Los autores reconocen el apoyo financiero de FQRNT (Le Fonds Québécois de la Recherche sur la Nature et les Technologies). Los autores desean agradecer el apoyo de consultoría del Prof. Martin Levesque, Prof. Mi Ali El Khakani y el Dr. Brahim Aissa.

1. La fabricación de 3D microfluidos Redes <ol><li> Derretir la tinta fugitiva a 80 ° C y cargarlo en una jeringa de 3 ml. Nota: La tinta fugitivo es una mezcla binaria de una cera microcristalina y una vaselina con una proporción en peso de 40:60. </li><li> Elija una boquilla de deposición en función del diámetro del filamento deseado (por ejemplo, diámetro interno (ID) = 150 m). </li><li> Instalar la boquilla en el cuerpo de la jeringa que contiene el material de tinta y montarlo en el soporte de jeringa del robot de dispensación. </li><li> Utilice un programa Excel para el diseño de la trayectoria de movimiento del robot de dispensación para la fabricación de la estructura de andamio 3D deseada. Nota: Las dimensiones totales de la estructura 3D de tinta y el espaciamiento filamentos &#39;en una capa dada se pueden programar fácilmente, en este caso, las dimensiones son 60 mm de longitud, 7,5 mm de anchura, y 1,7 mm de espesor con 0,25 mm de espaciado horizontal entre cada filamento. </li><li&gt; Ajustar la presión de deposición en el regulador de presión y la velocidad de dispensación robot. Nota: El diámetro del filamento de tinta fugitivo varía dependiendo del diámetro de la boquilla, la presión de deposición, viscosidad de la tinta y la velocidad de dispensación. Aquí, el diámetro del filamento es de ~ 150 m para una velocidad de deposición de 4,7 mm / s a ​​una presión de extrusión de 1,9 MPa. </li><li> Comience la fabricación de la microscaffold con la deposición de los filamentos a base de tinta sobre un sustrato de epoxi, lo que conduce a un patrón 2D (Figura 2a). </li><li> Depósito de las capas posteriores incrementando sucesivamente la posición z de la boquilla dispensadora en una cantidad igual al diámetro de los filamentos (Figura 2b). Nota: las estructuras 3D autoportadores con otras geometrías y muchas capas (por ejemplo, un par de capas de cientos) se podrían construir. </li><li> Mezclar las dos partes de epoxi (es decir, la resina y el endurecedor) utilizados para la encapsulación y desgasificar la EPmezcla de oxi bajo vacío durante un tiempo definido (aquí, 0,15 bar durante 30 min) para eliminar las burbujas atrapadas durante la mezcla de los componentes epoxi. Nota: El tiempo de desgasificación puede variar con el tiempo de gelificación de la mezcla de epoxi. Para un sistema epoxi diferente, el tiempo de desgasificación requerido puede ser más corto o más largo. </li><li> Cargar la resina epoxi en un cilindro de jeringa de 3 ml usando un dispensador de fluido mediante la aplicación de una presión negativa y luego montar una boquilla fina (por ejemplo, ID = 0,51 mm) en el cilindro de la jeringa. </li><li> Lugar gotas de epoxi sobre la estructura de andamio inclinada en su extremo superior usando el mismo dispensador de fluido y la boquilla montado para reducir al mínimo el riesgo de atrapamiento de burbujas durante la encapsulación de epoxi. Nota: El epoxi fluye entonces en los espacios vacíos entre los filamentos, impulsados ​​por la gravedad y las fuerzas capilares. </li><li> Siga colocando gotas de epoxi sobre el andamio hasta que el espacio vacío entre los filamentos de andamios está completamente lleno. </li><li> Deje que la epo encapsularpreendurecimiento xy a temperatura ambiente durante 24 horas y luego poner la estructura en un horno durante el post-curado a 60 ° C (Figura 2c). Nota: Un programa de curado diferente puede ser aplicada por un sistema epoxi diferente. </li><li> Corte las partes sobrantes de epoxi con una sierra de precisión después de un curado completo. </li><li> Haga dos agujeros en los dos extremos de la estructura e inserte dos tubos de plástico. </li><li> Quite la tinta prófugo de la estructura de la siguiente manera: <ol><li> Poner las muestras en un horno a 90 ° C durante 30 min para la licuefacción de tinta (Figura 2d). </li><li> Poco después de tomar las muestras del horno, lavar la red de canales con la succión de agua destilada caliente a través de los tubos conectados a los canales abiertos durante 5 min seguido por hexano durante otros 5 min. Nota: La eliminación de la tinta produce una red de microfluidos 3D interconectado (Figura 5). -Limpieza Mensaje de las redes utilizando hexano se lleva a cabo con el fin de eliminar la positrazas residuales ble de la tinta desde las paredes del canal. </li></ol></li></ol> 