המחברים מבקשים להודות לוועדה לטכנולוגיה וחדשנות (CTI, שוויץ) לתמיכה הכספית שלהם (מס &#39;13,236.1 PFFLI-LS).

החקירות בוצעו באמצעות התקנת צנרת משאבה (Figu מחדש 2), המאפשרת ניסויי לחץ מכאניים בספיקות עד 60 דקות L -1 ולחץ יורד עד 2 בר להתבצע. כפי שניתן לראות באיור 2 u מחדש, ההתקנה הניסיונית מורכבת מכלי האחסון, מעגל המשאבה, והציוד לטכניקת אנדוסקופיה מוטבעת. המאיץ של כלי האחסון היה בשימוש רק לערבב החומרים פעילי השטח. אלמנטים היקפיים שולבו בלולאה הסגורה כדי לפקח על קצב הזרימה V ו- p ירידה בלחץ בהגדרות משאבה שונות. החקירות היו מגוונות על ידי שימוש בשסתום יד-הגלגל. 1. התקנה ניסיונית <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ודא שbioreactor (D = 0.15 מ &#39;, H / D = 2.2) מצויד במאיץ לפירוק של surfactaNT ולוודא כי צינור הכניסה טובל לתוך הנוזל כדי למנוע הזנת גז. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לצייד את משאבת הלולאה עם יציאת מזרק, המשאבה נחקרה, מד זרימת מהדק-על, חיישן לחץ שימוש יחיד ושסתום יד-גלגל. לאחר חיבור של משאבת הלולאה לכלי האחסון, לחבר את ראש המשאבה לרכב ולהכין את הבדיקה אנדוסקופ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הר מטוס ההשתקפות משתנה, מראה רודיום במקרה זה, בקצה הבדיקה ולהתאים את המרחק בין המראה ועדשה 150 מיקרומטר. התאם את הבורג ב 100 מיקרומטר להתמקד חדות אובייקטיביות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את החללית להסטרובוסקופ באמצעות כבל סיב אופטי והמצלמה של אנדוסקופ למחשב באמצעות כבל Ethernet. לאחר מכן, לחבר את המצלמה והסטרובוסקופ יחד באמצעות כבל הדק-תיבה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את המחשב ולפתוח את התוכנה שסופק על-יצרן, הכוללת רכישת תמונה ותוכנה לזיהוי, כמו גם תוכנת מנתח תוצאה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר את תוכנת רכישת תמונה בתפריט הראשי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על הכפתור &quot;זיהוי מכשיר&quot; בפינה השמאלית העליונה של המסך כדי לזהות את המצלמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תחת &quot;הגדרות מדריך&quot; בחר את המיקום במחשב לשמירת תמונות ולהפעיל את הפקודה &quot;יצירת תיקיות משנה הדק&quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הזן את הפרמטרים התהליך בסעיף &quot;מצב טריגר: מוכן&quot;. קצב פריימים: 7.5 הרץ מסגרות להדק: 50 מספר הגורמים: 60 מרווח הדק: 60 שניות </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> , לאחר השלמת כל עבודת ההכנה לשפוך מים ללא יונים 5 L לתוך כלי האחסון ולעבור על המשאבה כדי למלא את המשאבה ומשאבת הלולאה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כבה את המשאבה ולהוסיף 0.9 מיליליטר של חומרים פעילי שטח (שטח C = L 0.18 מיליליטר -1, שטח ρ, 20 ° C = 1,070 מטר קילוגרם -3, ריכוז micelle קריטי (CMC): ω CMC0; ≈ 0.018 L מיליליטר -1, ω ≈ שטח 10 · ω CMC) עם פיפטה 10 מיליליטר תחת ערבוב. לאחר 10 דקות השטח הוא נמס לגמרי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כבה את המאיץ ולהפעיל את המשאבה. מקם את הבדיקה אנדוסקופ כך שהעדשה ממוקמת ישירות מתחת לצינור הכניסה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את קצב הזרימה של 3.4 דקות L -1 וירידה בלחץ של 0.03, 0.3 או 0.61 בר על ידי שינוי מהירות מאיץ ואת שסתום יד-גלגל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שוקל 6.3 גרם של שמן ישירות במזרק (β = L שמן 1.26 g -1, שמן ρ, 20 ° C = 989.5 -3 מ &#39;קילוגרם). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את תוכנת רכישת תמונה ומוסיף את השמן דרך יציאת המזרק. המשאבה פועלת מפיצה טיפות התחליב. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אחרי שעה 1, לסיים את חקירת מאמץ הגזירה ולנקות את אנדוסקופ מוטבע כמו גם bioreactorעם משאבת הלולאה המשולבת. בהמשך לכך, להכין את ההתקנה הניסיונית לתהליך השאיבה הבא. </li></ol> 2. מדידה וניתוח תמונה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פתח את התוכנה לזיהוי תמונה האוטומטית בתפריט הראשי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תחת &quot;מדריך שורש אצווה&quot; בחר את המיקום במחשב לשמירת הקבצים (כל * .csv). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר את העמודה &quot;נתיב סדרת תמונה&quot; ולחץ על הכפתור &quot;הוסף תמונת תיקיות משנה סדרה&quot; בפינה השמאלית התחתונה של המסך כדי לטעון את סדרת התמונה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען את הפרמטרים תהליך המסופקים על ידי היצרן. בחר את העמודה &quot;חיפוש הגדרות (* .pss או auftrag _ *. מחצלת)&quot; ולחץ על הכפתור &quot;הגדרות חיפוש סט&quot; בבינוני-הנמוכה של המסך כדי לטעון פרמטרים תהליך כדי לציין את הכרת הירידה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר את העמודה &quot;חיפוש תבנית (* .psp או F _ *. מחצלת) ולחץ על הכפתור&quot; תבנית חיפוש סט &quot;בפינה הימנית התחתונה של המסך כדי לטעון את הפרמטרים התהליך כדי לציין את ניתוח הירידה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התחל זיהוי תמונה על ידי לחיצה על הכפתור &quot;התחל אצווה&quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר השלמת זיהוי תמונה, להביע גדלי הירידה זוהו על ידי Sauter אומר קוטר (ד 32), או כל נציג אחר אומר ערך או הפצה של בחירה על ידי שימוש בתוכנת מנתח תוצאה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פתח את תוכנת מנתח תוצאה בתפריט הראשי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את הפקודה &quot;כל * ה- csv בתיקייה 1&quot; ולחץ על &quot;התיקייה טען (ים)&quot; כפתור בפינה השמאלית העליונה של המסך כדי לטעון את שנשמר בעבר כל קובץ csv *. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר את הערך הרלוונטי (למשל, Sauter אומר קוטר) ברשימה הנפתחת באמצע העליון של המסך כדי להמחיש את התוצאות. לחישוב הקוטר להיכנס לקנה המידה של .6591 מיקרומטר פיקסל -1 בצד הימין, המסופק על ידי היצרן. </li></ol><img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig2.jpg" /> איור 2. התקנה ניסיונית מעגל משאבה להתקנת משאבה זורמים באמצעות אנדוסקופיה מוטבעת כטכניקת מדידה:. (1) כלי אחסון, (2) נמל מזרק, (3) משאבה, (4) חיישן לחץ, (5) חיישני זרימה, ( 6 הסטרובוסקופ), (7) מחשב עם התוכנה שסופק על-היצרן, ו( 8) בדיקה אנדוסקופ. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53052/53052fig2highres.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

