Tecnica di imaging frugale del flusso capillare attraverso polveri di stampa polimerica tridimensionale

Riepilogo

La tecnica proposta fornirà un approccio nuovo, efficiente, frugale e non invasivo per l'imaging del flusso fluidico attraverso un letto di polvere imballato, producendo un'elevata risoluzione spaziale e temporale.

Abstract

Lo sviluppo di nuove tecniche di imaging del trasporto molecolare e colloidale, comprese le nanoparticelle, è un'area di indagine attiva negli studi microfluidici e millifluidici. Con l'avvento della stampa tridimensionale (3D), è emerso un nuovo dominio di materiali, aumentando così la domanda di nuovi polimeri. In particolare, le polveri polimeriche, con dimensioni medie delle particelle dell'ordine del micron, stanno vivendo un crescente interesse da parte delle comunità accademiche e industriali. Il controllo della sintonizzazione dei materiali su scale di lunghezza da mesoscopica a microscopica crea opportunità per sviluppare materiali innovativi, come i materiali sfumati. Recentemente, è cresciuta la necessità di polveri polimeriche di dimensioni micron, poiché si stanno sviluppando chiare applicazioni per il materiale. La stampa tridimensionale fornisce un processo ad alta produttività con un collegamento diretto a nuove applicazioni, guidando le indagini sulle interazioni fisico-chimiche e di trasporto su mesoscala. Il protocollo discusso in questo articolo fornisce una tecnica non invasiva per visualizzare il flusso di fluidi nei letti di polvere imballati, fornendo un'elevata risoluzione temporale e spaziale sfruttando al contempo la tecnologia mobile prontamente disponibile dai dispositivi mobili, come gli smartphone. Utilizzando un comune dispositivo mobile, i costi di imaging che normalmente sarebbero associati a un microscopio ottico vengono eliminati, risultando in un approccio scientifico frugale. Il protocollo proposto ha caratterizzato con successo una varietà di combinazioni di fluidi e polveri, creando una piattaforma diagnostica per l'imaging rapido e identificando una combinazione ottimale di fluido e polvere.

Introduzione

Il getto di legante a getto d'inchiostro nei supporti in polvere rappresenta una tecnologia importante nella produzione additiva (stampa 3D). Il processo di binder jetting inizia con la deposizione di fluidi funzionali in supporti in polvere utilizzando un processo di stampa a getto d'inchiostro a scansione. In particolare, una testina di stampa a getto d'inchiostro traslata sulla superficie della polvere, depositando l'agente legante liquido su una superficie di polvere e formando così una parte solida in modo strato^{per strato 1}. Le tecnologie binder jetting basate su getto d'inchiostro includono generalmente sabbia, polveri metalliche e polveri polimeriche. Tuttavia, per espandere lo spazio dei materiali nel getto di legante, è necessario un approccio fondamentale per studiare le interazioni fluido-polvere e polvere-polvere, la tribologia, la densità di impacchettamento della polvere e l'aggregazione delle particelle. In particolare, per le interazioni fluido-polvere, esiste una necessità critica per la capacità di visualizzare il flusso di fluido attraverso i letti di polvere in tempo reale. Questo promette di essere un potente strumento per i ricercatori da includere come tecnica di caratterizzazione e potenzialmente come metodo di screening per diverse combinazioni di fluidi e polveri ^2,3,4, nonché sistemi più complessi^, come i sistemi di stampa 3D in calcestruzzo che utilizzano metodi a letto di particelle.

Lo sviluppo di nuove tecniche di imaging del trasporto molecolare e colloidale, comprese le nanoparticelle, è un'area attiva di indagine negli studi microfluidici e millifluidici. Sondare le interazioni intermolecolari con tecniche di imaging può essere impegnativo, poiché poco lavoro è stato fatto per sondare questi tipi di interazioni nelle condizioni di flusso di fluido insaturo e instabile. Molti degli studi riportati in letteratura si sono concentrati su mezzi saturi, pre-bagnati, porosi, come la perla di vetro 5,6,7,8,9,10,11,12 e i terreni 13,14,15,16,17,18 . Questa tecnica fornisce un approccio non invasivo, con conseguente alta risoluzione temporale e spaziale 2,3,4,19. Inoltre, la tecnica sviluppata fornisce un nuovo metodo per caratterizzare e quantificare il trasporto di particelle su scala nanometrica e micron in una varietà di mezzi porosi, concentrandosi sulle polveri polimeriche.