2. Preparación Nanocompuesto Nota: Los nanocompuestos se preparan mezclando un doble curado de la resina (curable por radiación ultravioleta / calor) termoendurecible, ya sea una resina epoxi o una resina a base de uretano y nanocargas (aquí, los nanotubos de carbono de pared única) a diferentes cargas. <ol><li> Añadir la cantidad deseada de nanotubos a una solución de 0,1 mM de un agente tensioactivo (de zinc protoporfirina IX) ya sea en acetona o diclorometano 14 (Figura 6). Nota: Aquí, se añadió 150 mg de nanotubos de carbono a la solución (~ 50 ml) con el fin de preparar un material nanocompuesto con una concentración de nanotubos final de 0,5% en peso. Se debe también mencionar que el uso de disolventes de alta temperatura de ebullición como DMF debe evitarse debido a la posible el endurecimiento térmico de la radiación UV-epoxi utilizado en este estudio a temperaturas superiores a 60 ° C durante la evaporación del disolvente. </li><li> Sonicar el dospension en un baño de ultrasonidos durante 30 min a debundle los agregados de nanotubos (Figura 6). Nota: se deben hacer esfuerzos adicionales, tales como filtración o ultracentrifugación de la solución de nanotubos para quitar los grandes conglomerados restantes antes de la mezcla con la resina. </li><li> Mezclar la resina (ya sea epoxi o uretano) con la suspensión de nanotubos sobre una placa de agitación magnética caliente a una temperatura ligeramente por debajo de la temperatura de ebullición del disolvente (por ejemplo, 50 ° C para la solución de acetona) durante 4 horas. </li><li> Coloque la mezcla nanocompuesto en el baño de ultrasonidos y, simultáneamente, aplicar la sonicación y calentamiento (40-50 º C) durante 1 hora (Figura 6). </li><li> Dejar evaporar el disolvente residual calentando el nanocompuesto a 30 ° C durante 12 horas y después a 50 º C durante 24 horas al vacío (~ 0,1 bar). </li><li> Cizallamiento mezclar los materiales nanocompuestos pasándolos a través de un pequeño hueco entre los rodillos en un mezclador de molino de tres rodillos en order para romper los grandes agregados de nanotubos (Figura 6). Mantenga una porción de nanocompuesto antes de la mezcla para la comparación de referencia de tres eventos. </li><li> Establezca los parámetros de mezcla de tres cilindros (es decir, las lagunas y la velocidad de rotación). Nota: Aquí, una velocidad constante de 250 rpm se utiliza para el rodillo de delantal. Sin embargo, las brechas entre los rodillos se reducen en el procesamiento de los tres pasos de la siguiente manera: 5 pasa a 25 micras, 5 pases a las 10 micras y 10 pasadas a 5 micras, respectivamente. </li><li> Desgasificar la mezcla final al vacío de ~ 0,1 bar durante 24 horas utilizando un secador para eliminar las burbujas de aire atrapadas durante la mezcla. </li></ol> 3. Nanocompuesto infiltración (inyección) <ol><li> Cargue los nanocompuestos, preparados en el apartado 2, en un tubo de la jeringa de 3 ml usando el dispensador de fluido mediante la aplicación de una presión negativa. </li><li> Inserte una boquilla fina (por ejemplo, ID = 0,51 mm) que encaja en los tubos de plástico unidos a los canales abiertos (los mismos tubos utilizadospara la eliminación de la tinta) y montarlo en el cuerpo de la jeringa que contiene los materiales nanocompuestos. </li><li> Ajuste la presión deseada (es decir, la presión positiva) en el dispensador de la presión. Nota: Aquí, la presión de inyección nanocompuesto se fija en 400 kPa. Nota: Un vacío (es decir, presión negativa) se podría aplicar al otro extremo (es decir, lado de salida) para ayudar al llenado de la red. Una vez que se aplica la presión, la red de microfluidos, construido en el Protocolo 1, se llena con suspensión de nanocompuesto, que entra en la red a través de los tubos de plástico. </li><li> Poco después de la inyección, exponer las vigas mixtas nanocompuestos-llenado para iluminación UV de una lámpara UV durante 30 minutos para precurado. Nota: Se cree que esta operación de precurado para reducir el efecto del movimiento browniano sobre la posible orientación de los nanotubos de carbono. También reduce la contracción inducida por calor (Figura 7) </li><li> Post-curar las vigas fabricadas en el hornoa, en el caso de los rayos UV-epoxi, 80 ° C durante 1 hora seguido de 130 ° C durante otra 1 h (Figura 7). </li><li> Cortar las partes exceso de epoxi con una sierra y luego pulir las vigas a las dimensiones deseadas (en este caso, ~ 60 mm de longitud, ~ 6,8 mm de ancho, y ~ 1,6 mm de espesor de las vigas se fabrican para la facilidad de caracterización mecánica). </li></ol>