<ol>
	<li>Wollny, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Partikelbeanspruchung in ger&#252;hrten (Bio ) Reaktoren (Experimental and numerical investigations of particle stress in stirred (bio-) reactor). , (2010).</li><li>Jaouen, P., Vandanjon, L., Qu&#233;m&#233;neur, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+shear+stress+of+microalgal+cell+suspension+(Tetraselmis+suecica)+in+tangential+flow+filtration+systems:+the+role+of+pumps.">The shear stress of microalgal cell suspension (Tetraselmis suecica) in tangential flow filtration systems: the role of pumps.</a> Bioresour. Technol. 68 (2), 149-154 (1999).</li><li>Bee, J. 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=Response+of+a+concentrated+monoclonal+antibody+formulation+to+high+shear.">Response of a concentrated monoclonal antibody formulation to high shear.</a> Biotechnol. Bioeng. 103 (1), 936-943 (2009).</li><li>Klaus, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Bluttraumatisierung bei der Passage zeitkonstanter und zeitvarianter Scherfelder (Blood trauma during passage through steady and transient shear fields). , (2004).</li><li>Blaschczok, K., 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=Investigations+on+mechanical+stress+caused+to+CHO+suspension+cells+by+standard+and+single-use+pumps.">Investigations on mechanical stress caused to CHO suspension cells by standard and single-use pumps.</a> Chem. Ing. Tech. 85 (1-2), 144-152 (2012).</li><li>Dittler, I., 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=A+cost-effective+and+reliable+method+to+predict+mechanical+stress+in+single-use+and+standard+pumps.">A cost-effective and reliable method to predict mechanical stress in single-use and standard pumps.</a> Eng. Life Sci. 14 (3), 311-317 (2014).</li><li>Kaiser, S. C., Eibl, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-use+Pumpen+in+der+Prozesstechnologie+(Single-use+pumps+in+the+process+technology).">Single-use Pumpen in der Prozesstechnologie (Single-use pumps in the process technology).</a> Chemie extra. , 30-31 (2013).</li><li>Aggarwal, 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=Use+of+a+single-circuit+CentriMag&#174;+for+biventricular+support+in+postpartum+cardiomyopathy.">Use of a single-circuit CentriMag&#174; for biventricular support in postpartum cardiomyopathy.</a> Perfusion. 28 (2), 156-159 (2012).</li><li>Kouretas, P. C., 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=Experience+with+the+Levitronix+CentriMag&#174;+in+the+pediatric+population+as+a+bridge+to+decision+and+recovery.">Experience with the Levitronix CentriMag&#174; in the pediatric population as a bridge to decision and recovery.</a> Artif. Organs. 33 (11), 1002-1004 (2009).</li><li>Khan, N. U., Al Aloul, M., Shah, R., Yonan, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Early+experience+with+the+Levitronix+CentriMag&#174;+device+for+extra+corporeal+membrane+oxygenation+following+lung+transplantation.">Early experience with the Levitronix CentriMag&#174; device for extra corporeal membrane oxygenation following lung transplantation.</a> Eur. J. of Cardio Thorac. 34 (6), 1262-1264 (2008).</li><li>Zhang, J., 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=Computational+and+experimental+evaluation+of+the+fluid+dynamics+and+hemocompatibility+of+the+CentriMag+blood+pump.">Computational and experimental evaluation of the fluid dynamics and hemocompatibility of the CentriMag blood pump.</a> Artif. Organs. 30 (3), 168-177 (2006).</li><li>Maa&#223;, S., Gr&#252;nig, J., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+techniques+for+drop+size+distributions+in+stirred+liquid-liquid+systems.">Measurement techniques for drop size distributions in stirred liquid-liquid systems.</a> Chem. Process Eng. 30 (4), 635-651 (2009).</li><li>Maa&#223;, S., Rojahn, J., H&#228;nsch, R., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+drop+detection+using+image+analysis+for+online+particle+size+monitoring+in+multiphase+systems.">Automated drop detection using image analysis for online particle size monitoring in multiphase systems.</a> Comput. Chem. Eng. 45, 27-37 (2012).</li><li>Maa&#223;, S., Wollny, S., Voigt, A., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+comparison+of+measurement+techniques+for+drop+size+distributions+in+liquid/liquid+dispersions.">Experimental comparison of measurement techniques for drop size distributions in liquid/liquid dispersions.</a> Exp. Fluids. 50 (2), 259-269 (2011).</li><li>Henzler, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+Stress+in+Bioreactors.">Particle Stress in Bioreactors.</a> Adv. Biochem. Eng./ Biotechnol. 67, 35-82 (2000).</li><li>Sprow, F. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drop+size+distributions+in+strongly+coalescing+agitated+liquid-liquid+systems.">Drop size distributions in strongly coalescing agitated liquid-liquid systems.</a> AIChE J. 13 (5), 995-998 (1967).</li><li>Shinnar, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+behaviour+of+liquid+dispersions+in+mixing+vessels.">On the behaviour of liquid dispersions in mixing vessels.</a> J. Fluid Mech. 10 (2), 259-275 (1961).</li><li>Ritter, J., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-line+measurement+technique+for+drop+size+distributions+in+liquid/liquid+systems+at+high+dispersed+phase+fractions.">On-line measurement technique for drop size distributions in liquid/liquid systems at high dispersed phase fractions.</a> Chem. Eng. Technol. 23 (7), 579-581 (2000).</li><li>Fries, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Quantifizierung der mechanischen Beanspruchung von Pumpen auf tierische Zellen mittels des nicht-biologischen Modellsystems Emulsion (Quantification of mechanical stress caused by pumps on mammalian cells using a non-biological emulsion model system). , (2014).</li><li>Maa&#223;, S., Wollny, S., Sperling, R., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Numerical+and+experimental+analysis+of+particle+strain+and+breakage+in+turbulent+dispersions.">Numerical and experimental analysis of particle strain and breakage in turbulent dispersions.</a> Chem. Eng. Res. Des. 87 (4), 565-572 (2009).</li><li>Maa&#223;, S., Metz, F., Rehm, T., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prediction+of+drop+sizes+for+liquid/liquid+systems+in+stirred+slim+reactors+-+Part+I:+Single+stage+impellers.">Prediction of drop sizes for liquid/liquid systems in stirred slim reactors - Part I: Single stage impellers.</a> Chem. Eng. 162 (2), 792-801 (2010).</li></ol>

וולפגנג Dornfeld ורטו Schöb הם עובדי Levitronix, בע&quot;מ, היצרנית של המשאבות צנטריפוגליות המגלב.