La tecnica proposta utilizza un dispositivo mobile per registrare il trasporto fluidico insaturo e instabile attraverso mezzi polimerici porosi con dimensioni delle particelle rappresentative delle polveri utilizzate nei sistemi di stampa 3D che utilizzano tecnologie di fusione fluidica a letto di polvere. Questa tecnica è vantaggiosa in quanto le celle a flusso sono economiche, riutilizzabili, piccole e facilmente gestibili, illustrando gli aspetti dominanti della scienza frugale. La capacità di implementare questi semplici esperimenti in uno studio sul campo è molto semplice, eliminando le complicazioni, i costi e il tempo richiesti nella microscopia ottica. Data la facilità di creazione della configurazione, l'accesso a risultati rapidi e il numero minimo di requisiti di campionamento, questa tecnica è una piattaforma ottimale per lo screening diagnostico.

Protocollo

1. Preparazione della cella a flusso microfluidico

NOTA: Per questo protocollo, verrà utilizzata una cella di flusso microfluidica commerciale. Utilizzando un prodotto commerciale progettato per la penetrazione della luce da un microscopio ottico, qualsiasi problema relativo all'illuminazione in campo chiaro dei supporti sarà ridotto al minimo.

1. Iniziare a preparare la cella di flusso microfluidica coprendo l'uscita con parafilm per sigillare un'estremità del canale in modo che la cella di flusso vuota possa essere imballata con polvere polimerica. Prima di iniziare l'esperimento, verificare che il canale microfluidico sia pulito e asciutto.
   1. Fissare il righello di carta metrica direttamente sotto il canale di flusso.
   2. Pesare la cella di flusso microfluidica con il parafilm e il righello collegati. La massa della cella di flusso è la massa della cella di flusso non imballata (m_u).

2. Imballaggio della polvere nel canale

1. Quando si imballa la polvere, utilizzare un pipet di plastica per trasferire la polvere. Si noti che le particelle possono aderire all'esterno della punta del pipet, che è il risultato della tribocarica.
   1. Durante l'introduzione della polvere nel canale, toccare la cella di flusso almeno cinque volte per compattare la polvere. Continuare l'imballaggio fino a quando la polvere raggiunge l'inizio dell'apertura del canale di flusso.
      NOTA: La maschiatura compatta la polvere all'interno del canale con l'obiettivo di fornire uno strumento diagnostico riproducibile. Per alcune applicazioni, questo sforzo può essere un livello superiore, inferiore o equivalente di compattazione della polvere rispetto alla compattazione osservata nell'applicazione di interesse. Se ci sono problemi con la riproducibilità della spillatura o con la polvere di imballaggio all'interno dell'applicazione, prendere in considerazione l'esecuzione di ASTM D7481-18²⁰.
   2. Rimuovere la polvere presente sulla superficie esterna della cella di flusso con una salvietta imbevuta di alcool.
      NOTA: Alcuni tipi di particelle possono essere idrofobici, quindi l'acqua potrebbe non rimuovere bene le particelle.
2. Una volta imballate le polveri, ispezionare visivamente la cella di flusso per la presenza di polvere confezionata liberamente. Se la polvere all'interno della cella di flusso appare compatta liberamente (Figura 1), toccare la cella di flusso altre cinque volte. Se l'impacchettamento della polvere appare coerente e compatto, pesare la cella di flusso per misurare la massa della polvere polimerica (m _p- m_u; vedere Equazione 1).
   1. Calcolare la densità di impacchettamento sfuso (ρ) utilizzando la differenza tra la massa della cella di flusso non imballata (m _u) e imballata (m_p) e dividendola per il volume della cella di flusso. Il volume della cella di flusso è quindi noto [lunghezza (l): 50 mm, larghezza (w): 5 mm, profondità canale (h): 0,8 mm].
           Eq 1
   2. Verificare che la densità di imballaggio sia compresa tra 0,45 g/ml e 0,55 g/ml per le polveri polimeriche 2,3,4,21. Lasciare le celle di flusso nella cappa aspirante fino al completamento delle fasi 3 e 4.
      ATTENZIONE: Le particelle con un diametro inferiore a 10 μm possono penetrare nei polmoni e potenzialmente entrare nel flusso sanguigno, il che può causare problemi di salute legati al sistema polmonare e cardiovascolare. Le polveri polimeriche utilizzate in questo esperimento hanno un diametro delle particelle di circa 50 μm. Pertanto, l'inalazione delle particelle ha meno potenziale di causare problemi di salute, ma particelle più piccole sono presenti anche in distribuzioni granulometriche strette. Per l'ambiente più sicuro, la preparazione delle celle di flusso deve essere effettuata in una cappa aspirante.