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No hay conflictos de interés declarado.

El procedimiento experimental que se presenta aquí es un método nuevo y flexible de fabricación con el fin de adaptar el rendimiento mecánico de los materiales basados ​​en polímeros para el diseño de materiales. Usando este método, las propiedades deseadas podrían alcanzarse sobre la base de la elección adecuada de los componentes (es decir, materiales infiltrados y de la matriz principal), así como la ingeniería de las estructuras de materiales compuestos. En primer lugar, la técnica permite la fabricación de un solo material, compuesto de diferentes polímeros termoendurecibles, que representa una característica dependiente de la temperatura única que es diferente de las de los componentes graneles a 15. Otra ventaja de la presente técnica sobre otras técnicas de fabricación nanocompuesto por el cual las nanocargas se distribuyen de manera uniforme a través de toda la matriz es la capacidad de colocar espacialmente los refuerzos en los puntos deseados en estas vigas compuestas 3D-reforzada. Debido a esta capacidad de posicionamiento, una menor cantidad de nano posiblemente carose necesita relleno para obtener un 13 específica rendimiento mecánico. Puesto que el patrón de refuerzo obedece la escritura directa original del andamio de tinta, el espaciamiento de los filamentos &#39;en una capa dada se limita a aproximadamente diez veces el diámetro de los filamentos de tinta debido a las propiedades viscoelásticas de la tinta fugitivo. Por otra parte, una pequeña separación puede limitar el flujo de epoxi líquida durante la etapa de encapsulación de epoxi. Por otra parte, el diámetro del filamento de tinta debe ser lo suficientemente grande (por ejemplo por encima de 50 micras) para facilidad de fabricación (por ejemplo, extrusión de alta tinta viscosa) y etapas de fabricación posteriores tales como infiltración de nanocompuesto en las redes de microfluidos. Otro potencial del presente método puede ser la capacidad de alinear los nanotubos de carbono individuales u otras nanocargas en la dirección del flujo bajo flujo de cizallamiento 16 por la infiltración nanocompuesto a velocidades más altas / presiones, si las nanocargas son así-Dispersado en durante el proceso de nanocompuesto de mezcla. Sin embargo, un alto grado de alineación sólo podría lograrse a presiones muy altas de infiltración (debido al pequeño diámetro de canal), que pueden causar el atrapamiento de aire en la red durante la infiltración. Imágenes ópticas de representación en la figura 6 se muestran los nanocompuestos preparados por el procedimiento de mezcla se presenta en el Protocolo 2 (dos imágenes en la parte inferior de la figura). Las manchas oscuras observadas se cree que son los agregados de nanotubos. Para el nanocompuesto a ultrasonidos, los agregados de tamaño micrométrico con un diámetro de hasta ~ 7 micras están presentes, mientras que se observa un cambio drástico del tamaño de los agregados (con un promedio de ~ 1 m) para el material nanocompuesto de cizallamiento mixto. Puesto que la dispersión nanorelleno afecta a las propiedades mecánicas y eléctricas de las vigas de nanocompuestos 3D fabricados, una dispersión mejorada se debe lograr para tomar la ventaja completa de posicionamiento 3D de NaNofillers utilizando la técnica de fabricación actual. Por lo tanto, se necesita un estudio adicional para investigar sistemáticamente los estados de dispersión de los nanotubos y el uso de otras nanocargas, que pueden ser más fácilmente dispersadas en la matriz epoxi. La técnica de fabricación actual podría permitir el diseño de productos en 3D nanocompuestos funcionales para aplicaciones microingeniería 17. La técnica no se limita a los materiales utilizados en este estudio. Por lo tanto, la aplicación de esta técnica podría ser prorrogado por la utilización de otros materiales termoestables y nanocargas. Entre las diversas aplicaciones, monitoreo de salud estructural, productos de absorción de vibraciones y la microelectrónica puede mencionar.

Nanocompuestos poliméricos utilizando nanomateriales, especialmente los nanotubos de carbono (CNT) incorporados en matrices poliméricas tienen propiedades multifuncionales 1 para aplicaciones potenciales, tales como compuestos estructurales 2, 3 sistemas microelectromecánicos (por ejemplo, microsensores) y polímeros inteligentes 4. Varios pasos de procesamiento que incluyen el tratamiento CNT y nanocompuesto métodos de mezcla pueden ser obligados a deseablemente dispersar los nanotubos de carbono en la matriz. Dado que la relación de aspecto de los nanotubos de carbono &#39;, su tratamiento y estado de la superficie de dispersión influye principalmente el rendimiento eléctrico y mecánico, el régimen de nanocompuesto puede variar dependiendo de las propiedades deseadas para una aplicación específica 5. Por otra parte, para condiciones de carga específicas, la alineación de los nanotubos de carbono a lo largo de una dirección deseada y también la colocación de los refuerzos en los puntos deseados permitir una mejora adicional de las propiedades mecánicas y / o eléctricas de estos NAnocomposites. Algunas técnicas, tales como flujo de cizallamiento 6-7 y campos electromagnéticos 8 se han utilizado para alinear los nanotubos de carbono a lo largo de una dirección deseada en una matriz de polímero. Por otra parte, la orientación CNT inducida por restricción dimensional, específicamente en una sola dimensión (1D) y de dos dimensiones (2D), se ha observado durante el procesamiento / la formación de materiales nanocompuestos 9-11. Sin embargo, todavía se necesitan nuevos avances en los procesos de fabricación para permitir un control suficiente de la orientación en tres dimensiones (3D) y / o el posicionamiento de la armadura de nanotubos durante la fabricación de un producto para las condiciones óptimas. En este trabajo, se presenta un protocolo para la fabricación de vigas mixtas 3D reforzado a través de la infiltración dirigida y localizada de una red de microfluidos 3D con suspensiones de nanocompuestos de polímero (Figura 1). En primer lugar, la fabricación de un 3d interconectado microfluidosde red se demuestra, que implica la fabricación de escritura directa de los filamentos de tinta fugitivas 12-13 sobre sustratos epoxi (figuras 2a y 2b), seguido de la encapsulación de epoxi (Figura 2c) y la eliminación de la tinta de sacrificio (Figura 2d). El método de escritura directa consta de un robot controlado por ordenador que se mueve un dispensador de fluido a lo largo de la x, y, y z ejes (Figura 3). Esta técnica proporciona una manera rápida y flexible para la fabricación de microdispositivos 3D para fotónicos, MEMS y aplicaciones de la biotecnología (Figura 4). Entonces, la preparación de nanocompuestos se demuestra, junto con su infiltración (o inyección) en la red porosa bajo diferentes presiones controladas y constantes para la fabricación de materiales compuestos reforzados multiescala-3D (figuras 2e y 2f). Por último, se muestran algunos resultados representativos, junto con sus posibles aplicaciones.