המטרה של פרוטוקול זה היא להראות את ההתאמה של טכניקת אנדוסקופיה מוטבעת למדידות גודל ירידה בתהליכי שאיבה. לצורך כך, שחרר גדלים של מערכת תחליב שמן-מים נקבעו וSauter ממוצע קוטר נמדד היה מחושב מאפיין את הלחץ המכני של צנטריפוגלי מגלב משאבות, כמו גם עמיתיהם, וperistaltic משאבת דיאפרגמה 4 בוכנה. התוצאות הראו וריאציה נמוכה של Sauter המדוד אומרת קטרים, שהיו לכמת על ידי סטיות תקן של מתחת ל -15%, מצביעים על כך שירידה בגדלים כבר מדידה באופן מהימן ומדויק. כתוצאה מכך, Sauter ממוצע הקוטר נמדד בהצלחה יכול לשמש כקריטריון השוואה להעריך את הלחץ המכני של המשאבות נחקרו. המשאבות צנטריפוגליות מגלב חשפו קטרי Sauter נמדדו גדולים יותר ממוצעים, המצביעים על לחצים מכאניים נמוכים יותר בטיפי תחליב לעומת משאבות דיאפרגמה peristaltic ו -4 בוכנה. בהרבעהies עד כה, אנדוסקופיה מוטבעת הוכחה להיות טכניקה חזקה ופשוטה למדידת ירידה אמינה גודל 1,6,12-14,20-21, שגם אושרה על ידי מחקר זה. בהשוואה לטכניקות מדידה אלטרנטיביות, כגון חיישן FBR סיבים האופטי, FBRM וטכניקת 2D-ORM, טכניקת אנדוסקופ יכולים לשמש כשיטת סטנדרטית לקבלת נתונים מדויקים ביישומים נוזליים / נוזל 12,14. הטיפול קל של אנדוסקופיה מוטבעת והייצור הפשוט של מערכת תחליב שמן-מים שאינם ביולוגית מאפשר הליך פשוט לתגליות גודל ירידה בנוסח הפרוטוקול (ראה לעיל). עם זאת, יש לציין כי עמדת הבדיקה אנדוסקופ תלויה בזרימת הנוזל בכלי האחסון. חקירות נוספות (מידע לא מוצג) חשפו כי העדשה של החללית צריכה להיות ממוקמת מתחת לצינור הכניסה ישירות לספיקות נמוכות עד 5 L דקות -1על מנת להימנע מזיהוי מרובה של טיפה אחת 19. לתמונות חדות בספיקות מעל 5 L דקות -1, מומלץ למקם את הבדיקה לפחות 10 סנטימטרים מצינור הכניסה. עצמאי של פרמטרים תהליך, בעל אנדוסקופיה מוטבעת צריך להיות יציב על מנת למנוע הסטה של ​​החללית, אשר יכול לגרום לתמונות מטושטשות. יתר על כן, היא צריכה במיוחד לציין כי גודל הטיפה זוהה הוא קרוב לגבול הגילוי נמוך יותר של מערכת פוטו-אופטי מיושמת, שבו קוטר ירידה לגילוי המינימאלי הוא 6.5 מיקרומטר. כתוכנה המסופק על היצרן שופרה, טכניקות אנדוסקופיה מוטבעת יכולות לזהות באופן אמין גודל ירידה מינימאלי של 1 מיקרומטר. יתר על כן, עיבוד התמונה יפותח נוסף כדי לאפשר ניטור מקוון של יישומים תעשייתיים. למרות שהמחקר הנוכחי התמקד בספיקות נמוכות יחסית של עד 3.4 ליטר<html> 60; דקות -1, מחקרים עתידיים צריכים לשקול מגוון רחב יותר של תנאי פעולה. החקירות הראשונות בוצעו בספיקות עד 20 דקות L -1 (מידע לא מוצג). עם זאת, 1: 2 לדילול (שטח C = L מיליליטר 0.09 -1, -1 L = 0.64 מיליליטר שמן ג) למערכת תחליב שמן-מים מומלץ בספיקות מעל 10 דקות L -1 19, כהתפרקות ירידה מוגברת הנגרם על ידי לחץ מכאני גבוה אחרת להשפיע שחרר איתור ולצמצם את מספר הטיפות שזוהו. בדיקות בוצעו בדילול 1: 2 והשוואה עם תוצאות של מערכת תחליב שמן-מים חי. לשתי הגישות, Sauter אומר קטרים ​​נמדדו (סטיית תקן מתחת ל -5%) באופן מהימן. לכן, החלק מופחת נפח (1: 2 דילול) לא השפיע על Sauter המדוד אומר קטרים, ובכך פרידה טיפה-טיפה הייתה זניחה. NT &quot;&gt; גישות ניסיוניות רבות עוצמה אלה מספקים בסיס טוב לשיפור טכניקת אנדוסקופיה, כמו גם את תוכנת רכישת תמונה, זיהוי ומנתח תוצאה הנלווה. יתר על כן, את ההתאמה של טכניקת אנדוסקופיה לסווג סוגי משאבה וסדרה על פי המכני שלהם המתח הודגם בהצלחה. התוצאות שהתקבלו הם חיוניות להתפתחות עיצוב משאבה ואופטימיזציה של משאבות כדי להפחית נזק לתאים.

