Técnica de imagen frugal del flujo capilar a través de polvos de impresión polimérica tridimensionales

Resumen

La técnica propuesta proporcionará un enfoque novedoso, eficiente, frugal y no invasivo para obtener imágenes del flujo fluídico a través de un lecho de polvo empaquetado, produciendo una alta resolución espacial y temporal.

Resumen

El desarrollo de nuevas técnicas de imagen de transporte molecular y coloidal, incluidas las nanopartículas, es un área de investigación activa en estudios microfluídicos y milifluídicos. Con el advenimiento de la impresión tridimensional (3D), ha surgido un nuevo dominio de materiales, lo que aumenta la demanda de nuevos polímeros. Específicamente, los polvos poliméricos, con tamaños de partícula promedio del orden de una micra, están experimentando un creciente interés de las comunidades académicas e industriales. El control de la sintonizabilidad del material en las escalas de longitud mesoscópica a microscópica crea oportunidades para desarrollar materiales innovadores, como los materiales de gradiente. Recientemente, la necesidad de polvos poliméricos de tamaño micrométrico ha ido creciendo, a medida que se desarrollan aplicaciones claras para el material. La impresión tridimensional proporciona un proceso de alto rendimiento con un vínculo directo con nuevas aplicaciones, impulsando investigaciones sobre las interacciones fisicoquímicas y de transporte en una mesoescala. El protocolo que se discute en este artículo proporciona una técnica no invasiva para obtener imágenes del flujo de fluidos en lechos de polvo empaquetados, proporcionando una alta resolución temporal y espacial al tiempo que aprovecha la tecnología móvil que está fácilmente disponible desde dispositivos móviles, como teléfonos inteligentes. Al utilizar un dispositivo móvil común, se eliminan los costos de imagen que normalmente se asociarían con un microscopio óptico, lo que resulta en un enfoque de ciencia frugal. El protocolo propuesto ha caracterizado con éxito una variedad de combinaciones de fluidos y polvos, creando una plataforma de diagnóstico para obtener imágenes rápidamente e identificar una combinación óptima de fluido y polvo.

Introducción

La inyección de aglutinante basada en inyección de tinta en medios en polvo representa una tecnología importante en la fabricación aditiva (impresión 3D). El proceso de inyección de aglutinante comienza con la deposición de fluidos funcionales en medios de polvo utilizando un proceso de impresión de inyección de tinta de escaneo. Específicamente, un cabezal de impresión de inyección de tinta se traduce sobre la superficie del polvo, depositando el agente aglutinante líquido sobre una superficie de polvo y, por lo tanto, formando una pieza sólida capa por capa¹. Las tecnologías de inyección de aglutinante basadas en inyección de tinta generalmente incluyen arena, polvos metálicos y polvos poliméricos. Sin embargo, para ampliar el espacio de los materiales en el chorro de aglutinante, se requiere un enfoque fundamental para investigar las interacciones fluido-polvo y polvo-polvo, la tribología, la densidad del empaquetamiento de polvo y la agregación de partículas. Específicamente, para las interacciones fluido-polvo, existe una necesidad crítica de la capacidad de obtener imágenes del flujo de fluido a través de lechos de polvo en tiempo real. Esto promete ser una herramienta poderosa para que los investigadores incluyan como técnica de caracterización y potencialmente como un método de detección para diferentes combinaciones de fluidos y polvos ^2,3,4, así como sistemas más complejos, como sistemas de impresión 3D de concreto que utilizan métodos de lecho de partículas.

El desarrollo de nuevas técnicas de imagen de transporte molecular y coloidal, incluidas las nanopartículas, es un área activa de investigación en estudios microfluídicos y milifluídicos. Sondear las interacciones intermoleculares mediante técnicas de imagen puede ser un desafío, ya que se ha hecho poco trabajo para sondear este tipo de interacciones en condiciones de flujo de fluido insaturado e inestable. Muchos de los estudios que se reportan en la literatura se han centrado en un medio saturado, prehumedecido y poroso, como la perla de vidrio 5,6,7,8,9,10,11,12 y los suelos 13,14,15,16,17,18 . Esta técnica proporciona un abordaje no invasivo, resultando en una alta resolución temporal y espacial 2,3,4,19. Además, la técnica desarrollada proporciona un método novedoso para caracterizar y cuantificar el transporte de partículas a nanoescala y micrométrica en una variedad de medios porosos, centrándose en polvos poliméricos.