<table><tbody><tr><td>Dispensing Robot</td><td>I &amp;amp; J Fisnar</td><td>I &amp;amp; J2200-4</td><td></td></tr><tr><td>Robot software</td><td>I &amp;amp; J Fisnar</td><td></td><td>JR-Point Dispensing</td></tr><tr><td>Syringe Barrel</td><td>Nordson EFD Inc.</td><td>7012072</td><td>3 ml</td></tr><tr><td>Dispensing Nozzle</td><td>Nordson EFD Inc.</td><td>7018225</td><td>Stainless Steel Tip&amp;nbsp;&amp;nbsp; (ID: 0.51 mm)</td></tr><tr><td>Dispensing Nozzle</td><td>Nordson EFD Inc.</td><td>7018424</td><td>Stainless Steel Tip&amp;nbsp;&amp;nbsp; (ID: 0.15 mm)</td></tr><tr><td>Fluid Dispenser</td><td>Nordson EFD Inc.</td><td>HP-7X</td><td></td></tr><tr><td>Fluid Dispenser</td><td>Nordson EFD Inc.</td><td>800</td><td></td></tr><tr><td>Live camera</td><td>MediaCybernetics</td><td>QI, Cool, Color</td><td>12 Bit, Qimaging</td></tr><tr><td>Live Camera Software</td><td>Image-Pro Plus</td><td></td><td>Version 6</td></tr><tr><td>Precision Saw</td><td>Buehler (IsoMet)</td><td>622-ISF-03604</td><td>Low-Speed Saw</td></tr><tr><td>Flexible plastic tube</td><td>Saint-Gobain PRL Corp.</td><td>Tygon 177936</td><td></td></tr><tr><td>Stirring hot plate</td><td>Barnstead International</td><td>SP131825</td><td></td></tr><tr><td>Vacuumed-oven</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-05053-10</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasonic cleaner</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-08891-11</td><td></td></tr><tr><td>Three-roll mill mixer</td><td>Exakt Technologies</td><td>Exakt 80E</td><td></td></tr><tr><td>Dynamic Mechanical Analyzer</td><td>TA Instruments</td><td>DMA Q800</td><td></td></tr><tr><td>UV-lamp</td><td>Cole Parmer</td><td>RK-97600-00</td><td>Intensity of 21 mW/cm&amp;sup2;</td></tr></tbody></table>

manufacturing of three-dimensionally microstructured nanocomposites through microfluidic infiltration

Vigas mixtas microestructuradas reforzados con el complejo en tres dimensiones (3D) microfilamentos nanocompuestos estampados se fabrican a través de la infiltración de nanocompuestos de 3D interconectar redes de microfluidos. La fabricación de las vigas reforzadas comienza con la fabricación de redes de microfluidos, que implica la deposición capa por capa de filamentos de tinta fugitivas utilizando un robot de dispensación, llenando el espacio vacío entre los filamentos usando una resina de baja viscosidad, el curado de la resina y finalmente la eliminación de la de tinta. Estructuras 3D autoportadores con otras geometrías y muchas capas (por ejemplo, un par de capas de cientos) se podrían construir con este método. Las redes de microfluidos tubulares resultantes se infiltran con suspensiones nanocompuestos termoestables que contienen nanocargas (por ejemplo, los nanotubos de carbono de pared simple), y posteriormente se curan. La infiltración se realiza mediante la aplicación de un gradiente de presión entre dos extremos del vacío NR ED (ya sea mediante la aplicación de un vacío o microinyección asistido por vacío). Antes de la infiltración, las suspensiones de nanocompuestos se preparan por dispersión de nanocargas en matrices de polímero utilizando ultrasonidos y de tres rodillos métodos de mezcla. Los nanocompuestos (es decir, materiales infiltrados) se solidifica entonces bajo cura la exposición UV / calor, dando como resultado una estructura de material compuesto reforzado con 3D. La técnica presentada aquí permite el diseño de nanocompuestos productos macroscópicos funcionales para aplicaciones microingeniería tales como actuadores y sensores.