3. Preparazione del solvente

1. Preparare una soluzione al 75% in peso di etanolo in acqua. Si noti che il solvente sarà indicato come il fluido nel resto di questo manoscritto.
   ATTENZIONE: Assicurarsi che il becher utilizzato per preparare la soluzione sia privo di tensioattivi, poiché i tensioattivi influiranno sui risultati.

4. Preparazione del tavolo a luce bianca

1. Per evitare di inondare il rilevatore (telecamera) con troppa luce, coprire il tavolo luminoso con un materiale opaco, come una copertura stampata in 3D in filamento di acido polilattico nero (PLA) (Figura supplementare 1). Assicurarsi che il materiale abbia un'apertura delle dimensioni del microcanale (5 mm x 55 mm) per consentire alla luce di illuminare la polvere.
   NOTA: troppa luce significa che lo schermo o il monitor della fotocamera apparirà bianco e il microcanale non sarà visibile. Pertanto, il rilevatore non sarà in grado di focalizzare la lente sul microcanale.
2. Per garantire che la fotocamera del dispositivo mobile sia in grado di catturare il contrasto tra la polvere bagnata e quella asciutta, utilizzare il tavolo luminoso a un'intensità luminosa da bassa a media.
   NOTA: l'alta intensità luminosa è al 100%. Le altre due impostazioni sono relative all'alta intensità luminosa; L'impostazione per bassa intensità luminosa è a ~ 30% e l'intensità luminosa media è a ~ 65%.
3. Allineare la fotocamera sul dispositivo mobile direttamente sopra il tavolo luminoso. Verificare che la fotocamera sia perpendicolare alla parte superiore del tavolo luminoso (Figura 2).
4. Orientare la fotocamera sul dispositivo mobile in modo che l'asse lungo del dispositivo mobile sia allineato con l'asse più lungo della cella di flusso.

5. Avvio dell'esperimento

1. Posizionare la cella di flusso sul tavolo luminoso e mettere a fuoco la fotocamera sul dispositivo mobile sul canale di flusso.
   NOTA: per risultati ottimali, uno spazio di registrazione più scuro (illuminazione dall'alto ridotta) fornisce in genere una migliore risoluzione dell'immagine. Se non è disponibile uno spazio buio, ridurre al minimo i cambiamenti nell'illuminazione dall'alto (luci accese, spente o attenuate) durante la registrazione dovrebbe migliorare i segnali grafici e ridurre al minimo il rumore indesiderato nell'esperimento.
2. Dopo aver messo a fuoco la fotocamera sul dispositivo mobile, selezionare il pulsante di registrazione. Aggiungere 125 μL di fluido all'ingresso aperto del microcanale utilizzando un pipet.
3. Registrare il flusso per 2 minuti o fino a quando tutta la polvere è bagnata visibilmente.

