrid components.

A protocol for producing a large area of nanopatterned substrate from small nanopatterned molds for study of nanotopographical modulation of cell behavior is presented.

Der Ausbau nano Substraten Stichtechnik für Nanotopographical Modulation des Zellverhaltens

Substrate nanotopography has been shown to be a potent modulator of cell phenotype and function. To dissect nanotopography modulation of cell behavior, a ...

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(&#949;-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology with great potential for biomedical applications. The technique facilitates the direct deposition of biocompatible polymer fibers to fabricate well-ordered scaffolds in the sub-micron to micro scale range. The establishment of a stable, viscoelastic, polymer jet between a spinneret and a collector is achieved using an applied voltage and can be direct-written. A significant benefit of a typical porous scaffold is a high surface-to-volume ratio which provides increased effective adhesion sites for cell attachment and growth. Controlling the printing process by fine-tuning the system parameters enables high reproducibility in the quality of the printed scaffolds. It also provides a flexible manufacturing platform for users to tailor the morphological structures of the scaffolds to their specific requirements. For this purpose, we present a protocol to obtain different fiber diameters using melt electrospinning writing (MEW) with a guided amendment of the parameters, including flow rate, voltage and collection speed. Furthermore, we demonstrate how to optimize the jet, discuss often experienced technical challenges, explain troubleshooting techniques and showcase a wide range of printable scaffold architectures.

This protocol serves as a comprehensive guideline to fabricate scaffolds via electrospinning with polymer melts in a direct writing mode. We systematically outline the process and define the appropriate parameter settings for achieving targeted scaffold architectures.

Elektrospinnen Schreiben von dreidimensionalen Poly(ε-caprolactone) Gerüste mit steuerbaren Morphologien für Tissue Engineering Anwendungen zu schmelzen

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology ...

Vapor Phase Deposition of Electroactive Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) onto Electrospun Commodity Polymer Nanofibers

This study investigates the preparation of polyacrylonitrile (PAN) nanofibers through electrospinning to create highly porous and strong materials for applications in water purification, electrocatalysis, and biomedicine. The uniformly white PAN nanofiber mats were cut into 2 cm x 2 cm coupons to ensure consistency. After electrospinning, these nanofibers were coated with an electroactive polymer (EAP) using chemical vapor deposition, with iron (III) chloride (FeCl3) serving as an oxidant for polymerizing 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) into poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). The study examined the impact of different FeCl3 concentrations on PEDOT deposition on the PAN coupons. PEDOT deposition led to an increase in coupon weight. Scanning electron microscopy (SEM) revealed increases in the diameter of the nanofibers treated with increasing FeCl3 oxidant concentration, although higher FeCl3&#160;concentrations caused inter-fiber bridging, implying a concomitant decrease in inter-fiber spacing. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was used to confirm the presence of Fe, Cl, and S in the nanofibers, with sulfur content rising with FeCl3&#160;concentration used, suggesting increased PEDOT deposition efficiency with increasing oxidant concentration. Mechanical testing showed that PEDOT-coated PAN fibers had improved tensile strength and toughness in the hydrated state compared to pure PAN nanofibers. These results highlight the crucial role of FeCl3&#160;concentration in influencing the morphology and properties of PAN-PEDOT composites, enhancing their suitability for applications such as water purification, tissue engineering, biosensing, catalysis, and energy storage.

This paper describes a simple technique for coating electrospun PAN nanofibers with electroactive polymers using vapor deposition. The effects of the oxidant FeCl&#8323; on the deposition of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) coatings on PAN were investigated to understand and optimize polymer growth, fiber diameter, and overall mechanical strength of the nanofiber mats.

Dampfphasenabscheidung von elektroaktivem Poly(3,4-ethylendioxythiophen) auf elektrogesponnenen Polymer-Nanofasern

This study investigates the preparation of polyacrylonitrile (PAN) nanofibers through electrospinning to create highly porous and strong materials for ...