Name: prescribed 3-d direct writing of suspended micron/sub-micron scale fiber structures via a robotic dispensing system
Uploaded: 2015-06-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 36 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System at JoVE.com

This work is supported by the NSF-EPSCoR (grant #0814194) and the Department of Bioengineering.

<html> 1. Instalación del equipo <ol><li> Montar sistema de dispensación y conectar controlador de válvula y cilindro de la jeringa a la fuente neumática, a través de un regulador de presión, para ajustar la presión a 15 psi para dispensar la solución de polímero desde la punta de la aguja a un caudal de 2,45 l / min. </li><li> Inserte el robot de 3 ejes y sistema de dispensación en una caja térmica para asegurar un entorno de trabajo estable (Figura 2). </li><li> Instale Puntos Joint-robot de control (JR-C) Puntos de software proporcionadas por el fabricante del sistema y conecte robot de 3 ejes a un ordenador mediante el puerto serie. </li><li> Montar la válvula dispensadora de robot de 3 ejes e instalar punta de la aguja en la válvula. </li><li> Nivele la placa etapa robot de acuerdo con las instrucciones del fabricante para asegurar la planitud con respecto a la altura de la punta 15 de la válvula. </li><li> Montar un calentador de retroalimentación controlada en el recinto para agregar el control ambiental. </li></ol>contenido &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> Figura 2. (A) 3-Axis dispensación robot con accesorios necesarios alojados en el interior de un recinto; y, (B) de cerca la imagen de la válvula de distribución con el microscopio USB adjunto para la visualización. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> 2. Materiales Experimentales y factores de control <ol><li> Factores y su combinación Control. <ol><li> Variar la velocidad de alimentación de 1% de la velocidad (5 mm / seg) hasta 100% (500 mm / seg), por el software JR C-Puntos. Para esta aplicación, utilizar una velocidad de 2% (10 mm / seg) para fabricar el estructuras de fibra presentan en este trabajo. </li><li> Variar las concentraciones de solución de polímero para alcanzar viscosidad específica, la tensión superficial y los parámetros de volatilidad requeridapara la aplicación deseada. Para esta aplicación, utilizar un polimetilmetacrilato 24% (PMMA) en solución de clorobenceno para fabricar las estructuras de fibra presentados en este trabajo. </li><li> Varíe el control de tiempo de dosificación de la válvula de 0,02 segundos a 1 segundo con el fin de expulsar a través de soluciones de aire neumático. Para esta aplicación, use 0.02 seg para fabricar las estructuras de fibra que se presentan en este trabajo. </li><li> Seleccione un tamaño de calibre de puntas de aguja de alta precisión para dispensar soluciones de polímeros. Para esta aplicación, use un 30 G (diámetro interior (ID) = 152,4 m) de punta para la fabricación de las estructuras de fibra que se presentan en este trabajo. </li><li> Ajuste el rango de temperatura de funcionamiento entre 70 ° F a 100 ° F en la caja de aislamiento térmico para mantener una tasa de evaporación constante de la muestra de polímero. Para esta aplicación, utilice una temperatura de 70 ° F para fabricar las estructuras de fibra que se presentan en este trabajo. </li></ol></li><li> Preparación de las soluciones de polímero. <ol><li> Mezclarresinas de polímero de polimetacrilato de metilo (PMMA; 0,72 g) con el disolvente clorobenceno (2,28 g) bajo una campana de flujo químico. </li><li> Calcular el peso del polímero (PMMA) y su disolvente (clorobenceno) para lograr la concentración deseada de polímero en solución. Para esta aplicación, utilizar un polimetilmetacrilato 24% (PMMA) en solución de clorobenceno para fabricar las estructuras de fibra presentados en este trabajo. </li><li> Coloque cantidad deseada de polvo de polímero / resina en vial de vidrio. Para esta aplicación, utilizar 0,72 g de resina de PMMA para alcanzar una concentración de 24% de PMMA. </li><li> Transferencia disolvente sobre polímero dentro de vial mediante una pipeta hasta que se alcanza el peso total de 3 g. </li><li> Mezclar el vial durante 1 min usando un agitador vortex y ultrasonidos ellos procesar durante 5 horas para disolver completamente el polvo de polímero / resina. </li><li> Compruebe la transparencia de las soluciones, si hay alguna turbidez u opacidad a la muestra continúan sonicar hasta claro. </li></ol></li><li> Medida de la viscosidad de soluciones de polímeros. <ol><li> Viscosidades de la solución a través de la Medida de cono y placa viscosímetro (por ejemplo, LVDV-II + y RVDV-II +) 16. </li><li> Cargar 0,5 ml de la muestra estándar de viscosidad conocida (una mezcla a base de glicerina y agua) proporcionado por el fabricante viscosímetro para calibrar el viscosímetro con el fin de minimizar los errores en las mediciones de viscosidad. El fabricante proporciona una variedad de muestras estándar para la calibración del viscosímetro. Utilice la muestra estándar a base de glicerina con una viscosidad de 100.000 cP. </li><li> Conectar camisa de agua a viscosímetro para mantener el fluido de ensayo a una temperatura de funcionamiento constante. </li><li> Iniciar la medición fluido de prueba moviendo el interruptor de encendido / apagado a la posición de encendido para iniciar la rotación del eje. Una vez que el valor del par en el panel de visualización se ha estabilizado, registrar y calcular el par de las viscosidades finales utilizando la relación entre el par, el multiplicador constante del husillo y la velocidad del husillo 16 <img alt="Ecuación 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> donde es la viscosidad, RPM es la velocidad del husillo colocada en cono, TK es el par (0,09373 para LVDV-II +, 1 para RVDV-II +), SMC es la constante de multiplicador de husillo que depende del husillo específico que se utiliza durante la viscosidad medición. Para este estudio, se utilizó el CP-52 de husillo que tiene una constante de multiplicador de husillo de 9,83. </li></ol></li><li> Medición de la tensión superficial de las soluciones de polímeros. <ol><li> Método de medición se refiere a la técnica Wilhelmy. 14 </li><li> Colocar 1 ml de soluciones de prueba en un vial de vidrio sobre una balanza de alta resolución (resolución escala = 0,001 g). Sumerja una varilla de vidrio de diámetro conocido en soluciones de prueba. </li><li> Controla la posición de la varilla a través de un servo o actuador lineal paso a paso controlado a tocar la superficie y parcialmente sumergirse en soluciones de prueba con el contacto cero. </li><li> Controlar y registrar el cambio en la medición de la masa en el balance cuandoquitar la barra de la superficie de la solución. </li><li> Calcular la tensión superficial por cambio de fuerza, el perímetro del ángulo de la barra y el contacto de fluido en la varilla. <img alt="Ecuación 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> ¿Dónde está el perímetro mojado de la varilla (l = 10,05 mm de diámetro = 3,2 mm), θ es el ángulo de contacto de líquido en la varilla, F es el cambio fuerza debida a la tensión superficial del fluido de ensayo en la punta de la varilla. </li></ol></li><li> Medición de coeficiente de transferencia de masa de soluciones. <ol><li> Mida coeficientes de transferencia de masa de soluciones de polímeros mediante análisis termogravimétrico. 