משאבות משמשות להעברת תרביות תאים בתעשיות התרופות וביוטכנולוגיה. במהלך תהליך השאיבה, לחץ מכאני יכול לגרום לנזק בלתי הפיך תא, אשר עלול לפגוע בכמות ובאיכות של המוצר 1-4. רמת לחץ מכאני תלויה בהגדרות סוג המשאבה ומשאבה, כפי שהודגם במחקרים קודמים 5-6. בדרך כלל, משאבות peristaltic, מזרק והסרעפת משמשות לשימוש יחיד יישומים מבוססים טכנולוגיה (SU). משאבות אלה לגרום לכוחות גזירה מקומיים גבוהים הנגרמים על ידי הדחיסה של צינור המשאבה והזרימה הפועמת 7. על מנת להתגבר על חסרונות אלה, משאבות צנטריפוגליות לרחף מגנטי (משאבות צנטריפוגליות מגלב) מהווה חלופה מבטיחה. המנוע מונע מגנטי כדי למנוע פערים צרים בין המאיץ ודיור המשאבה (איור 1). מחקר קודם חקר את צנטריפוגלי המגלבמשאבות והראה לחץ מכאני נמוך בסינית השחלות (CHO) תאים לעומת סרעפת peristaltic ו -4 בוכנה משאבות 5. בנוסף, ניתוחי המוליזה עולים כי אין היווצרות טראומת דם וקרישי דם משמעותית על פני טווח של תנאי הפעלה באמצעות משאבות אלה 8-11. הממצאים מראים כי שימוש במשאבות שתוכננו במיוחד אלה חל פחות לחץ מכאני על מערכות ביולוגיות בהשוואה למשאבות peristaltic והסרעפת. כדי לחקור את הלחץ המכני עם חשבון ניסיוני מוגבל, מערכת מודל תחליב שמן-מים מומלץ בשל העלות-(בערך 99.8%) ו- (99.5% בקירוב) יישום מופחת זמן בהשוואה למערכות תרבית תאים ביולוגיות. כהתפרקות ירידה של מערכת תחליב שמן-מים היא פונקציה של לחץ מכאני, שחרר גדלים חייבים להימנות על הזמן הניסיוני של חקירות מאמץ גזירה. טכניקות רבות לשינוי גודל טיפות זמינות, which ניתן לחלק את קול, לייזר וטכניקות מבוססות תמונה 12. בפרט, השימוש באנדוסקופיה מוטבעת בדיקה התמונה אופטי תערוכות גדלים כמעט זהים לירידה לתגליות ידניות ואוטומטיות (סטיית תקן מתחת ל -10%) ומאפשר זיהוי של 250 טיפות לדקה 13. בגלל הדיוק והאמינות שלו, טכניקת אנדוסקופ הוכחה להיות טכניקת מדידה סטנדרטית יעילה להפצות גודל ירידה בתפוצות נוזלי / נוזל בהשוואה לבדיקות נפוצות אחרות (למשל סיבים אופטיים קדימה-אחורה-יחס חיישן, (FBR) , שיטת קרן ממוקדת החזרה (FBRM) וטכניקת מדידת החזרה האופטית דו-ממדית (2D-ORM)) 12,14. יתר על כן, את התאמתו של אנדוסקופיה מוטבעת למדידת גדלי ירידה בכלי עורר הודגמה מספר פעמים בחקירות קודמות 15-18. בהתבסס על מחקר לפני 6, פרוטוקול זה מתארהשימוש באנדוסקופיה מוטבעת כדי לקבוע גדלי ירידה (Sauter אומר קוטר) של מערכת תחליב שמן-מים במשאבות. Sauter אומר קוטר שימש כקריטריון השוואה כדי להעריך את הלחץ המכני של משאבות רב-שימוש (MU) צנטריפוגלי מגלב, peristaltic ושימוש יחיד משאבת דיאפרגמה 4 בוכנה (SU). <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig1.jpg" /> איור 1. לרחף מגנטי משאבה-מערכת צנטריפוגלי. (א) העיקרון של מנוע bearingless ו( ב) 200MU PuraLev מוצג כדוגמא. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53052/53052fig1highres.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>CCD camera</td>
			<td>Allied Vision Technologies GmbH</td>
			<td>GX2750</td>
			<td>Equipment for inline endoscopy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C-Flex Biopharmaceutical Tubing</td>
			<td>Saint-Gobain Performance Plastics</td>
			<td>374-375-4</td>
			<td>Tube 
			Select a tubing length of about 45 cm 
			before the pump.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C-Flex Biopharmaceutical Tubing</td>
			<td>Saint-Gobain Performance Plastics</td>
			<td>374-375-3</td>
			<td>Tube 
			Select a tubing length of about 45 cm after the pump and clamp on the flow sensor to this tubing.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CLAVE Connector</td>
			<td>Victus</td>
			<td>011-C2000</td>
			<td>Sampling port</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Controller LPC-200.1-02</td>
			<td>Levitronix GmbH</td>
			<td>100-30030</td>
			<td>PuraLev 200MU controller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Controller LPC-600.1-02</td>
			<td>Levitronix GmbH</td>
			<td>100-30033</td>
			<td>PuraLev 600MU controller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LeviFlow Clamp-On Sensor LFSC-12</td>
			<td>Levitronix GmbH</td>
			<td>100-30329</td>
			<td>Flow sensor for flow rates below 5 L min-1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LeviFlow Converter LFC-1C-CS</td>
			<td>Levitronix GmbH</td>
			<td>100-30328</td>
			<td>Flow sensor output device&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Masterflex I/P Easy Load</td>
			<td>Fisher Scientific AG</td>
			<td>EW-77963-10</td>
			<td>Peristaltic pump</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mitos free flow valve</td>
			<td>Parker Hannifin Europe S&#224;rl</td>
			<td>FFLQR16S6S6AM</td>
			<td>Valve</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mobil Eal Arctic</td>
			<td>Exxon Mobil Corporation</td>
			<td>Mobil EAL Arctic 22</td>
			<td>Oil 
			Prepare the emulsion directly before 
			the experiment.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motor</td>
			<td>Elektromotorenwerk Brienz AG</td>
			<td>7WAC72N4THTF</td>
			<td>Motor for agitator shaft</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motor BSM-1.4</td>
			<td>Levitronix GmbH</td>
			<td>100-10005</td>
			<td>PuraLev 200MU motor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motor LPM-600.4</td>
			<td>Levitronix GmbH</td>
			<td>100-10038</td>
			<td>PuraLev 600MU motor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Norm-Ject 10 mL Luer Lock</td>
			<td>Restek Corporation</td>
			<td>22775</td>
			<td>Syringe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pump Head LPP-200.5</td>
			<td>Levitronix GmbH</td>
			<td>100-90525</td>
			<td>PuraLev 200MU pump head</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pump Head LPP-600.18</td>
			<td>Levitronix GmbH</td>
			<td>100-90548</td>
			<td>PuraLev 600MU pump head</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Quattroflow 1200-SU</td>
			<td>Almatechnik AG</td>
			<td>QF 1200</td>
			<td>4-piston diaphragm pump</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SciPres Sensor</td>
			<td>SciLog</td>
			<td>080-695PSX</td>
			<td>Pressure sensor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SciPres Sensor Monitor</td>
			<td>SciLog</td>
			<td>080-690</td>
			<td>Pressure sensor output device&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SOPAT-VF Inline Endoscopic Probe</td>
			<td>SOPAT GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Inline endoscopy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stroboscope</td>
			<td>Drello GmbH &#38; Co KG</td>
			<td>Drelloscop 255-01</td>
			<td>Equipment for inline endoscopy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triton X-100</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>X100</td>
			<td>Surfactant 
			Handle with gloves and goggles. 
			(acute toxicity, eye irritation)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a cost-effective and reliable method to predict mechanical stress in single-use and standard pumps

משאבות משמשות בעיקר בעת העברת broths תרבות סטרילי בתהליכי ייצור ביו-פארמה וביוטכנולוגיה. עם זאת, במהלך תהליך שאיבת כוחות גזירה להתרחש אשר יכולה להוביל לאובדן מוצר איכותי ו / או כמותית. כדי לחשב את הלחץ המכני עם חשבון ניסיוני מוגבל, שימשה מערכת תחליב שמן-מים, התאמה שהודגמה לתגליות גודל הירידה בbioreactors 1. כהתפרקות ירידה של מערכת תחליב שמן-מים היא פונקציה של לחץ מכאני, שחרר גדלים צריכים לספור על הזמן הניסיוני של חקירות מאמץ גזירה. במחקרים קודמים, אנדוסקופיה מוטבעת הוכחה להיות טכניקת מדידה מדויקת ואמינה לתגליות גודל ירידה בתפוצות נוזלית / נוזל. המטרה של פרוטוקול זה היא להראות את ההתאמה של טכניקת אנדוסקופיה מוטבעת למדידות גודל ירידה בתהליכי שאיבה. כדי להביע את גודל הירידה, Sauter אומר קוטרד 32 שימש כקוטר הנציג של טיפות בתחליב שמן-מים. התוצאות הראו וריאציה נמוכה בקטרים ​​הממוצעים Sauter, שהיו לכמת על ידי סטיות תקן של מתחת ל -15%, המעידה על האמינות של טכניקת המדידה.