Las figuras 8a y 8b muestran una imagen representativa de vigas fabricados y una imagen óptica de su sección transversal, que consta de nueve capas de los filamentos de nanocompuestos. Figuras 8c y 8d muestran imágenes típicas de SEM de una superficie de fractura fabricado vigas y una imagen de mayor aumento de los canales llenos (es decir, microfibras nanocompuestos incrustados), respectivamente. Dado que no la desunión se ve en la pared canales, es justo decir que el epoxi circundante y los materiales infiltrados están bien adheridos, como resultado de una limpieza adecuada de los canales con hexano después de la eliminación de la tinta. La Figura 9 muestra una imagen óptica representante de un haz roto durante el ensayo mecánico en el que hexano no se utiliza durante la eliminación de la tinta. Pérdida de adherencia de la fibra, como se observa un resultado de una mala interfaz mecánica que podría ser debido arastros de tinta fugitivos permanecieron después de la limpieza de la red. La figura 10 muestra el módulo de almacenamiento, E &#39;, de las muestras moldeadas epoxi mayor (como puntos de referencia) y las vigas de 3D-reforzada. Los resultados muestran tendencias únicas para las vigas fabricadas que son la combinación de la incrustado y materiales epoxi circundantes con propiedades superiores con la presencia de sólo ~ 0,18 en peso. % CNT. La figura 11 muestra los tres puntos de flexión resultados de las pruebas de las vigas mixtas fabricados utilizando un DMA. Como resultado de posicionamiento CNT, el módulo de flexión de la 3D reforzado vigas mostraron un aumento del 34% en comparación con el puro epoxi infiltrado (todo epoxi) vigas. <img alt="Figura 1" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig1highres.jpg" width="500" /> Figura 1. Representación esquemática de un 3D-Rnanocompuesto einforced fabricado por el enfoque microinfiltración. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig1highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver la imagen más grande.</a> <img alt="Figura 2" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig2highres.jpg" width="500" /> Figura 2. Representación esquemática de la fabricación de vigas reforzadas-3D. (A) de filamento de tinta deposición directa usando un robot de dispensación, (b) deposición de varias capas en la parte superior de cada otra mediante el incremento de la boquilla de distribución en la dirección z, (C ) Llenar el espacio poroso entre los filamentos utilizando una resina de baja viscosidad, (d) Integración de la tinta fuera de la red por su licuefacción, lo que resulta en la fabricación de canales de microfluidos. (E) Llenar el vacío con la redla suspensión nanocompuesto seguido de curado, y (f) Corte las partes sobrantes epoxi. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig2highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver la imagen más grande.</a> <img alt="Figura 3" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig3highres.jpg" width="500" /> Figura 3. Una foto de la etapa de deposición robótica que consiste en un robot controlado por ordenador, un aparato de distribución, y una cámara en vivo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig3highres.jpg" target="_blank">Haz clic aquí para ver la imagen más grande.</a> <img alt="Figura 4" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig4highres.jpg" width="500" /> Figura 4. Algunas imágenes de microestructuras fabricadas por la escritura directa assemblea. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig4highres.jpg" target="_blank">Haz clic aquí para ver la imagen más grande.</a> <img alt="La figura 5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig5highres.jpg" width="500" /> Figura 5. Una vista isométrica y una imagen SEM de la red vacía de microfluidos conectado con 3D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig5highres.jpg" target="_blank">Haz click aquí para ver la imagen más grande.</a> <img alt="La figura 6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig6highres.jpg" width="500" /> Figura 6. Nanocompuestos de mezcla estrategias incluyendo nanotubos de funcionalización no covalente, ultrasonicación, y / o de tres rodillos de mezcla molino que conducen a nanotubos dispersiones con diferentes calidades (imágenes ópticas de las películas de nanocompuestos). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig6highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver la imagen más grande.</a> <img alt="La figura 7" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig7highres.jpg" width="500" /> Figura 7. Nanocompuesto curado bajo iluminación UV de una lámpara UV seguido de post-curado en el horno. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig7highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver la imagen más grande.</a> <img alt="Figura 8" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig8highres.jpg" width="500" /> Figura 8. (A) Me sometric imagen de un haz reforzado con 3D, (b) la sección transversal típica de un haz de nanocompuesto-inyectada, (c) Una imagen de SEM de la fractura superficial del haz, y ( <stron<html> g&gt; d) Una vista de cerca de (c). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig8highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver la imagen más grande.</a> <img alt="Figura 9" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig9highres.jpg" width="500" /> Figura 9. Imagen de la superficie de fractura de una viga nanocompuesto infiltrado poliuretano. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig9highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver la imagen más grande.</a> <img alt="Figura 10" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig10highres.jpg" width="500" /> Figura 10 propiedades mecánicas. Dependientes de la temperatura (módulo de almacenamiento) de los epoxis a granel y las vigas fabricadas utilizando un analizador mecánico dinámico./ Www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig10highres.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Haga clic aquí para ver la imagen más grande. <img alt="Figura 11" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51512/51512fig11highres.jpg" width="500" /> Figura 11. Propiedades cuasiestáticos mecánicas (flexión) de las resinas epoxi, a granel y las vigas prefabricadas (ensayo de flexión de tres puntos). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51512/51512fig11highres.jpg" target="_blank">Haz click aquí para ver la imagen más grande.</a>

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Manufacturing of Three-dimensionally Microstructured Nanocomposites through Microfluidic Infiltration

Vigas mixtas microestructuradas (3D) en tres dimensiones se fabrican a través de la infiltración dirigida y localizada de nanocompuestos en redes de microfluidos porosas 3D. La flexibilidad de este método de fabricación permite la utilización de diferentes materiales termoendurecibles y nanocargas con el fin de lograr una variedad de 3D funcional nanocompuestos productos macroscópicas reforzados.