La técnica propuesta utiliza un dispositivo móvil para registrar el transporte fluídico insaturado e inestable a través de medios poliméricos porosos con dimensiones de partículas que son representativas de los polvos utilizados en los sistemas de impresión 3D que utilizan tecnologías de fusión de lecho de polvo fluídico. Esta técnica es ventajosa ya que las células de flujo son rentables, reutilizables, pequeñas y fáciles de manejar, lo que ilustra los aspectos dominantes de la ciencia frugal. La capacidad de implementar estos experimentos simples en un estudio de campo es muy sencilla, eliminando las complicaciones, el costo y el tiempo que se requieren en la microscopía óptica. Dada la facilidad de creación de la configuración, el acceso a resultados rápidos y el número mínimo de requisitos de muestra, esta técnica es una plataforma óptima para la detección de diagnóstico.

Protocolo

1. Preparación de la célula de flujo microfluídico

NOTA: Para este protocolo, se utilizará una celda de flujo microfluídico comercial. Mediante el uso de un producto comercial que está diseñado para la penetración de luz desde un microscopio óptico, se minimizará cualquier desafío relacionado con la iluminación de campo claro de los medios.

1. Comience a preparar la celda de flujo microfluídico cubriendo la salida con parafilm para sellar un extremo del canal para que la celda de flujo vacía pueda llenarse con polvo polimérico. Antes de comenzar el experimento, confirme que el canal microfluídico está limpio y seco.
   1. Pegue la regla de papel métrico directamente debajo del canal de flujo.
   2. Pesar la celda de flujo microfluídico con el parafilm y la regla conectados. La masa de la celda de flujo es la masa de celda de flujo desempaquetada (m_u).

2. Empaquetar el polvo en el canal

1. Al empacar el polvo, use una pipeta de plástico para transferir el polvo. Tenga en cuenta que las partículas pueden adherirse al exterior de la punta de la pipeta, que es el resultado de la tribocarga.
   1. Mientras introduce el polvo en el canal, golpee la celda de flujo al menos cinco veces para compactar el polvo. Continúe empacando hasta que el polvo llegue al comienzo de la apertura del canal de flujo.
      NOTA: Al pulsar compacta el polvo dentro del canal con el objetivo de proporcionar una herramienta de diagnóstico reproducible. Para ciertas aplicaciones, este esfuerzo puede ser un nivel de compactación en polvo más alto, más bajo o equivalente que la compactación que se observa en la aplicación de interés. Si hay problemas con la reproducibilidad del roscado o con el polvo de empaque dentro de la aplicación, considere realizar ASTM D7481-18²⁰.
   2. Retire el polvo presente en la superficie exterior de la celda de flujo con una toallita empapada en alcohol.
      NOTA: Algunos tipos de partículas pueden ser hidrófobas, por lo que es posible que el agua no elimine bien las partículas.
2. Una vez que los polvos estén empacados, inspeccione visualmente la celda de flujo en busca de polvo poco empaquetado. Si el polvo dentro de la celda de flujo aparece suelto (Figura 1), golpee la celda de flujo cinco veces más. Si el empaquetamiento de polvo parece consistente y compacto, pesar la celda de flujo para medir la masa del polvo polimérico (m _p- m_u; ver Ecuación 1).
   1. Calcule la densidad de empaquetamiento a granel (ρ) utilizando la diferencia entre la masa de la celda de flujo desempaquetada (m_u) y la empaquetada (m_p) y dividiéndola por el volumen de la celda de flujo. El volumen de la celda de flujo se conoce entonces [longitud (l): 50 mm, ancho (w): 5 mm, profundidad del canal (h): 0,8 mm].
           Punto 1
   2. Confirme que la densidad de empaquetamiento está en el rango típico de 0.45 g/mL a 0.55 g/mL para polvos poliméricos 2,3,4,21. Deje las celdas de flujo en la campana extractora hasta que se completen los pasos 3 y 4.
      PRECAUCIÓN: Las partículas con un diámetro de menos de 10 μm pueden penetrar en los pulmones y potencialmente entrar en el torrente sanguíneo, lo que puede causar problemas de salud relacionados con los sistemas pulmonar y cardiovascular. Los polvos poliméricos que se utilizaron en este experimento tienen un diámetro de partícula de aproximadamente 50 μm. Por lo tanto, la inhalación de las partículas tiene menos potencial para causar problemas de salud, pero las partículas más pequeñas están presentes incluso en distribuciones estrechas de tamaño de partícula. Para el entorno más seguro, la preparación de las celdas de flujo debe hacerse en una campana extractora.