הערכה אופטית איור u מחדש 3 מציג את תמונות הכרת חלקיקים לאחר זמן שאיבה של 1 שעה. ארבע תמונות העליונות להראות טיפות לפני ההכרה וארבע תמונות התחתונות מראות הטיפות מסומנות על ידי התוכנה לזיהוי. הטיפות זוהו מודגשות עם קצה ירוק. השוואת התמונות העליונות ותחתונות מראה כי קצות הירידה התגלו דווקא על ידי התוכנה לזיהוי תמונה. התמונות משמאל מראות את התפלגות הירידה לצנטריפוגלי מגלב משאבות PuraLev 200MU וPuraLev 600MU, ואלה בצד הימין מראים את סרעפת 4 בוכנה ומשאבת peristaltic. הערכה אופטית אפשרה סיווג ראשוני של הלחץ המכני במערכת תחליב מודל. זה גילה כי גדלי ירידה גדולים יותר וספירת ירידה נמוכה יותר נוצרו על ידי המשאבות צנטריפוגליות המגלב לעומת diaphr 4 הבוכנהמשאבת AGM וperistaltic. כתוצאה מכך, המשאבות צנטריפוגליות מגלב, במיוחד 200MU PuraLev, הראו ירידת שבירה מופחתת, המצביעה על לחצים מכאניים נמוכים. <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig3.jpg" /> 3. תמונות איור של אנדוסקופיה מוטבעת. אמולסיה טיפות לפני (A, B, C, D) ואחרי (E, F, G, H) הכרת חלקיקים לאחר שעה 1 של שאיבה באמצעות (A, E) 200MU PuraLev, ( B, משאבת הבוכנה סרעפת 4-F) 600MU PuraLev, (C, G), ו( D, H) משאבת peristaltic בתנאי הפעלה זהות (3.4 L דקות -1 ו0.03 בר). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53052/53052fig3highres.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן לצפייה גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> SAUTERקוטר חקירות נוספות גילו סטיות תקן מתחת ד 32 ± 0.4 מיקרומטר ומובטחים תוצאות לשחזור בעת השימוש באנדוסקופיה מוטבעת 19. לכן, חקירות מרובות לא נדרשו לגישה זו, שגם הקטינה את ההוצאות הניסיוניות. כדי להביע את גודל הירידה, Sauter אומר ד קוטר 32 (ראה משוואה. 1) שימש כקוטר הנציג של טיפות בתחליב שמן-מים לגישה זו. באופן כללי, Sauter אומר קוטר ירד לאורך זמן לכל סוגי המשאבה והגדרות משאבה עד שמגיע למצב יציב 12. חקירות במחקר זה אישרו את ההתקדמות של Sauter אומר קוטר (איור u מחדש 4A לD), עקומות של PuraLev 200MU (איור u מחדש ו# 160; 4A) ומשאבת peristaltic (איור u מחדש 4D) דנים מופתי בפרוטוקול זה. בניגוד ל200MU PuraLev, Sauter אומר קטרים ​​היו עד 40% קטנים יותר למשאבת peristaltic באותם תנאי פעולה (קצב זרימה = 3.4 L דקות -1; ירידה = 0.03 בר לחץ). כתוצאה מכך, לחצים מכאניים גבוהים הביאו להתפרקות ירידה מוגברת ובגדלי ירידה לכן קטנים יותר. יתר על כן, Sauter אומר קוטר ירד עם ירידת לחץ הגוברת ב200MU PuraLev (איור u מחדש 4A), אשר הצביעה על התלות בגודל טיפה על ירידה בלחץ. לעומת זאת, משאבת peristaltic הראתה Sauter אומר קוטר של ד 32,60min = 10 מיקרומטר בסוף הניסוי לכל הפרמטרים התהליך (איורu מחדש 4D). לכן, Sauter אומר קוטר נמצא להיות עצמאי של ירידה בלחץ. עם זאת, התוצאות משקפות את ההבנה פיזית של הפרידה הירידה: עם לחץ מכאני גבוה, קטרים ​​ממוצעים Sauter קטנים נקבעו (ראה גם איור u מחדש 5). עבור כל נקודת מדידה, לפחות 300 טיפות נקבעו על מנת להבטיח ודאות סטטיסטית. סטיית התקן המקסימלי ירד ל200MU PuraLev מ32,4min ד ± 42 מיקרומטר ול600MU PuraLev מ32,6min ד ± 21 מיקרומטר לכ ד 32 ± 0.5 מיקרומטר בסופו של תהליך השאיבה. סטיית התקן ירדה כתוצאה מהתפלגות גודל הטיפה הומוגנית גדלה עד שהגיע למצב יציב. בהשוואה לאo המשאבות צנטריפוגליות המגלב, משאבות דיאפרגמה peristaltic ו -4 בוכנה-גילו סטיות תקן מתחת ד 32 ± 10 מיקרומטר. <img alt="משוואת 1" src="/files/ftp_upload/53052/53052eq1.jpg" width="80" /> (1) <img alt="איור 4" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig4.jpg" /> 4. פרופילים אופייניים איור של Sauter אומר קטרים ​​הייתם 32 לאורך זמן והנחישות של הקטרים ​​הממוצעים Sauter נמדדו הייתם 32, מ &#39;. השוואה של קטרים ​​ממוצעים Sauter ד 32 (א) לPuraLev 200MU, (ב) לPuraLev 600MU, (ג) למשאבת הבוכנה 4-סרעפת, ו( ד &#39;) למשאבת peristaltic. הקטרים ​​הממוצעים Sauter ד 32 נקבעו בקצב זרימה של 3.4 ליטר דקות -1 ולחץ יורד החל 0.03-0.61 בר.ד נמדד Sauter ממוצע הקוטר 32, מ &#39;חושב שלעברו 10 דקות (גבול). סטיית התקן וכתוצאה מכך של הקטרים ​​הממוצעים Sauter ד 32 (N ≥ 300) מוצג. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53052/53052fig4highres.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> נמדד Sauter ממוצע קוטר כמערכת השוואה כפי שתואר לעיל, Sauter אומר קוטר ירד לאורך זמן עד גדלי הירידה הגיעו למצב יציב. בחודש האחרון 10 דקות של זמן הניסוי, הערך הממוצע של Sauter אומר קוטר חושבה כדי לקבוע את Sauter המדוד אומר קוטר, ששימש כקריטריון השוואה (ראה איור גבול של u מחדש 4A-D). הקטרים ​​הממוצעים Sauter נמדדו הייתם 32, מ &#39;מוצגים לקצב זרימה של 3.4 L &amp;# 160; דקות טווח -1 וירידה בלחץ 0.03-0.61 בר באיור u מחדש 5. קטרי Sauter נמדדו גדולים ממוצעים נקבעו עבור שני משאבות צנטריפוגליות המגלב (200MU ו600MU) ומשאבת דיאפרגמה 4 בוכנה-בטיפי לחץ נמוכות ומהירויות גלגל מניע. משאבת peristaltic חשפה נמדדה Sauter אומר קטרים ​​של 32 ד, מ &#39;= 10 מיקרומטר לכל הפרמטרים התהליך. כאמור, כוחות גזירה היו עצמאיים של הירידה בלחץ למשאבת peristaltic. הקטרים ​​נמדדו גדול Sauter הממוצעים של 32 ד, מ &#39;= 36 מיקרומטר ל200MU PuraLev וד 32, מ&#39; = 34 מיקרומטר ל600MU PuraLev התקבלו בירידה בלחץ של 0.03 בר. בהשוואה לעמיתיהם, מגלב צנטריפוגלי משאבת סדרה שהושג עד 59% גדולים יותר נמדד Sauter אומר קטרים. תוצאה אלהים הצביע על שיעור נמוך יותר של התפרקות ירידה ובכך לחץ מכאני נמוך כתוצאה מהשימוש במשאבות צנטריפוגליות. סטיית התקן של Sauter המדוד אומרת קטרים ​​במצב היציב היה מתחת ל -15%, ובכך מאשר ערכים אמינות ומדויקים לגדלי הירידה. <img alt="איור 5" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig5.jpg" /> השוואת איור 5. בקטרים ​​ממוצעים Sauter נמדדו היית 32, מ &#39;. נמדד Sauter קטרים ​​ממוצעים למשאבות צנטריפוגליות מגלב ועמיתיהם על 3.4 L טיפות דקות -1 ולחץ של 0.03, 0.30 ו0.61 בר. סטיות תקן וכתוצאה מכך של הקטרים ​​הממוצעים Sauter נמדדו הייתם 32, מ &#39;במצב היציב מוצגות. הקיצורים <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53052/53052fig5highres.jpg" target="_blank">Ple</a>ASE לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> 2D-ORM </td><td> מדידת החזרה אופטית דו-ממדית </td></tr><tr><td> CCD </td><td> מכשיר תשלום מצמידים </td></tr><tr><td> CHO </td><td> השחלה אוגר סינית </td></tr><tr><td> CMC </td><td> ריכוז micelle קריטי </td></tr><tr><td> FBR </td><td> קדימה-אחורה-יחס </td></tr><tr><td> FBRM </td><td> שיטת החזר קרן ממוקדת </td></tr><tr><td> MU </td><td> רב-שימוש </td></tr><tr><td> SU </td><td> שימוש יחיד </td></tr></tbody></table> מינוח <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td><img alt="V" fo:content-="" src="/files/ftp_upload/53052/V.jpg" width="8
" /></td><td> [-1 3 שניות מ &#39;] </td><td> קצב זרימה </td></tr><tr><td> ג </td><td> [מ &#39;3 מ&#39; -3] </td><td> ריכוז </td></tr><tr><td> ד 32 </td><td> [מ] </td><td> Sauter ממוצע קוטר </td></tr><tr><td> ד 32, מ &#39; </td><td> [מ] </td><td> נמדד Sauter ממוצע קוטר </td></tr><tr><td> ד של </td><td> [מ] </td><td> קוטר משטח </td></tr><tr><td> ד נ </td><td> [מ] </td><td> קוטר נפח </td></tr><tr><td> ו </td><td> [הרץ] </td><td> תדירות </td></tr><tr><td> n </td><td> [שניות -1] </td><td> מהירות מאיץ </td></tr><tr><td> N </td><td> [-] </td><td> מספר הטיפות </td></tr><tr><td> עמ &#39; </td><td> אבא </td><td> ירידה בלחץ </td></tr><tr><td> לא </td><td> שניות </td><td> זמן </td></tr><tr><td> β </td><td> [מ -3 קילוגרם] </td><td> ריכוז המוני </td></tr><tr><td> ρ </td><td> [מ -3 קילוגרם] </td><td> צפיפות </td></tr><tr><td>69; </td><td> [מ &#39;3 מ&#39; -3] </td><td> חלק המוני </td></tr></tbody></table> טבלה 1. טבלה של קיצורים ומינוח.