Fabricación de tridimensionalmente Microestructurados nanocompuestos mediante Microfluidic Infiltración

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite ...

manufacturing-three-dimensionally-microstructured-nanocomposites

Research

JoVE Journal

Chemistry

12.3K vistas.  École Polytechnique de Montréal.  Vigas mixtas microestructuradas (3D) en tres dimensiones se fabrican a través de la infiltración dirigida y localizada de nanocompuestos en redes de microfluidos porosas 3D. La flexibilidad de este método de fabricación permite la utilización de diferentes materiales termoendurecibles y nanocargas con el fin de lograr una variedad de 3D funcional nanocompuestos productos macroscópicas reforzados. 

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Fabrication, Densification, and Replica Molding of 3D Carbon Nanotube Microstructures

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip devices, and their applications. In particular, capabilities for cost-effective fabrication of polymer microstructures were transformed by the advent of soft lithography and other micromolding techniques 1, 2, and this led a revolution in applications of microfabrication to biomedical engineering and biology. Nevertheless, it remains challenging to fabricate microstructures with well-defined nanoscale surface textures, and to fabricate arbitrary 3D shapes at the micro-scale. Robustness of master molds and maintenance of shape integrity is especially important to achieve high fidelity replication of complex structures and preserving their nanoscale surface texture. The combination of hierarchical textures, and heterogeneous shapes, is a profound challenge to existing microfabrication methods that largely rely upon top-down etching using fixed mask templates. On the other hand, the bottom-up synthesis of nanostructures such as nanotubes and nanowires can offer new capabilities to microfabrication, in particular by taking advantage of the collective self-organization of nanostructures, and local control of their growth behavior with respect to microfabricated patterns. 
Our goal is to introduce vertically aligned carbon nanotubes (CNTs), which we refer to as CNT "forests", as a new microfabrication material. We present details of a suite of related methods recently developed by our group: fabrication of CNT forest microstructures by thermal CVD from lithographically patterned catalyst thin films; self-directed elastocapillary densification of CNT microstructures; and replica molding of polymer microstructures using CNT composite master molds. In particular, our work shows that self-directed capillary densification ("capillary forming"), which is performed by condensation of a solvent onto the substrate with CNT microstructures, significantly increases the packing density of CNTs. This process enables directed transformation of vertical CNT microstructures into straight, inclined, and twisted shapes, which have robust mechanical properties exceeding those of typical microfabrication polymers. This in turn enables formation of nanocomposite CNT master molds by capillary-driven infiltration of polymers. The replica structures exhibit the anisotropic nanoscale texture of the aligned CNTs, and can have walls with sub-micron thickness and aspect ratios exceeding 50:1. Integration of CNT microstructures in fabrication offers further opportunity to exploit the electrical and thermal properties of CNTs, and diverse capabilities for chemical and biochemical functionalization 3.

We present methods for fabrication of patterned microstructures of vertically aligned carbon nanotubes (CNTs), and their use as master molds for production of polymer microstructures with organized nanoscale surface texture. The CNT forests are densified by condensation of solvent onto the substrate, which significantly increases their packing density and enables self-directed formation of 3D shapes.

Fabricación, densificación, y la réplica de Moldeo por inyección de microestructuras 3D nanotubos de carbono

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip ...

Investigación

Ingeniería

Process of Making Three-dimensional Microstructures using Vaporization of a Sacrificial Component

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material fabrication techniques are able to mimic the complexity of these structures while maintaining scalability. The Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) process is able to do so. This process uses sacrificial fibers as a template to form hollow, cylindrical microchannels embedded within a matrix. Tin (II) oxalate (SnOx) is embedded within poly(lactic) acid (PLA) fibers which facilitates the use of this process. The SnOx catalyzes the depolymerization of the PLA fibers at lower temperatures. The lactic acid monomers are gaseous at these temperatures and can be removed from the embedded matrix at temperatures that do not damage the matrix. Here we show a method for aligning these fibers using micromachined plates and a tensioning device to create complex patterns of three-dimensionally arrayed microchannels. The process allows the exploration of virtually any arrangement of fiber topologies and structures.

The Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) process is used to fabricate microvascular structures. This procedure uses sacrificial poly(lactic) acid fibers to form hollow microchannels with precise 3D geometric positioning provided by laser micromachined guide plates.

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

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material ...

Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

Transfer printing is a method to transfer solid micro/nanoscale materials (herein called &#8216;inks&#8217;) from a substrate where they are generated to a different substrate by utilizing elastomeric stamps. Transfer printing enables the integration of heterogeneous materials to fabricate unexampled structures or functional systems that are found in recent advanced devices such as flexible and stretchable solar cells and LED arrays. While transfer printing exhibits unique features in material assembly capability, the use of adhesive layers or the surface modification such as deposition of self-assembled monolayer (SAM) on substrates for enhancing printing processes hinders its wide adaptation in microassembly of microelectromechanical system (MEMS) structures and devices. To overcome this shortcoming, we developed an advanced mode of transfer printing which deterministically assembles individual microscale objects solely through controlling surface contact area without any surface alteration. The absence of an adhesive layer or other modification and the subsequent material bonding processes ensure not only mechanical bonding, but also thermal and electrical connection between assembled materials, which further opens various applications in adaptation in building unusual MEMS devices.

This paper introduces a 3D additive micromanufacturing strategy (termed &#8216;micro-masonry&#8217;) for the flexible fabrication of microelectromechanical system (MEMS) structures and devices. This approach involves transfer printing-based assembly of micro/nanoscale materials in conjunction with rapid thermal annealing-enabled material bonding techniques.