14 </li><li> Cargar 30 l de la solución de polímero PMMA 24% (en peso) en una placa de platino antes de tarado la balanza. </li><li> Ventile la cámara, programe el dispositivo para funcionar a la temperatura de funcionamiento deseada (70 ° F) durante 2 horas para controlar la masa de soluciones de destino. </li><li> Calcular los coeficientes de transferencia de masa por los cambios en la masa de la solución,área de solución / interfaz de aire y la densidad. <img alt="Ecuación 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> donde m (t) es la masa de soluciones de PMMA, A es el área de la interfaz solución / aire (es igual a 78,5 mm 2 para placa estándar), mPOLYMER es la masa de polímero en la solución y es la densidad de la solución. </li></ol></li></ol> Procedimiento Experimento 3. Escribir directo <ol><li> Dispensación protocolo de carga de muestra del sistema. <ol><li> Cargar 3 ml de solución de polímero en el cilindro de la jeringa, coloque pistón en cilindro de la jeringa para eliminar la distribución de la presión neumática inconsistente. </li><li> Gire el adaptador de línea de entrada en el cuerpo de la jeringa, conéctelo al tubo de aire línea de código fuente. </li><li> Elija calibre deseado de la punta de la aguja de precisión para llevar a cabo el experimento. </li><li> En el panel de control de distribución, cambiar a purgar Estado y haga clic en &quot;ciclo&quot; para llenar la válvula dispensadora con polímero de maneralución hasta el alta de la punta de la aguja. </li><li> Limpie solución de polímero residual de la punta en la preparación de un procedimiento escrito fibra programado. </li></ol></li><li> Escritura fibras de polímero directos con robot de 3 ejes y sistema de dispensación. <ol><li> Determine el desplazamiento para cambiar la posición de la punta de la aguja de dispensación desde la posición de inicio por defecto hasta el punto de la micro / estructura de la fibra inferior a la micra prescrito iniciación etapa robot que se puede sacar. Montar un microscopio USB (ampliación = 200X) para el soporte de la válvula del sistema de dispensación, lo que se traduce lo largo del eje Z. Enfocar manualmente en la punta del dispensador mediante el ajuste del mando de enfoque en el microscopio USB que ayuda a posicionar con precisión la punta de la válvula a la ubicación deseada, el sustrato prefabricado o dispositivo. </li><li> Crear / diseñar el patrón de estructura de fibras deseada (Figuras 3A, 4A y 5A) usando un paquete de software CAD. De entrada las coordenadas espaciales (x, y, z) en el robot JR-C software de control para todos los puntos de iniciación y terminación en orden secuencial con respecto al patrón deseado creado dentro del programa CAD (Figura 3B, 4B y 5B). 15 </li><li> Transferir el programa de diseño de la estructura de fibra completado desde la computadora al robot haciendo clic en &quot;Enviar C &amp; T de datos&quot; en el menú del robot dentro del software JR-C 15. </li><li> Cargar 3 ml de PMMA muestra de solución de concentración conocida (24%) en barril de la jeringa, la válvula de purga y la aguja, establecer todos los parámetros de dispensación para el controlador de la válvula y el control de robot software. </li><li> Coloque substrato prefabricado en el escenario platina robot, cerrar las puertas recinto térmico para evitar el flujo del aire ambiente, que puede inducir la evaporación inestable de la solución de polímero. </li><li> Comience a escribir las fibras sobre el sustrato haciendo clic en el menú de robot de software JR-C y seleccionando &quot;prueba de funcionamiento&quot; 15. </li><li> DC capa una capa de metal de oro conductora para 2 min hasta una gruesa capa de 2 nm de oro por bombardeo iónico se deposita sobre las fibras estiradas para permitir la visualización de las fibras en el microscopio electrónico de barrido. </li><li> Medir el diámetro y la estructura de las fibras a través de microscopio electrónico de barrido 17. Parámetros del microscopio: alto nivel de tensión: 2,00 kV; Objetivo: InLens, Distancia de Trabajo (9,0 mm). </li></ol></li><li> Realice el procedimiento de limpieza del sistema de dispensación bajo una campana de flujo químico. <ol><li> Coloque el sistema de dispensación en una campana de flujo químico para llevar a cabo el procedimiento de limpieza. </li><li> Desmontar la válvula de aguja de acuerdo con el protocolo del fabricante. </li><li> Coloque todas las partes metálicas en un vaso de precipitados, se vierte en el vaso de precipitados de acetona hasta que se sumergen todas las partes. </li><li> Coloque vaso de precipitados en un baño ultrasónico durante 30 minutos para eliminar cualquier resto de polímero. </li><li> Enjuague todas las piezas con agua DI que fluye, a continuación, utilizar una pistola de aire para soplar secos. </li></ol></<html> li&gt; </ol><img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" /> Figura 3. (A) Ejemplo de diseño &quot;quad&quot; estructura de la red en un marco de 10 mm x 10 mm, (B) Instrucciones secuenciales de punto a punto espaciales para ser introducidos en el software de punto de JR-C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta cifra.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> Figura 4. (A) Ejemplo de diseño &quot;simétrico&quot; estructura de la red en un marco de 10 mm x 10 mm, (B) Instrucciones espaciales secuenciales de punto a punto que se introduce en el software de punto de JR-C.blank &quot;&gt; Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" /> Figura 5. (A) Ejemplo de estructura diseñada web &quot;doble chevron&quot; en un marco de 10 mm x 10 mm, (B) Instrucciones espaciales secuenciales de punto a punto que se introduce en el software de punto de JR-C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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	<li>Andrew, K. E., Glenn, D. P., Simon, M. C., Dietmar, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combining+Electrospun+Scaffolds+with+Electrosprayed+Hydrogels+Leads+to+Three-Dimensional+Cellularization+of+Hybrid+Constructs.">Combining Electrospun Scaffolds with Electrosprayed Hydrogels Leads to Three-Dimensional Cellularization of Hybrid Constructs.</a> Biomacromolecules. 9 (8), 2097-2103 (2008).</li><li>Cho, S. M., Kim, Y. J., Kim, Y. S., Yang, Y., Ha, S. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+application+of+carbon+nanotube-polymer+composite+as+gas+sensing+materials.+Sensors.">The application of carbon nanotube-polymer composite as gas sensing materials. Sensors.</a> Proc. of IEEE. 2, 701-704 (2004).</li><li>Xu, F., Horak, P., Brambilla, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+microfiber+coil+resonator+refractometric+sensor.">Optical microfiber coil resonator refractometric sensor.</a> Optics Express. 15 (12), 7888-7893 (2007).</li><li>Dalton, P. D., Joergensen, N. T., Groll, J., Moeller, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patterned+melt+electrospun+substrates+for+tissue+engineering.">Patterned melt electrospun substrates for tissue engineering.</a> Biomed. Mater. 3 (3), 034109 (2008).</li><li>Hadjizadeh, A., Doillon, C. J., Vermette, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioactive+polymer+fibers+to+direct+endothelial+cell+growth+in+a+three-dimensional+environment.">Bioactive polymer fibers to direct endothelial cell growth in a three-dimensional environment.</a> Biomacromolecules. 8 (3), 864-873 (2007).</li><li>Xu, C. Y., Inai, R., Kotaki, M., Ramakrishna, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aligned+biodegradable+nanofibrous+structure:+a+potential+scaffold+for+blood+vessel+engineering.">Aligned biodegradable nanofibrous structure: a potential scaffold for blood vessel engineering.</a> Biomaterials. 25 (5), 877-886 (2004).</li><li>You, Y. M., Lee, B. L. e. e. S. J., Lee, T. S., Park, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+degradation+behavior+of+electrospun+polyglycolide,+polylactide,+and+poly(lactide-co-glycolide).">In vitro degradation behavior of electrospun polyglycolide, polylactide, and poly(lactide-co-glycolide).</a> J. Appl. Polym. Sci. 95 (2), 193-200 (2005).</li><li>Berry, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Endothelial+cell+scaffolds+generated+by+3D+direct+writing+of+biodegradable+polymer+microfibers.">Endothelial cell scaffolds generated by 3D direct writing of biodegradable polymer microfibers.</a> Biomaterials. 32 (7), 1872-1879 (2011).</li><li>Dalton, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Super-tough+carbon-nanotube+fibres.">Super-tough carbon-nanotube fibres.</a> Nature. 423, 703 (2003).</li><li>Dalton, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+carbon+nanotube+composite+fibers:+properties,+potential+applications,+and+problems.">Continuous carbon nanotube composite fibers: properties, potential applications, and problems.</a> J. Mater. Chem. , 1-3 (2004).</li><li>Sperling, L. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Introduction to physical polymer science. , 325-347 (1992).</li><li>Harfenist, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+drawing+of+suspended+filamentary+micro-+and+nanostructures+from+liquid+polymers.">Direct drawing of suspended filamentary micro- and nanostructures from liquid polymers.