Watch this Scientific Journal Video about A Cost-effective and Reliable Method to Predict Mechanical Stress in Single-use and Standard Pumps at JoVE.com

A Cost-effective and Reliable Method to Predict Mechanical Stress in Single-use and Standard Pumps

Shear stress investigations on an oil-water emulsion system result in drop breakup over the experimental time. To count drop sizes in pumping processes, the suitability of inline endoscopy was successfully demonstrated in this protocol.

שיטה חסכונית ואמינה לחיזוי לחץ מכאני בSingle-שימוש ומשאבות רגילים

Pumps are mainly used when transferring sterile culture broths in biopharmaceutical and biotechnological production processes. However, during the pumping ...

a-cost-effective-reliable-method-to-predict-mechanical-stress-single

Google

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Concept of Stress

SCIENTISTS IN ACTION

9.3K Views.  Zurich University of Applied Sciences. Shear stress investigations on an oil-water emulsion system result in drop breakup over the experimental time. To count drop sizes in pumping processes, the suitability of inline endoscopy was successfully demonstrated in this protocol. 

Video: A Cost-effective and Reliable Method to Predict Mechanical Stress in Single-use and Standard Pumps

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.

שיטה לפברק ננו כסף המנותק ב-3D

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

Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics

Buckling is a classical topic in mechanics. While buckling has long been studied as one of the major structural failure modes1, it has recently drawn new attention as a unique mechanism for pattern transformation. Nature is full of such examples where a wealth of exotic patterns are formed through mechanical instability2-5. Inspired by this elegant mechanism, many studies have demonstrated creation and transformation of patterns using soft materials such as elastomers and hydrogels6-11. Swelling gels are of particular interest because they can spontaneously trigger mechanical instability to create various patterns without the need of external force6-10. Recently, we have reported demonstration of full control over buckling pattern of micro-scaled tubular gels using projection micro-stereolithography (P&mu;SL), a three-dimensional (3D) manufacturing technology capable of rapidly converting computer generated 3D models into physical objects at high resolution12,13. Here we present a simple method to build up a simplified P&mu;SL system using a commercially available digital data projector to study swelling-induced buckling instability for controlled pattern transformation.
A simple desktop 3D printer is built using an off-the-shelf digital data projector and simple optical components such as a convex lens and a mirror14. Cross-sectional images extracted from a 3D solid model is projected on the photosensitive resin surface in sequence, polymerizing liquid resin into a desired 3D solid structure in a layer-by-layer fashion. Even with this simple configuration and easy process, arbitrary 3D objects can be readily fabricated with sub-100 &mu;m resolution.
This desktop 3D printer holds potential in the study of soft material mechanics by offering a great opportunity to explore various 3D geometries. We use this system to fabricate tubular shaped hydrogel structure with different dimensions. Fixed on the bottom to the substrate, the tubular gel develops inhomogeneous stress during swelling, which gives rise to buckling instability. Various wavy patterns appear along the circumference of the tube when the gel structures undergo buckling. Experiment shows that circumferential buckling of desired mode can be created in a controlled manner. Pattern transformation of three-dimensionally structured tubular gels has significant implication not only in mechanics and material science, but also in many other emerging fields such as tunable matamaterials.