Micro-mampostería para 3D Aditivo Microfabricación

Transfer printing is a method to transfer solid micro/nanoscale materials (herein called &#8216;inks&#8217;) from a substrate where they are generated to ...

Fabrication of the Thermoplastic Microfluidic Channels

In our lab, we have successfully isolated nucleic acids directly from microliter and submicroliter volumes of human blood, urine and stool using polymer/nanoparticle composite microscale lysis and solid phase extraction columns. The recovered samples are concentrated, small volume samples that are PCRable, without any additional cleanup. Here, we demonstrate how to fabricate thermoplastic microfluidic chips using hot embossing and heat sealing. Then, we demonstrate how to use in situ light directed surface grafting and polymerization through the sealed chip to form the composite solid phase columns. We demonstrate grafting and polymerization of a carbon nanotube/polymer composite column for bacterial cell lysis. We then show the lysis process followed by solid phase extraction of nucleic acids from the sample on chip using a silica/polymer composite column. The attached protocols contain detailed instructions on how to make both lysis and solid phase extraction columns.

Here we demonstrate how to fabricate thermoplastic microfluidic chips using hot embossing and heat sealing. Then we demonstrate how to use in situ light directed surface grafting and polymerization through the sealed chip to form the composite solid phase columns.

Fabricación de los canales de microfluidos termoplástico

In our lab, we have successfully isolated nucleic acids directly from microliter and submicroliter volumes of human blood, urine and stool using ...

Biología

Microfabrication of Chip-sized Scaffolds for Three-dimensional Cell cultivation

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell cultivation. These technologies offer a wide spectrum of advantages not only for manufacturing but also for different applications. The size and shape of formed cell clusters can be influenced by the exact and reproducible architecture of the microfabricated scaffold and, therefore, the diffusion path length of nutrients and gases can be controlled.1 This is unquestionably a useful tool to prevent apoptosis and necrosis of cells due to an insufficient nutrient and gas supply or removal of cellular metabolites.
Our polymer chip, called CellChip, has the outer dimensions of 2 x 2 cm with a central microstructured area. This area is subdivided into an array of up to 1156 microcontainers with a typical dimension of 300 m edge length for the cubic design (cp- or cf-chip) or of 300 m diameter and depth for the round design (r-chip).2
So far, hot embossing or micro injection moulding (in combination with subsequent laborious machining of the parts) was used for the fabrication of the microstructured chips. Basically, micro injection moulding is one of the only polymer based replication techniques that, up to now, is capable for mass production of polymer microstructures.3 However, both techniques have certain unwanted limitations due to the processing of a viscous polymer melt with the generation of very thin walls or integrated through holes. In case of the CellChip, thin bottom layers are necessary to perforate the polymer and provide small pores of defined size to supply cells with culture medium e.g. by microfluidic perfusion of the containers.
In order to overcome these limitations and to reduce the manufacturing costs we have developed a new microtechnical approach on the basis of a down-scaled thermoforming process. For the manufacturing of highly porous and thin walled polymer chips, we use a combination of heavy ion irradiation, microthermoforming and track etching. In this so called "SMART" process (Substrate Modification And Replication by Thermoforming) thin polymer films are irradiated with energetic heavy projectiles of several hundred MeV introducing so-called "latent tracks" Subsequently, the film in a rubber elastic state is formed into three dimensional parts without modifying or annealing the tracks. After the forming process, selective chemical etching finally converts the tracks into cylindrical pores of adjustable diameter.

We present two processes for the microfabrication of porous polymer chips for three-dimensional cell cultivation. The first one is hot embossing combined with a solvent vapour welding process. The second one uses a recently developed microthermoforming process combined with ion track technology leading to a significant simplification of manufacture.

Microfabricación de chip del tamaño de andamios para el cultivo de células en tres dimensiones

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell ...

Microfluidic Fabrication of Polymeric and Biohybrid Fibers with Predesigned Size and Shape

A &#8220;sheath&#8221; fluid passing through a microfluidic channel at low Reynolds number can be directed around another &#8220;core&#8221; stream and used to dictate the shape as well as the diameter of a core stream.&#160;Grooves in the top and bottom of a microfluidic channel were designed to direct the sheath fluid and shape the core fluid.&#160;By matching the viscosity and hydrophilicity of the sheath and core fluids, the interfacial effects are minimized and complex fluid shapes can be formed.&#160;Controlling the relative flow rates of the sheath and core fluids determines the cross-sectional area of the core fluid.&#160;Fibers have been produced with sizes ranging from 300 nm to ~1 mm, and fiber cross-sections can be round, flat, square, or complex as in the case with double anchor fibers. Polymerization of the core fluid downstream from the shaping region solidifies the fibers.&#160;Photoinitiated click chemistries are well suited for rapid polymerization of the core fluid by irradiation with ultraviolet light.&#160;Fibers with a wide variety of shapes have been produced from a list of polymers including liquid crystals, poly(methylmethacrylate), thiol-ene and thiol-yne resins, polyethylene glycol, and hydrogel derivatives. Minimal shear during the shaping process and mild polymerization conditions also makes the fabrication process well suited for encapsulation of cells and other biological components.