</a> Nano. Lett. 4 (10), 1931-1937 (2004).</li><li>Yang, R. R., He, J. H., Xu, L., Yu, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bubble-electrospinning+for+fabricating+nanofibers.">Bubble-electrospinning for fabricating nanofibers.</a> Polymer. 50 (24), 5846-5850 (2009).</li><li>Berry, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+and+modeling+of+direct-write+fabrication+of+microscale+polymer+fibers.">Characterization and modeling of direct-write fabrication of microscale polymer fibers.</a> Polymer. 52 (7), 1654-1661 (2011).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Janome Desktop Robot JR2000N Series Operation Manual. , (2007).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Brookfield DV-II+ Programmable Viscometer Operating Manual, Manual No. M/97-164-B299. , (1999).</li><li>Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Scanning and transmission electron microscopy : an introduction. , (1993).</li><li>Berry, S. M., Pabba, S., Cohn, R. W., Keynton, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct-Write+Drawing+of+Carbon+Nanotube/Polymer+Composite+Microfibers.">Direct-Write Drawing of Carbon Nanotube/Polymer Composite Microfibers.</a> J. Nanomater. 2012, 1-8 (2012).</li><li>Berry, S. M., Roussel, T. J., Cambron, S. D., Cohn, R. W., Keynton, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+suspended+electrokinetic+microchannels+from+directly-written+sacrificial+polymer+fibers.">Fabrication of suspended electrokinetic microchannels from directly-written sacrificial polymer fibers.</a> Microfluid. Nanofluid. 13, 451-459 (2012).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Antes de intentar cada ensayo, es crítico que la prueba de las soluciones de polímero de viscosidad, coeficientes de transferencia de masa y la tensión superficial se mide con precisión con el fin de determinar si el robot y el sistema de distribución es capaz de procesar el polímero deseado. Como se ha descrito previamente por nuestro grupo, las soluciones de polímero deben conservar adecuada: 1) la tensión superficial para permitir la formación de filamentos líquidos en estructuras / sub-micras micras; 2) la viscosidad para soportar capilar romper; y, 3) la tasa de evaporación para aumentar la fibra de solidificación 18. La sinergia entre estos parámetros es la clave para producir con éxito fibras de más de un rango especificado de diámetros. Al mismo tiempo, la inestabilidad en cualquiera de estos parámetros evita la formación de fibras / escala sub-micras micras. Para mantener la sinergia entre estos parámetros durante la fabricación de la fibra, es importante asegurarse de que la aguja y la válvula de aguja se limpian a fondo después de una escritura directa sEssion para impedir: 1) la contaminación de la solución; 2) una reducción en el caudal de la solución de polímero a través de la aguja; y, 3) el crecimiento excesivo de la perla de polímero en la punta de la aguja. Además, el controlador de temperatura en el calentador debe estar ajustado a la temperatura deseada para mantener una velocidad de evaporación constante de la solución de polímero. Las fibras de ramificación bifurcadas fueron 59%, 41% y 24% más grande en diámetro que el de las estructuras de soporte de las Figuras 6-8, respectivamente, utilizando la solución de PMMA 24%. Esto se debe principalmente a la distancia a la que se extraen las fibras. Específicamente, las estructuras de soporte se dibujan en toda la anchura del sustrato (10,0 mm en las direcciones X e Y; 14,4 mm en diagonal). Como resultado, estos son las fibras más largas de las estructuras generales en suspensión. Las estructuras de ramificación bifurcados son significativamente más corto, que van desde 7 mm longitud máxima hasta 2,5 mm. Esta longitud dibujo de fibra más corta no hacet inducir eficazmente la deformación de la fibra requerida durante el proceso de adelgazamiento de fibra a fin de producir las fibras de pequeño diámetro. Por otro lado, se requieren cables de mayor diámetro para servir como las fibras de apoyo para sostener eficazmente el tirón y la deformación inducida durante el proceso de dibujo rama bifurcada. Como las ramas de bifurcación se dibujan a través de las fibras de sostén, una remodelación de la geometría de la fibra de apoyo puede ocurrir debido a las fuerzas de dibujo, así como una disolución localizada del polímero PMMA en la interfaz entre el soporte y fibras ramificadas desde el disolvente presente en el solución de polímero. Por lo tanto, en algunos casos, pueden necesitar ser fabricado a partir de una solución de polímero que consiste en una mayor concentración de polímero para producir fibras de diámetro mayor y mecánicamente más fuertes que las fibras de soporte. Existen principalmente tres métodos eficaces para modificar el protocolo existente para generar una gama más amplia de apoyo y fibra ramificadadiámetros: 1) prescindir inicialmente el polímero de una punta de la aguja más grande (por ejemplo, 25 g; ID = 254 micras) para generar las fibras de sostén y luego canjear por una punta de aguja más pequeña (por ejemplo, 32 G; ID = 101,6 m) de fabricar las fibras más pequeñas ramificados; 2) como se señaló anteriormente, utilizar varias concentraciones de polímero; y / o, 3) ajustar la velocidad de alimentación, es decir, la velocidad a la que la etapa atraviesa, donde el aumento de la velocidad de alimentación produce fibras de diámetro más pequeño y la disminución de la velocidad de alimentación crea fibras de mayor diámetro. Hasta la fecha, hemos sido capaces de fabricar con éxito fibras tan pequeñas como 90 nm; sin embargo, el rendimiento de fibra en esta dimensión es baja debido a ruptura capilar. Una de las limitaciones del proceso de escritura directa automatizada es que sólo una concentración de solución de polímero se puede dispensar a la vez. Esto restringe el nivel de complejidad de las estructuras suspendidas a desarrollarse sin tener que: 1) añadir una segunda válvula de dispensación para el robot;o, 2) retirar la válvula existente y realizar el protocolo de limpieza (sección 3.4) antes de dispensar la segunda solución de polímero, lo que requiere tiempo adicional. Una segunda limitación es la velocidad de alimentación (o velocidad de impresión), donde la velocidad de alimentación máxima que el sistema es capaz de alcanzar es de 500 mm / seg. Sin embargo, existe un compromiso entre la velocidad de alimentación y la formación de fibras. Específicamente, si las fuerzas de inercia (fuerzas debidas a la velocidad de alimentación) son mayores que las fuerzas de tensión superficial y la velocidad de evaporación de la solución de polímero, no se produce la formación de fibras. Por otro lado, si la velocidad de alimentación es demasiado baja, las fibras se fracturan debido a la evaporación excesiva antes y durante el proceso de elongación. En tercer lugar, dimensiones de las fibras y la estructura se limitan a la gama de funcionamiento de la etapa del robot, es decir, 200 mm, 200 mm y 25 mm (con una precisión posicional 10 micras) en las direcciones x, y y z, respectivamente. Sin embargo, este proceso no permitir la formación de alta relación de aspecto (fibra length: diámetro) fibras. Estratégicamente variando el tamaño de la punta de dispensación y la concentración de solución de polímero que permitiría una gama más amplia diámetro de la fibra, la creación de la capacidad de generar estructuras libremente suspendidas de mayor complejidad. Siguiendo los protocolos se ha indicado anteriormente, las fibras de polímero micras y diámetro submicrométrico se pueden generar con un alto nivel de control espacial mediante la explotación de las superficies mecánica de fluidos de tensión impulsada de las soluciones de polímero, que no pueden ser controlados con cualesquiera otros procesos húmedos, secos o electrospinning . A partir de un trabajo previo 8,19, sabemos que esta técnica puede ser utilizada para fabricar dispositivos de fluidos intrincada de micro / submicrónicas 19 y andamios bioingeniería 8. Esta técnica barata y fácil tiene sus propias ventajas sobre los métodos tradicionales de fabricación de cepillo de muchas maneras.