We demonstrate controlled pattern transformation of swelling gel tubes by elastic instability. A simple projection micro stereo-lithography setup is built using an off-the-shelf digital data projector to fabricate three-dimensional polymeric structures in a layer-by-layer fashion. Swelling hydrogel tubes under mechanical constraint display various circumferential buckling modes depending on dimension.

הדפסת המייקר 3D באמצעות מקרן דיגיטלי ותחולתו בחקר מכניקת חומרים רכות

Buckling is a classical topic in mechanics. While buckling has long been studied as one of the major structural failure modes1, it has recently drawn new ...

Mechanical Expansion of Steel Tubing as a Solution to Leaky Wellbores

Wellbore cement, a procedural component of wellbore completion operations, primarily provides zonal isolation and mechanical support of the metal pipe (casing), and protects metal components from corrosive fluids. These are essential for uncompromised wellbore integrity. Cements can undergo multiple forms of failure, such as debonding at the cement/rock and cement/metal interfaces, fracturing, and defects within the cement matrix. Failures and defects within the cement will ultimately lead to fluid migration, resulting in inter-zonal fluid migration and premature well abandonment. Currently, there are over 1.8 million operating wells worldwide and over one third of these wells have leak related problems defined as Sustained Casing Pressure (SCP)1. 
The focus of this research was to develop an experimental setup at bench-scale to explore the effect of mechanical manipulation of wellbore casing-cement composite samples as a potential technology for the remediation of gas leaks. 
The experimental methodology utilized in this study enabled formation of an impermeable seal at the pipe/cement interface in a simulated wellbore system. Successful nitrogen gas flow-through measurements demonstrated that an existing microannulus was sealed at laboratory experimental conditions and fluid flow prevented by mechanical manipulation of the metal/cement composite sample. Furthermore, this methodology can be applied not only for the remediation of leaky wellbores, but also in plugging and abandonment procedures as well as wellbore completions technology, and potentially preventing negative impacts of wellbores on subsurface and surface environments.

This article reports on a laboratory scale investigation of an existing field procedure and its adaptation for sealing of leaky wellbores. It consists of mechanical expansion of metal pipe, which results in an improved metal/cement bond, ultimate sealing of hydraulic pathways and prevention of gas leaks caused by the presence of a microannular channel.

הרחבה מכאנית של הפלדה Tubing כפתרון שלשיטה רותחת

Wellbore cement, a procedural component of wellbore completion operations, primarily provides zonal isolation and mechanical support of the metal pipe ...

A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion

The California sea lion (Zalophus californianus), is an agile and powerful swimmer. Unlike many successful swimmers (dolphins, tuna), they generate most of their thrust with their large foreflippers. This protocol describes a robotic platform designed to study the hydrodynamic performance of the swimming California sea lion (Zalophus californianus). The robot is a model of the animal&#39;s foreflipper that is actuated by motors to replicate the motion of its propulsive stroke (the &#39;clap&#39;). The kinematics of the sea lion&#39;s propulsive stroke are extracted from video data of unmarked, non-research sea lions at the Smithsonian Zoological Park (SNZ). Those data form the basis of the actuation motion of the robotic flipper presented here. The geometry of the robotic flipper is based a on high-resolution laser scan of a foreflipper of an adult female sea lion, scaled to about 60% of the full-scale flipper. The articulated model has three joints, mimicking the elbow, wrist and knuckle joint of the sea lion foreflipper. The robotic platform matches dynamics properties&#8212;Reynolds number and tip speed&#8212;of the animal when accelerating from rest. The robotic flipper can be used to determine the performance (forces and torques) and resulting flowfields.

A robotic platform is described that will be used to study the hydrodynamic performance&#8212;forces and flowfields&#8212;of the swimming California sea lion. The robot is a model of the animal&#39;s foreflipper that is actuated by motors to replicate the motion of its propulsive stroke (the &#39;clap&#39;).

פלטפורמה רובוטית לחקר Foreflipper של אריה ים קליפורני

The California sea lion (Zalophus californianus), is an agile and powerful swimmer. Unlike many successful swimmers (dolphins, tuna), they generate most ...

Ice Generation and the Heat and Mass Transfer Phenomena of Introducing Water to a Cold Bath of Brine

We demonstrate a method for the study of the heat and mass transfer and of the freezing phenomena in a subcooled brine environment. Our experiment showed that, under the proper conditions, ice can be produced when water is introduced to a bath of cold brine. To make ice form, in addition to having the brine and water mix, the rate of heat transfer must bypass that of mass transfer. When water is introduced in the form of tiny droplets to the brine surface, the mode of heat and mass transfer is by diffusion. The buoyancy stops water from mixing with the brine underneath, but as the ice grows thicker, it slows down the rate of heat transfer, making ice more difficult to grow as a result. When water is introduced inside the brine in the form of a flow, a number of factors are found to influence how much ice can form. Brine temperature and concentration, which are the driving forces of heat and mass transfer, respectively, can affect the water-to-ice conversion ratio; lower bath temperatures and brine concentrations encourage more ice to form. The flow rheology, which can directly affect both the heat and mass transfer coefficients, is also a key factor. In addition, the flow rheology changes the area of contact of the flow with the bulk fluid.

Here, we present a protocol to demonstrate the generation of ice when water is introduced to a cold bath of brine, as a secondary refrigerant, at a range of temperatures well below the freezing point of water. It can be used as an alternative way of producing ice for industry.

דור קרח ואת מעבר החום ומסת התופעות של מי היכרות על אמבט קר של בריין

We demonstrate a method for the study of the heat and mass transfer and of the freezing phenomena in a subcooled brine environment. Our experiment showed ...

Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few can observe immobilized particles. Moreover, a limited number of studies have experimentally measured the exertable forces on the particles. The designs can be classified as the protruding nanodisk type or the suppressed nanohole type. For the latter, microscopic observation is extremely challenging. In this paper, a new plasmonic tweezer system is introduced to monitor particles, both in directions parallel and orthogonal to the symmetric axis of a plasmonic nanohole structure. This feature enables us to observe the movement of each particle near the rim of the nanohole. Furthermore, we can quantitatively estimate the maximal trapping forces using a new fluidic channel.

