Proceso de fabricación microestructuras tridimensionales mediante vaporización de un componente de sacrificio

Resumen

La vaporización de un proceso de componentes de sacrificio (VASc) se utiliza para fabricar estructuras microvasculares. Este procedimiento utiliza fibras de ácido poli (láctico sacrificio) para formar micro-canales huecos con la posición geométrica en 3D precisa proporcionada por láser de placas de guía micromecanizadas.

Resumen

Estructuras vasculares en los sistemas naturales son capaces de proporcionar transporte de alta masa a través de las zonas elevadas de la superficie y la estructura optimizada. Pocas técnicas de fabricación de materiales sintéticos son capaces de imitar la complejidad de estas estructuras, mientras que el mantenimiento de escalabilidad. La vaporización de un proceso de componentes de sacrificio (VASc) es capaz de hacerlo. Este proceso utiliza fibras de sacrificio como una plantilla para formar micro-canales cilíndricos huecos, incrustados dentro de una matriz. Estaño (II) oxalato (snox) está incrustado dentro de poli (láctico) fibras de ácido (PLA) que facilita el uso de este proceso. El snox cataliza la despolimerización de las fibras de PLA a temperaturas más bajas. Los monómeros de ácido láctico son gaseosos a estas temperaturas y se pueden eliminar de la matriz incrustada a temperaturas que no dañen la matriz. Aquí se muestra un método para alinear estas fibras utilizando placas micromecanizadas y un dispositivo tensor para crear patrones complejos de tres dimensiones microcanales dispuestos.El proceso permite la exploración de virtualmente cualquier disposición de fibra de topologías y estructuras.

Introducción

Los sistemas naturales utilizan redes vasculares extensas para facilitar muchas funciones biológicas. Transporte masivo se puede lograr de manera eficiente en estos sistemas debido a elevada área superficial de relaciones de volumen y estructuras de embalaje optimizado. Mientras que muchas técnicas de fabricación sintéticos pueden producir estructuras microvasculares, ninguno puede producir microvasculatura a gran escala manteniendo al mismo tiempo la complejidad y la compatibilidad con los métodos de fabricación existentes ^1-5. Estructuras como los pulmones de las aves constituyen una fuente de inspiración. ¿Cómo elaborar estructuras de esta complejidad para mejorar el transporte de masas?

La vaporización de un componente de sacrificio (VASc) puede producir estructuras microvasculares a gran escala, complejos ^6-7. Este método utiliza la despolimerización térmica y la eliminación por evaporación de poli (láctico) fibras de ácido para formar canales huecos que son la inversa de la plantilla de la fibra. Esta es una técnica de sacrificio compatibles con la fabricación existentemétodos. Metro de largo patrones de microcanales, cilíndricos se pueden formar usando este proceso de fabricación. Esto puede ser usado para crear dispositivos vascularizados tales como polímeros de autocuración y unidades de captura de carbono microvasculares 3D ^7-10.

Las unidades de captura de carbono se inspiraron en el pulmón de las aves que proporciona una relación gas-cambio peso-eficiente debido a su uso durante el vuelo. El parabronchus se compone de microcanales hexagonal estampados, que proporciona tipos de cambio más elevados de la gasolina y las unidades de intercambio gaseoso estructuralmente estables. Con el fin de crear unidades de intercambio con características microescala alineados en tres dimensiones, se desarrolló un método de tensado de forma independiente utilizando un tablero de fibras de tensión de diseño personalizado con sintonizadores de la guitarra y las placas por láser micromecanizadas. Cada fibra se mantiene en su lugar por la tensión externa y el patrón está establecido por la colocación de los agujeros en la placa a través del cual las fibras se ejecutan.

Protocolo

1. Catalizar Fibras de sacrificio

1. Envolver la cantidad deseada de fibras de ácido poli (láctico) alrededor de la parte inferior de ¾ de husillo personalizado. Reducir la superposición de fibra para proporcionar la máxima área de superficie de exposición.
2. Mezclar _H2O desionizada con 40 ml de Disperbyk 130 en una botella cerrada y agitar hasta que se obtiene una solución homogénea. A continuación, coloque un vaso de precipitados de 1000 ml en un baño de agua a 37 ° C y se vierte en el vaso de precipitados de trifluoroetanol. La cantidad de H ₂ O y TFE utilizar depende del diámetro de las fibras PLA utilizado.

   Diámetro de fibra	Cantidad de H 2 O (ml)	Cantidad de TFE (ml)
   200	400	400
   300	360	440
   500	320	480

3. Añadir₂ O / H 187 Disperbyk solución al vaso de precipitados y mezclar hasta que sea uniforme.
4. Añadir 1 g de verde de malaquita a la mezcla y revuelva hasta que se disuelva.
5. Coloque el eje de encargo con fibras en el vaso de precipitados de ½ pulgadas desde la parte inferior y adjuntar el husillo a un mezclador digital. A continuación, iniciar el mezclador digital a 400 rpm.
6. Lentamente añadir 1,3 g de estaño (II) de oxalato de catalizador (snox) a la mezcla. La adición de snox debe ser gradual con el fin de evitar que las grandes aglomeraciones de material de estrellarse fuera de la solución.
7. Ajustar el pH en la mezcla con NaOH hasta que el pH es de ~ 6.8 a 7.2.
8. Asegure una tapa al vaso de precipitados y aumentar la rotación del husillo a 500 rpm durante 24 horas. Si se observa una aglomeración de snox, romper manualmente como máximo durante las primeras 2 horas.
9. Retire husillo y seca en el horno a 35 ° C durante la noche.
10. Separar y eliminar el exceso de catalizador de las fibras catalizadas PLA.