Durante las últimas décadas, una variedad de técnicas de fabricación, tales como hilatura en húmedo, hilado en seco y electrospinning, se han empleado para crear estructuras de fibra de polímero novedosos con diversos y sólidos biológicos, químicos, eléctricos y mecánicos propiedades 1-12. Aunque estas técnicas de hilado son capaces de generar suspendido fibras tridimensionales, que están limitados en su capacidad para controlar con precisión orientación de las fibras en tres dimensiones desde la deposición de fibras a través de estos procesos son de naturaleza aleatoria. Además, estas técnicas están restringidas en su rango dimensional para la fabricación de fibra; específicamente, las fibras producidas a través de hilatura en húmedo y seco varían en diámetro desde decenas a cientos de micrómetros, mientras que electrospinning fibras rendimientos con diámetros que van desde decenas de nanómetros a un solo micras 13. Para proporcionar un control más preciso de la orientación de las fibras en el espacio 3-D, nuestro grupo desarrolló un auto-assemble o proceso &quot;-escritura directa&quot; de fibra de fabricación que expulsa directamente un material polimérico de un capilar hueco y luego dibuja filamentos individuales que fino y toman forma de diámetros de fibra predecibles mediante la explotación de la superficie mecánica de fluidos tensión impulsada 14. Nuestro sistema de escritura directa inicial para aumentar el nivel de control de la posición de la fibra y el diámetro consistía en un sistema de distribución de la jeringa con resorte encargo fabricado unido a la cabeza de un encargo Ultra-High Precision microfresadora máquina (Figura 1). El UHPMM tenía una etapa con una resolución posicional de 1,25 nm en las direcciones X e Y y 20 nm en la dirección Z que fue controlado mediante programación para crear micras y cables y estructuras escala sub-micras. Una limitación de este sistema de escritura directa particular era la falta de control de flujo de la solución de polímero a través de la punta de la aguja. Aunque el sistema de dispensación de resorte genera éxito flo constantew través de la punta, una perla esférica continua expansión de la solución de polímero fue creado a la salida de la punta de la jeringa, que variaban en tamaño y volumen en función de las condiciones ambientales. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> Figura 1. Imagen de Ultra High Precision Machine microfresadora:. El primer sistema de escritura directa empleada en la fabricación de estructuras de escala micras / sub-micrométricas <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> La inconsistencia de esta perla fuente afectada la capacidad del sistema para fabricar repetidamente alambres de un diámetro prescrito. Aunque, las estructuras se generaron con éxito utilizando este proceso de escritura directa, la mejora del proceso mediante el aumento de control del flujo de solución de polímero permitiría para más precise, prescribe diámetros de las fibras a través de la regulación del tamaño del grano en la punta de la jeringa. Por lo tanto, este trabajo se describe la implementación de un sistema automatizado de dispensación de 3 ejes con válvula dispensadora de accionamiento neumático para controlar con precisión el tamaño caudal de la solución de polímero y perla de punta para crear prescrito, micrones estructuras suspendidas / sub-micrométricas.