3. Preparación del disolvente

1. Prepare una solución al 75% en peso de etanol en agua. Tenga en cuenta que el solvente se denominará el fluido en el resto de este manuscrito.
   PRECAUCIÓN: Asegúrese de que el vaso de precipitados utilizado para preparar la solución esté libre de tensioactivos, ya que los tensioactivos afectarán los resultados.

4. Preparación de la mesa de luz blanca

1. Para evitar inundar el detector (cámara) con demasiada luz, cubra la mesa de luz con un material opaco, como una cubierta impresa en 3D en filamento negro de ácido poliláctico (PLA) (Figura complementaria 1). Asegúrese de que el material tenga una abertura del tamaño del microcanal (5 mm x 55 mm) para permitir que la luz ilumine el polvo.
   NOTA: Demasiada luz significa que la pantalla o el monitor de la cámara aparecerán blancos y el microcanal no será visible. Por lo tanto, el detector no podrá enfocar la lente en el microcanal.
2. Para asegurarse de que la cámara del dispositivo móvil pueda capturar el contraste entre el polvo húmedo y seco, utilice la mesa de luz a una intensidad de luz baja a media.
   NOTA: La alta intensidad de la luz es del 100%. Los otros dos ajustes son relativos a la alta intensidad de la luz; El ajuste para la intensidad de luz baja es de ~ 30% y la intensidad de luz media es de ~ 65%.
3. Alinee la cámara en el dispositivo móvil directamente encima de la mesa de luz. Confirme que la cámara es perpendicular a la parte superior de la mesa de luces (figura 2).
4. Oriente la cámara en el dispositivo móvil para que el eje largo del dispositivo móvil se alinee con el eje más largo de la celda de flujo.

5. Inicio del experimento

1. Coloque la celda de flujo en la mesa de luz y enfoque la cámara en el dispositivo móvil en el canal de flujo.
   NOTA: Para obtener resultados óptimos, un espacio de grabación más oscuro (iluminación cenital reducida) normalmente proporcionará una mejor resolución de imagen. Si no hay un espacio oscuro disponible, minimizar los cambios en la iluminación del techo (luces encendidas, apagadas o atenuadas) durante la grabación debería mejorar las señales gráficas y minimizar el ruido no deseado en el experimento.
2. Después de enfocar la cámara en el dispositivo móvil, seleccione el botón de grabación. Añadir 125 μL de líquido a la entrada abierta del microcanal con una pipeta.
3. Registre el flujo durante 2 minutos o hasta que todo el polvo esté visiblemente humedecido.