A microchip fabrication process that incorporates plasmonic tweezers is presented here. The microchip enables the imaging of a trapped particle to measure maximal trapping forces.

השמנת Plasmonic ושחרור של חלקיקים בסביבת ניטור

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few ...

Experimental Implementation of a New Composite Fabrication Method: Exposing Bare Fibers on the Composite Surface by the Soft Layer Method

The bipolar plate is a key component in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and vanadium redox flow batteries (VRFBs). It is a multi-functional component that should have high electrical conductivity, high mechanical properties, and high productivity.
In this regard, a carbon fiber/epoxy resin composite can be an ideal material to replace the conventional graphite bipolar plate, which often leads to the catastrophic failure of the entire system because of its inherent brittleness. Though the carbon/epoxy composite has high mechanical properties and is easy to manufacture, the electrical conductivity in the through-thickness direction is poor because of the resin-rich layer that forms on its surface. Therefore, an expanded graphite coating was adopted to solve the electrical conductivity issue. However, the expanded graphite coating not only increases the manufacturing costs but also has poor mechanical properties.
In this study, a method to expose fibers on the composite surface is demonstrated. There are currently many methods that can expose fibers by surface treatment after the fabrication of the composite. This new method, however, does not require surface treatment because the fibers are exposed during the manufacture of the composite. By exposing bare carbon fibers on the surface, the electrical conductivity and mechanical strength of the composite are increased drastically.

A protocol to expose bare fibers on the composite surface by eliminating resin rich area is presented. The fibers are exposed during fabrication of the composites, not by the post surface treatment. The exposed carbon composites exhibit high electrical conductivity in the through-thickness direction and high mechanical property.

יישום ניסיוני של שיטת ייצור ללא הפרדות צבע חדשה: חשיפת סיבי חשופות על פני השטח Composite בשיטת שכבה רכה

The bipolar plate is a key component in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and vanadium redox flow batteries (VRFBs). It is a multi-functional ...

Measurements of Waves in a Wind-wave Tank Under Steady and Time-varying Wind Forcing

This manuscript describes an experimental procedure that allows obtaining diverse quantitative information on temporal and spatial evolution of water waves excited by time-dependent and steady wind forcing. Capacitance-type wave gauge and Laser Slope Gauge (LSG) are used to measure instantaneous water surface elevation and two components of the instantaneous surface slope at a number of locations along the test section of a wind-wave facility. The computer-controlled blower provides airflow over the water in the tank whose rate can vary in time. In the present experiments, the wind speed in the test section initially increases quickly from rest to the set value. It is then kept constant for the prescribed duration; finally, the airflow is shut down. At the beginning of each experimental run, the water surface is calm and there is no wind. Operation of the blower is initiated simultaneously with the acquisition of data provided by all sensors by a computer; data acquisition continues until the waves in the tank fully decay. Multiple independent runs performed under identical forcing conditions allow determining statistically reliable ensemble-averaged characteristic parameters that quantitatively describe wind-waves&#39; variation in time for the initial development stage as a function of fetch. The procedure also allows characterizing the spatial evolution of the wave field under steady wind forcing, as well as decay of waves in time, once the wind is shut down, as a function of fetch.

This manuscript describes a fully computer-controlled procedure that allows obtaining reliable statistical parameters from experiments of water waves excited by steady and unsteady wind forcing in a small-scale facility.

מדידות של גלים בתוך מיכל גל תחת רוח יציב ולא משתנה הזמן מכריח

This manuscript describes an experimental procedure that allows obtaining diverse quantitative information on temporal and spatial evolution of water ...

Measurements of Local Instantaneous Convective Heat Transfer in a Pipe - Single and Two-phase Flow

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer coefficient as a function of the liquid flow rate in a transparent pipe. With certain amendments, the approach is extended to gas-liquid flows, with a particular emphasis on the effect of a single elongated (Taylor) air bubble on heat transfer enhancement. A non-invasive thermography technique is applied to measure the instantaneous temperature of a thin metal foil heated electrically. The foil is glued to cover a narrow slot cut in the pipe. The thermal inertia of the foil is small enough to detect the variation in the instantaneous foil temperature. The test section can be moved along the pipe and is long enough to cover a considerable part of the growing thermal boundary layer.
At the beginning of each experimental run, a steady state with a constant water flow rate and heat flux to the foil is attained and serves as the reference. The Taylor bubble is then injected into the pipe. The heat transfer coefficient variations due to the passage of a Taylor bubble propagating in a vertical pipe is measured as function of the distance of the measuring point from the bottom of the moving Taylor bubble. Thus, the results represent the local heat transfer coefficients. Multiple independent runs preformed under identical conditions allow accumulating sufficient data to calculate reliable ensemble-averaged results on the transient convective heat transfer. In order to perform this in a frame of reference moving with the bubble, the location of the bubble along the pipe has to be known at all times. Detailed description of measurements of the length and of the translational velocity of the Taylor bubbles by optical probes is presented.

This manuscript describes methods aimed at measuring the local instantaneous convective heat transfer coefficients in a single or two-phase pipe flow. A simple optical method to determine the length and the propagation velocity of an elongated (Taylor) air bubble moving at a constant velocity is also presented.

מדידות של העברת החום הולכת חום מקומי מיידי בתוך צינור - יחיד, דו-שלבית זרימה

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer ...

Three-electrode Coin Cell Preparation and Electrodeposition Analytics for Lithium-ion Batteries

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and subsequent safety issues becomes increasingly important. In a Li-ion cell setup, the voltage measurement across the positive and negative terminals inherently includes the effect of the cathode and anode which are coupled and sum to the total cell performance. Accordingly, the ability to monitor the degradation aspects associated with a specific electrode is extremely difficult because the electrodes are fundamentally coupled. A three-electrode setup can overcome this problem. By introducing a third (reference) electrode, the influence of each electrode can be decoupled, and the electrochemical properties can be measured independently. The reference electrode (RE) must have a stable potential that can then be calibrated against a known reference, for example, lithium metal. The three-electrode cell can be used to run electrochemical tests such as cycling, cyclic voltammetry, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Three-electrode cell EIS measurements can elucidate the contribution of individual electrode impedance to the full cell. In addition, monitoring the anode potential allows the detection of electrodeposition due to lithium plating, which can cause safety concerns. This is especially important for the fast charging of Li-ion batteries in electric vehicles. In order to monitor and characterize the safety and degradation aspects of an electrochemical cell, a three-electrode setup can prove invaluable. This paper aims to provide a guide to constructing a three-electrode coin cell setup using the 2032-coin cell architecture, which is easy to produce, reliable, and cost-effective.

Three-electrode cells are useful in studying the electrochemistry of lithium-ion batteries. Such an electrochemical setup allows the phenomena associated with the cathode and anode to be decoupled and examined independently. Here, we present a guide for construction and use of a three-electrode coin cell with emphasis on lithium plating analytics.

3-אלקטרודה מטבע תא הכנה וניתוח Electrodeposition עבור סוללות ליתיום

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and ...