<table><tbody><tr><td>ROBOT DR2203N 3 AXES 200MM X 200MM</td><td>Nordson EFD</td><td>7023145</td><td>3-Axis Robot</td></tr><tr><td>CONTROLLER 7100, DISPENSE VALVE</td><td>Nordson EFD</td><td>7015340</td><td>Valve Controller</td></tr><tr><td>MICRODOT VALVE</td><td>Nordson EFD</td><td>7021233</td><td>Microdot Valve</td></tr><tr><td>ROBOT ACC FIXTURE PLATE 200MM</td><td>Nordson EFD</td><td>7028276</td><td>Fixture Platen</td></tr><tr><td>ROBOT ACC DRN / DSRN POINTS SOFTWAR</td><td>Nordson EFD</td><td>7023144</td><td>JR-C Software</td></tr><tr><td>ROBOT MOUNT VALVE UNIVERSAL</td><td>Nordson EFD</td><td>7028273</td><td>Microdot Valve Mount</td></tr><tr><td>15 PSI BARREL PRESS. REGULATOR</td><td>Nordson EFD</td><td>7020585</td><td>Barrel Regulator</td></tr><tr><td>KIT O BRL/PIST 5CC CL/WH 40</td><td>Nordson EFD</td><td>7012096</td><td>5CC Barrels with Pistons</td></tr><tr><td>ADAPTER ASM O 5CC BL</td><td>Nordson EFD</td><td>7012054</td><td>Pneumatic Barrel Adapter</td></tr><tr><td>TIP 30GA .006X.25 LAVNDR 50PC</td><td>Nordson EFD</td><td>7018424</td><td>30 gauge Needle Tip (0.250&quot; length)</td></tr><tr><td>Electric Baseboard Heater (500&amp;nbsp;W, 30&quot; length)</td><td>Cadet</td><td>2F500</td><td>Heater</td></tr><tr><td>Temperature Controller with Timer</td><td>Control Company</td><td>130726596</td><td>Temperature Controller</td></tr><tr><td>eScope USB Microscope</td><td>OiTez</td><td>DP-M02</td><td>200X USB Microscope</td></tr><tr><td>Poly(methyl methacrylate)</td><td>Aldrich</td><td>182265-500G</td><td>PMMA Powder</td></tr><tr><td>Chlorobenzene</td><td>Sigma Aldrich</td><td>284513</td><td>Solvent to dissolve PMMA</td></tr></tbody></table>