6. Análisis de los datos

1. Transfiera el archivo de video desde el dispositivo móvil a la computadora para facilitar el acceso. Tenga en cuenta que es posible que los videos de más de 2 minutos no se carguen en el software en este momento, ya que el tamaño del archivo puede ser excesivamente grande.
2. Descargue Tracker, un software gratuito del sitio web de Physlets²². Este software puede rastrear la posición, la velocidad y la aceleración en los siguientes archivos de video: .mov, .avi, .mp4, .flv, .wmv, etc. Para conocer los siguientes pasos, consulte Archivo complementario.
   NOTA: Para usuarios de Mac, instale la última versión del software para que el software funcione correctamente. Además, los usuarios de Mac pueden requerir un motor de video (Xuggle), archivos GIF animados (.gif) o secuencias de imágenes que consisten en una o más imágenes digitales (.jpg, .png o pegadas desde el portapapeles).
3. Una vez instalado el software, abra el software Tracker. En el menú Archivo , seleccione Abrir archivo para cargar el archivo de vídeo transferido desde el paso 6.1 en el escritorio del equipo.
4. Haga clic en el icono Configuración del clip , que se parece a la tira de película, para definir el fotograma inicial y el tamaño del paso.
   NOTA: Colocar el ratón sobre un icono identificará el icono.
   1. Defina el marco inicial. El marco inicial se define como el marco en el que se observa el primer contraste (el contraste entre el polvo húmedo y seco).
   2. Establezca el tamaño del paso. El tamaño del paso se refiere al tamaño del paso del marco, que el software analizaría. De experimentos anteriores, el tamaño de paso óptimo es 10.
5. Haga clic en la Herramienta de calibración, el icono con la regla azul, a la derecha del botón Configuración del clip . En Nuevo, seleccione Calibration Stick ( Calibración Stick).
6. Para acercar la regla del vídeo, haga clic con el botón derecho en el área para ampliar y seleccione Acercar en la lista. Una vez que se haya ampliado adecuadamente, defina el principio y el final de 1 mm en la regla pegada al microcanal, y escriba 1 mm para definir la distancia.
7. Haga clic en la herramienta Eje de coordenadas, que es el icono púrpura, a la derecha de la herramienta de calibración. Establezca el origen para los ejes x e y, utilizando el fotograma inicial mientras realiza este paso.
8. Para definir el punto inicial de análisis, cree una masa de puntos. Haga clic en Crear y, a continuación, seleccione Masa de puntos. Utilice Mayús + Control para cambiar el tamaño del rectángulo. El punto inicial es donde la entrada y el canal se conectan.
   NOTA: El rectángulo indica el dominio, definido por el usuario, que el software escaneará para encontrar el polvo húmedo y seco contrastante. El límite permite al usuario definir la región donde se observará el punto inicial.
   1. Haga clic en Buscar siguiente un par de veces para verificar que el software está analizando el área correcta. Si el software funciona correctamente, haga clic en Buscar y espere a que el software termine de analizar el video. Si el software no puede encontrar automáticamente una intensidad de imagen coincidente del fotograma anterior con el fotograma actual, el software se detendrá y esperará a que el usuario redefina el área de búsqueda.
      NOTA: Para la reproducibilidad y la capacidad de comparar diferentes resultados experimentales, elija el punto más rápido o más lento del frente de flujo fluídico (región de contraste entre el polvo húmedo y seco) para cada muestra.
   2. Si se observa un error de análisis en los datos trazados en vivo en el lado derecho de la pantalla del Rastreador, haga clic en el Punto de datos una vez en el paso anterior al punto de datos erróneo. En la pantalla principal, modifique la ubicación del área de búsqueda rectangular roja para buscar la región de interés y repita el paso 6.8.1.
      NOTA: Si existe un error, haga clic con el botón derecho en el punto de datos inexacto y anule la selección del punto para un análisis posterior.
9. Una vez completado el análisis, copia y pega los resultados en una hoja de cálculo. Los resultados guardados en la hoja de cálculo comprenden los datos de distancia y tiempo.
10. Trazar los datos copiados en la hoja de cálculo como la distancia de transporte de fluido a través del lecho de polvo en función del tiempo.

Resultados

En la sección sobre análisis de datos, los datos de las imágenes de lapso de tiempo en la Figura 3 ilustran la solución de etanol al 75% en peso que se infiltra en el polvo de policarbonato (PC). La fluoresceína se agregó a la solución para mejorar la calidad de imagen de esta publicación. En las imágenes de lapso de tiempo, el proceso de resolución temporal comienza cuando se agrega el líquido a la entrada. El tiempo, t, comienza tan pronto como el fluido comienza a pene...

Discusión

El protocolo que se proporciona depende en gran medida de las características materiales de las partículas que se eligen. Las propiedades del material que afectan el flujo incluyen la distribución del tamaño de partícula 2,3,4,5,11,21, la rugosidad de la superficie de las partículas 11, las propiedades químicas en la superficie de la partícula 2,3,4,5,11,16,21,23

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
µ-Slide I Luer	ibidi	80191	Microfluidic flow cell
Beaker	Southern Labware	BG1000-800	Glassware
CALIBRE 301-58 LT Natural Polycarbonate Resin	TRINSEO LLC	CALIBRETM 301-58 LT	Natural polycarbonate resin
Ethanol	Sigma Aldrich	1.00983	Solvent
Fume Hood	Kewaunee	Supreme Air LV Fume Hoods	Used with 92 FPM at 18" opening
iPhone 7 plus	Apple		Camera
Opaque 3D printed material			The CAD drawing is provided in the supplemental file
ORGASOL  2002 ES 6 NAT 3	ARKEMA	A12135	Polyamide powder
Pipet	VWR	10754-268	Disposable Transfer Pipet
Pipette	Globe Scientific Inc.	3301-200	Pipette that can hold 125 µL of fluid
Polystyrene	Advanced Laser Materials, LLC.	PS200	Polystyrene for sintering
Tracker			Video analysis and modeling tool
VariQuest 100 White Light Model 3-3700	FOTODYNE	3-3700	White light
Water			Distilled water