2. Microvascular Exchan Gasge Fabricación Unidad

1. Obtener un par de corte por láser de metal planchas de bronce de modelado con el patrón microvascular deseada y fijar las placas a los titulares de clip.
2. Cortar una longitud de 10 pulgadas de fibra catalizada por microcanales y eliminar cualquier catalizador restante con una placa más gruesa cortada al diámetro de la fibra (placa de tracción).
3. Taper los bordes de las fibras mediante el uso de la punta de una pistola de pegamento caliente lentamente a la extrusión de las puntas de las fibras.
4. Pase las fibras a través de los agujeros correspondientes en los pares de placas de modelado de bronce.
5. Atornille las placas sobre una caja de moldeo. Asegúrese de que las fibras no se tuercen cuando fije las placas.
6. Cuerda las puntas de las fibras a través del ajuste las clavijas de la placa de tensión personalizado.
7. La tensión de las fibras de PLA hasta tensa. Tenga cuidado de no sobre-tensión y romper las fibras.
8. Eliminar el exceso de partículas a partir del patrón de fibra utilizando aire comprimido.
9. Mezcla base de polidimetilsiloxano (PDMS) con un agente de curado en 10:01, v: v relación.
10. Desgasifica la mezcla en vacío en un frasco desecador durante 10 min.
11. Vierta la mezcla de PDMS en la caja de molde. No vierta directamente sobre las fibras con el fin de reducir el atrapamiento de burbujas de aire.
12. Usando una aguja de 26 G, eliminar las burbujas dentro de la caja de moldeo o entre las fibras.
13. Curar la mezcla de PDMS a 85 ° C durante 30 min.
14. Afloje las planchas de bronce de la caja del molde, teniendo cuidado de no doblar las placas o tire demasiado fuerte. Retire la 1 ^ª fase curado de la caja de molde.
15. Pase las fibras a través de un tapón terminal RTV perforando agujeros en el tapón terminal con una aguja hipodérmica. Dependiendo del tamaño de la fibra, utilizar una aguja de calibre que tiene al menos 2 veces el diámetro interior del diámetro exterior de la fibra. Mantener un patrón similar a la placa del patrón de bronce, pero más ampliamente extendido.
16. Fije las tapas finales de los extremos de una caja de molde grande y vierta una 2 ^ª etapa de PDMS.
17. Eliminar las burbujas de gas que quedan ycurado a 85 ° C durante 30 min.
18. Corte cualquier exceso de fibras PLA a partir de la muestra y colocar en un horno de vacío a 210 ° C durante 24 horas, o hasta que las fibras PLA han sido en su mayoría evacuados.
19. Si cualquier PLA no se puede extraer, disolver suavemente hacia fuera de los microcanales utilizando una inyección de 1 ml de cloroformo.

Resultados

Este procedimiento proporciona un método de fabricación de estructuras microvasculares incrustados dentro de una resina. Estas estructuras pueden ajustarse a una variedad de patrones (Figura 2). La estructura de la red microvascular sólo está limitada por las estructuras que se pueden formar con las fibras de sacrificio.

Con una disposición paralela de canales microvasculares, el transporte de gas entre corrientes de fluido se facilita en forma de gases atraviesan una m...

Discusión

La introducción del catalizador en el snox fibras de PLA permite que las fibras se despolimerizan a una temperatura inferior. Esto evita la degradación de la resina de la incrustación, en este caso PDMS. Se requiere un husillo de encargo para mezclar adecuadamente la solución de tratamiento (Figura 5A). El husillo se compone de seis barras de soporte que rodean un núcleo central que se conecta a un mezclador digital. Las fibras se envuelven alrededor de las varillas de soporte de modo que el área ...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Reagent
Tin (II) oxalate	Sigma-Aldrich	402761
Disperbyk 130	BYK Additives Instruments
Trifluoroethanol	Halocarbon
Malachite Green (technical grade)	Sigma-Aldrich	M6880
Sodium hydroxide (≥98%, pellets)	Sigma-Aldrich	S5881
Polydimethylsiloxane (PDMS)	Dow Corning	3097358-1004	Distributed from Ellsworth Adhesives
Poly(lactic) acid fibers	Teijin Monofilament
Material
RW 20 Digital Mixer	IKA	3593001
Desiccator Jar	Pyrex
Vacuum Oven	Fisher Scientific
Third Hand	Jameco Electronics	26690	Plate holder
Glue Gun	Stanley	GR20L
PLA Spindle			Custom made
Tensioning Board			Custom made