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.

Las imágenes de las estructuras reales producidos a través de la robot de 3 ejes y método de escritura directa para cada uno de los respectivos diseños y algoritmos JR C-punto definido en las Figuras 3-5A y B anteriormente se muestran en las figuras 6A, 7A y 8A. Como puede verse en las imágenes resultantes, fibras tridimensionales, libremente suspendidos han sido con éxito &quot;escrito&quot; sobre los sustratos mediante la manipulación con precisión la punta del dispensador para localizaciones espaciales prescritas incluyendo la iniciación / terminación de puntos, así como puntos de intersección. Las inserciones de estas cifras magnifican los puntos de intersección de las fibras en suspensión, lo que demuestra la capacidad del sistema para controlar con precisión la orientación de la fibra (Figuras 6B, 7B y 8B) en el espacio 3-D. <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> Figura 6. (A) Op<html> imagen tica de fabricar &quot;quad&quot; estructura de la red suspendida tener 2 fibras de soporte (diagonales) y 12 fibras PMMA ramificados bifurcados (15X óptico ampliación; barra de escala = 1 mm), imagen (B) SEM de una sola fibra bifurcada (ampliación 289x; escala bar = 100 micras). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> Figura 7. (A) Imagen Óptico de estructura fabricada web &quot;simétrico&quot; suspendida con 1 fibra de apoyo (horizontal) y 11 bifurcados fibras PMMA ramificados (15X óptico ampliación; barra de escala = 1 mm), (B) Imagen SEM de un solo bifurcado fibra (107X ampliación; barra de escala = 100 micras).52834fig7large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> Figura 8. (A) Imagen Óptico de fabricar &quot;doble chevron&quot; suspendido estructura laminar que tiene 1 fibra de apoyo (horizontal) y 22 bifurcados fibras PMMA ramificados; imagen SEM de un solo (15X óptico ampliación barra de escala = 1 mm), (B) fibra bifurcada. (80X de aumento; barra de escala = 100 micras) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> Figura 9 muestra Cierre de vista de la orden secuencial de punto a punto de la fabricación de la fibra en la que el robot de 3 ejes y sistema de dispensación pueden generar las estructuras en forma de banda libremente suspendidos. Las p<html> puntos de contacto olymer mostradas con números corresponden a la iniciación programada y puntos de terminación en el software JR-C referenciada en la Figura 3B arriba. Las flechas representan trayectoria robot. Figura 10 muestra micras y fibras de polímero submicrónicas, lo que demuestra la capacidad del sistema de escritura directa para fabricar cables de diferentes tamaños. <img alt="Figura 9" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> Figura 9. SEM imagen que ilustra el orden secuencial de fabricación de punto a punto para la elaboración de las fibras micras y submicrónicas de polímero (magnificación 29X; barra de escala = 200 micras). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> 2834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; Figura 10. SEM imagen de micras (6,5 micras) y fibras estiradas utilizando una solución de polímero PMMA concentración del 20% inferior a la micra (555 nm). (2,270X ampliación; barra de escala = 2 m) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> Polymer longitud de la fibra y el diámetro se midieron usando microscopía electrónica de barrido. La Tabla 1 muestra el diámetro medio de cable para cada estructura única presentados en las Figuras 6-8 arriba correspondiente a las fibras de la rama bifurcados y las fibras de soporte. Tabla 2 muestra los parámetros de polímero que se midieron a partir de las soluciones de 24% de PMMA que se utilizaron para fabricar las estructuras indicadas anteriormente. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> Estructura de diámetro en la Figura 6</td><td> Estructura de diámetro en la Figura 7 </td><td> Estructura de diámetro en la Figura 8 </td></tr><tr><td> Fibras de Apoyo </td><td> 8,65 ± 1,43 micras </td><td> 9,39 ± 1,23 micras </td><td> 9,31 ± 1,65 micras </td></tr><tr><td> Fibras Branch </td><td> 20,96 ± 3,35 micras </td><td> 15,92 ± 1,44 micras </td><td> 12,24 ± 5,42 micras </td></tr></tbody></table> Tabla 1. Promedio de diámetros de las fibras de soporte y sucursales en suspensión que se muestran en las Figuras 6-8 para una solución de PMMA 24%. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> 24% PMMA </td></tr><tr><td> Viscosidad (Pa * seg) </td><td> 35.19 </td></tr><tr><td> Tensión superficial (mN / m) </td><td> 262.01 </td></tr><tr><td&gt; Transferencia de Masa Coeficiente (m / seg) </td><td> 8.59 x 10 -8 </td></tr></tbody></table> Tabla 2. Parámetros de polímeros de las soluciones de 24% de PMMA que se utilizaron para fabricar las estructuras de fibra que se presentan en este trabajo.