Two adjacent fluids passing through a grooved microfluidic channel can be directed to form a sheath around a prepolymer core; thereby&#160;determining both shape and cross-section. Photoinitiated polymerization, such as thiol click chemistry, is well suited for rapidly solidifying the core fluid into a microfiber with predetermined size and shape.

Fabricación Microfluídica De Fibras Poliméricas Y Biohíbridas Con Tamaño y Forma Prediseñados

A &#8220;sheath&#8221; fluid passing through a microfluidic channel at low Reynolds number can be directed around another &#8220;core&#8221; stream and ...

Bioingeniería

A Soft Tooling Process Chain for Injection Molding of a 3D Component with Micro Pillars

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection molding inserts with micro surface features. The Soft Tooling inserts are manufactured by Digital Light Processing (vat photo polymerization) using a photopolymer that can withstand relatively high temperaturea. The part manufactured here has four tines with an angle of 60&#176;. Micro pillars (&#216;200 &#181;m, aspect ratio of 1) are arranged on the surfaces by two rows. Polyethylene (PE) injection molding with the soft tooling inserts is used to fabricate the final parts. This method demonstrates that it is feasible to obtain injection-molded parts with microstructures on complex geometry by additive manufactured inserts. The machining time and cost is reduced significantly compared to conventional tooling processes based on computer numerical control (CNC) machining. The dimensions of the micro features are influenced by the applied additive manufacturing process. The lifetime of the inserts determines that this process is more suitable for pilot production. The precision of the inserts production is limited by the additive manufacturing process as well.

A protocol for fabricating injection molding inserts for complex geometry with micro features on surfaces employing Additive Manufacturing (AM) is presented.

Pilares de una cadena de proceso de mecanizado suave para el moldeo de un componente 3D con Micro

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection ...

Micropatterning and Assembly of 3D Microvessels

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass based substrates, and hydrogel-based tube formation assays. These assays, while informative, do not recapitulate lumen geometry, proper extracellular matrix, and multi-cellular proximity, which play key roles in modulating vascular function. This manuscript describes an injection molding method to generate engineered vessels with diameters on the order of 100 &#181;m. Microvessels are fabricated by seeding endothelial cells in a microfluidic channel embedded within a native type I collagen hydrogel. By incorporating parenchymal cells within the collagen matrix prior to channel formation, specific tissue microenvironments can be modeled and studied. Additional modulations of hydrodynamic properties and media composition allow for control of complex vascular function within the desired microenvironment. This platform allows for the study of perivascular cell recruitment, blood-endothelium interactions, flow response, and tissue-microvascular interactions. Engineered microvessels offer the ability to isolate the influence from individual components of a vascular niche and precisely control its chemical, mechanical, and biological properties to study vascular biology in both health and disease.

This manuscript presents an injection molding method to engineer microvessels that recapitulate physiological properties of endothelium. The microfluidic-based process creates patent 3D vascular networks with tailorable conditions, such as flow, cellular composition, geometry, and biochemical gradients. The fabrication process and examples of potential applications are described.

Micropatterning y Montaje de Microvasos 3D

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass ...

Fabricación en microrelieve de dispositivos analíticos basados en papel de nanocelulosa  

Microembossing: A Convenient Process for Fabricating Microchannels on Nanocellulose Paper-Based Microfluidics

Nanopaper, derived from nanofibrillated cellulose, has generated considerable interest as a promising material for microfluidic applications. Its appeal lies in a range of excellent&#160;qualities, including an exceptionally smooth surface, outstanding optical transparency, a uniform nanofiber matrix with nanoscale porosity, and customizable chemical properties. Despite the rapid growth of nanopaper-based microfluidics, the current techniques used to create microchannels on nanopaper, such as 3D printing, spray coating, or manual cutting and assembly, which are crucial for practical applications, still possess certain limitations, notably susceptibility to contamination. Furthermore, these methods are restricted to the production of millimeter-sized channels. This study introduces a straightforward process that utilizes convenient plastic micro-molds for simple microembossing operations to fabricate microchannels on nanopaper, achieving a minimum width of 200 &#181;m. The developed microchannel outperforms existing approaches, achieving a fourfold improvement, and can be fabricated within 45 min. Furthermore, fabrication parameters have been optimized, and a convenient quick-reference table is provided for application developers. The proof-of-concept for a laminar mixer, droplet generator, and functional nanopaper-based analytical devices (NanoPADs) designed for Rhodamine B sensing using surface-enhanced Raman spectroscopy was demonstrated. Notably, the NanoPADs exhibited exceptional performance with improved limits of detection. These outstanding results can be attributed to the superior optical properties of nanopaper and the recently developed accurate microembossing method, enabling the integration and fine-tuning of the NanoPADs.

Autor destacado: Revolucionando la microfluídica a través de la fabricación de microcanales en nanopapel 

This protocol describes a straightforward process that utilizes convenient plastic micro-molds for simple microembossing operations to fabricate microchannels on nanofibrillated cellulose paper, achieving a minimum width of 200 &#181;m.

Microestampado: un proceso conveniente para la fabricación de microcanales en microfluídica basada en papel de nanocelulosa

Nanopaper, derived from nanofibrillated cellulose, has generated considerable interest as a promising material for microfluidic applications. Its appeal ...

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Resumen

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Micropatterning y Montaje de Microvasos 3D

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