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

A continuación, presentamos un protocolo para fabricar libremente suspendidas-micras, / sub-micrométricas fibras de polímero escala y estructuras &quot;en banda&quot; generados a través de procedimiento de escritura directa automatizada por medio de un sistema de distribución de 3 ejes.

Prescribe en 3-D de Escritura directa de suspendidos Micron / Sub-micrones Estructuras Escala de fibra a través de un sistema de dispensación Robótica

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

prescribed-3-d-direct-writing-suspended-micronsub-micron-scale-fiber

Research

JoVE Journal

Engineering

8.0K vistas.  University of Louisville.  A continuación, presentamos un protocolo para fabricar libremente suspendidas-micras, / sub-micrométricas fibras de polímero escala y estructuras "en banda" generados a través de procedimiento de escritura directa automatizada por medio de un sistema de distribución de 3 ejes. 

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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

A Method to Fabricate Disconnected Silver Nanostructures in 3D

The standard nanofabrication toolkit includes techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating metal patterns on a submicron scale requires a combination of nanofabrication tools and several material processing steps. For example, steps to create planar metal structures using ultraviolet photolithography and electron-beam lithography can include sample exposure, sample development, metal deposition, and metal liftoff. To create 3D metal structures, the sequence is repeated multiple times. The complexity and difficulty of stacking and aligning multiple layers limits practical implementations of 3D metal structuring using standard nanofabrication tools. Femtosecond-laser direct-writing has emerged as a pre-eminent technique for 3D nanofabrication.1,2 Femtosecond lasers are frequently used to create 3D patterns in polymers and glasses.3-7 However, 3D metal direct-writing remains a challenge. Here, we describe a method to fabricate silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm. The method enables the fabrication of patterns not feasible using other techniques, such as 3D arrays of disconnected silver voxels.8 Disconnected 3D metal patterns are useful for metamaterials where unit cells are not in contact with each other,9 such as coupled metal dot10,11or coupled metal rod12,13 resonators. Potential applications include negative index metamaterials, invisibility cloaks, and perfect lenses.
In femtosecond-laser direct-writing, the laser wavelength is chosen such that photons are not linearly absorbed in the target medium. When the laser pulse duration is compressed to the femtosecond time scale and the radiation is tightly focused inside the target, the extremely high intensity induces nonlinear absorption. Multiple photons are absorbed simultaneously to cause electronic transitions that lead to material modification within the focused region. Using this approach, one can form structures in the bulk of a material rather than on its surface.
Most work on 3D direct metal writing has focused on creating self-supported metal structures.14-16 The method described here yields sub-micrometer silver structures that do not need to be self-supported because they are embedded inside a matrix. A doped polymer matrix is prepared using a mixture of silver nitrate (AgNO3), polyvinylpyrrolidone (PVP) and water (H2O). Samples are then patterned by irradiation with an 11-MHz femtosecond laser producing 50-fs pulses. During irradiation, photoreduction of silver ions is induced through nonlinear absorption, creating an aggregate of silver nanoparticles in the focal region. Using this approach we create silver patterns embedded in a doped PVP matrix. Adding 3D translation of the sample extends the patterning to three dimensions.

Femtosecond-laser direct-writing is frequently used to create three-dimensional (3D) patterns in polymers and glasses. However, patterning metals in 3D remains a challenge. We describe a method for fabricating silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm.

Un método para fabricar nanoestructuras desconectados de plata en 3D

The standard nanofabrication toolkit includes  techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating  metal patterns on a ...

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 ...

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.

Impresión plana y tridimensional de tintas conductoras

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

Bioingeniería

Manufacturing of Three-dimensionally Microstructured Nanocomposites through Microfluidic Infiltration

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite in&#64257;ltration of 3D interconnected microfluidic networks. The manufacturing of the reinforced beams begins with the fabrication of microfluidic networks, which involves layer-by-layer deposition of fugitive ink filaments using a dispensing robot, filling the empty space between filaments using a low viscosity resin, curing the resin and finally removing the ink.&#160;Self-supported 3D structures with other geometries and many layers (e.g.&#160;a few hundreds layers) could be built using this method. The resulting tubular micro&#64258;uidic networks are then infiltrated with thermosetting nanocomposite suspensions containing nanofillers (e.g.&#160;single-walled carbon nanotubes), and subsequently cured. The infiltration is done by applying a pressure gradient between two ends of the empty network (either by applying a vacuum or vacuum-assisted microinjection). Prior to the infiltration, the nanocomposite suspensions are prepared by dispersing nanofillers into polymer matrices using ultrasonication and three-roll mixing methods. The nanocomposites (i.e.&#160;materials infiltrated) are then solidified under UV exposure/heat cure, resulting in a 3D-reinforced composite structure. The technique presented here enables the design of functional nanocomposite macroscopic products for microengineering applications such as actuators and sensors.

Three-dimensional (3D) microstructured composite beams are fabricated through the directed and localized infiltration of nanocomposites into 3D porous microfluidic networks. The flexibility of this manufacturing method enables the utilization of different thermosetting materials and nanofillers in order to achieve a variety of functional 3D reinforced nanocomposite macroscopic products.

Fabricación de tridimensionalmente Microestructurados nanocompuestos mediante Microfluidic Infiltración

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

Química

Laser-induced Forward Transfer of Ag Nanopaste

Over the past decade, there has been much development of non-lithographic methods1-3 for printing metallic inks or other functional materials. Many of these processes such as inkjet3 and laser-induced forward transfer (LIFT)4 have become increasingly popular as interest in printable electronics and maskless patterning has grown. These additive manufacturing processes are inexpensive, environmentally friendly, and well suited for rapid prototyping, when compared to more traditional semiconductor processing techniques. While most direct-write processes are confined to two-dimensional structures and cannot handle materials with high viscosity (particularly inkjet), LIFT can transcend both constraints if performed properly. Congruent transfer of three dimensional pixels (called voxels), also referred to as laser decal transfer (LDT)5-9, has recently been demonstrated with the LIFT technique using highly viscous Ag nanopastes to fabricate freestanding interconnects, complex voxel shapes, and high-aspect-ratio structures. In this paper, we demonstrate a simple yet versatile process for fabricating a variety of micro- and macroscale Ag structures. Structures include simple shapes for patterning electrical contacts, bridging and cantilever structures, high-aspect-ratio structures, and single-shot, large area transfers using a commercial digital micromirror device (DMD) chip.

We demonstrate the use of the Laser-induced forward transfer technique (LIFT) for the printing of high-viscosity Ag paste. This technique offers a simple, low temperature, robust process for non-lithographically printing microscale 2D and 3D structures.

Transferencia Forward inducida por láser de Ag nanopasta

Over the past decade, there has been much development of non-lithographic methods1-3 for printing metallic inks or other functional materials. Many of ...

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 ...

Microfluidic Dry-spinning and Characterization of Regenerated Silk Fibroin Fibers

The protocol demonstrates a method for mimicking the spinning process of silkworm. In the native spinning process, the contracting spinning duct enables the silk proteins to be compact and ordered by shearing and elongation forces. Here, a biomimetic microfluidic channel was designed to mimic the specific geometry of the spinning duct of the silkworm. Regenerated silk fibroin (RSF) spinning doped with high concentration, was extruded through the microchannel to dry-spin fibers at ambient temperature and pressure. In the post-treated process, the as-spun fibers were drawn and stored in ethanol aqueous solution. Synchrotron radiation wide-angle X-ray diffraction (SR-WAXD) technology was used to investigate the microstructure of single RSF fibers, which were fixed to a sample holder with the RSF fiber axis normal to the microbeam of the X-ray. The crystallinity, crystallite size, and crystalline orientation of the fiber were calculated from the WAXD data. The diffraction arcs near the equator of the two-dimensional WAXD pattern indicate that the post-treated RSF fiber has a high orientation degree.

A protocol for the microfluidic spinning and microstructure characterization of regenerated silk fibroin monofilament is presented.

Seco de microfluidos-spinning y caracterización de las fibras regeneradas fibroína de seda

The protocol demonstrates a method for mimicking the spinning process of silkworm. In the native spinning process, the contracting spinning duct enables ...

Automated Robotic Dispensing Technique for Surface Guidance and Bioprinting of Cells

This manuscript describes the introduction of cell guidance features followed by the direct delivery of cells to these features in a hydrogel bioink using an automated robotic dispensing system. The particular bioink was selected as it allows cells to sediment towards and sense the features. The dispensing system bioprints viable cells in hydrogel bioinks using a backpressure assisted print head. However, by replacing the print head with a sharpened stylus or scalpel, the dispensing system can also be employed to create topographical cues through surface etching. The stylus movement can be programmed in steps of 10 &#181;m in the X, Y and Z directions. The patterned grooves were able to orientate mesenchymal stem cells, influencing them to adopt an elongated morphology in alignment with the grooves&#39; direction. The patterning could be designed using plotting software in straight lines, concentric circles, and sinusoidal waves. In a subsequent procedure, fibroblasts and mesenchymal stem cells were suspended in a 2% gelatin bioink, for bioprinting in a backpressure driven extrusion printhead. The cell bearing bioink was then printed using the same programmed coordinates used for the etching. The bioprinted cells were able to sense and react to the etched features as demonstrated by their elongated orientation along the direction of the etched grooves.

This protocol describes a bioprinting methodology using an automated robotic depositing system that incorporates etched topographical guidance cues with the precision deposition of a cell bearing hydrogel bioink. The printed cells are directly delivered to the etched features and are able to sense and orientate with them.

Técnica robótica automatizada de dispensación de Orientación de la superficie de las células y Bioprinting

This manuscript describes the introduction of cell guidance features followed by the direct delivery of cells to these features in a hydrogel bioink using ...

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.

Escritura de Electrospinning de andamios Poly(ε-caprolactone) tridimensional con morfologías controlables para aplicaciones de ingeniería de tejidos del derretimiento

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