6. Analisi dei dati

1. Trasferire il file video dal dispositivo mobile al computer per un facile accesso. Si noti che i video superiori a 2 minuti potrebbero non essere caricati nel software in questo momento, poiché la dimensione del file può essere eccessivamente grande.
2. Scarica Tracker, un software gratuito dal sito web di Physlets²². Questo software può tenere traccia della posizione, della velocità e dell'accelerazione nei seguenti file video: .mov, .avi, .mp4, .flv, .wmv, ecc. Per i seguenti passaggi, fare riferimento a File supplementare.
   NOTA: per gli utenti Mac, installare la versione più recente del software affinché il software funzioni correttamente. Inoltre, gli utenti Mac potrebbero richiedere un motore video (Xuggle), file GIF animati (.gif) o sequenze di immagini costituite da una o più immagini digitali (.jpg, .png o incollate dagli appunti).
3. Una volta installato il software, apri il software Tracker. Dal menu File , selezionare Apri file per caricare il file video trasferito dal passaggio 6.1 sul desktop del computer.
4. Fate clic sull'icona Impostazioni clip , simile alla striscia pellicola, per definire il fotogramma iniziale e la dimensione del passo.
   NOTA: posizionando il mouse su un'icona si identifica l'icona.
   1. Definite il fotogramma iniziale. Il frame di partenza è definito come il fotogramma in cui si osserva il primo contrasto (il contrasto tra la polvere umida e secca).
   2. Impostare la dimensione del passo. Step Size si riferisce alla dimensione del passo del fotogramma, che il software analizzerebbe. Da esperimenti precedenti, la dimensione ottimale del passo è 10.
5. Fare clic sullo strumento di calibrazione, l'icona con il righello blu, a destra del pulsante Impostazioni clip . Da Nuovo, selezionare Calibration Stick.
6. Per ingrandire il righello nel video, fai clic con il pulsante destro del mouse sull'area da ingrandire e seleziona Zoom avanti dall'elenco. Una volta ingrandito in modo appropriato, definire l'inizio e la fine di 1 mm sul righello fissato al microcanale e digitare 1 mm per definire la distanza.
7. Fate clic sullo strumento Asse coordinate (Coordinate Axis Tool), ovvero l'icona viola, a destra dello strumento di calibrazione. Impostate l'Origine per gli assi x e y, utilizzando il fotogramma iniziale durante questo passaggio.
8. Per definire il punto iniziale di analisi, create una massa puntiforme. Fare clic su Crea, quindi selezionare Massa puntuale. Utilizzare Maiusc + Controllo per modificare le dimensioni del rettangolo. Il punto iniziale è dove l'ingresso e il canale si connettono.
   NOTA: il rettangolo indica il dominio, definito dall'utente, che il software eseguirà la scansione per trovare la polvere umida e secca contrastante. Il limite consente all'utente di definire la regione in cui verrà osservato il punto iniziale.
   1. Fare clic su Cerca avanti un paio di volte per verificare che il software stia analizzando l'area corretta. Se il software funziona correttamente, fare clic su Cerca e attendere che il software finisca di analizzare il video. Se il software non riesce a trovare automaticamente un'intensità dell'immagine corrispondente dal fotogramma precedente al fotogramma corrente, il software si fermerà e attenderà che l'utente ridefinisca l'area di ricerca.
      NOTA: Per la riproducibilità e la capacità di confrontare diversi risultati sperimentali, scegliere il punto più veloce o più lento del fronte del flusso fluidico (regione di contrasto tra la polvere bagnata e secca) per ogni campione.
   2. Se viene osservato un errore di analisi sui dati tracciati in tempo reale sul lato destro della schermata Tracker, fare clic sul punto dati una volta sul passaggio precedente al punto dati errato. Nella schermata principale, modificare la posizione dell'area di ricerca rettangolare rossa per cercare la regione di interesse e ripetere il passaggio 6.8.1.
      NOTA: se esiste un errore, fare clic con il pulsante destro del mouse sul punto dati impreciso e deselezionare il punto per ulteriori analisi.
9. Una volta completata l'analisi, copia e incolla i risultati in un foglio di calcolo. I risultati salvati nel foglio di calcolo comprendono i dati relativi alla distanza e al tempo.
10. Tracciare i dati copiati nel foglio di calcolo come la distanza di trasporto del fluido attraverso il letto di polvere in funzione del tempo.

Risultati

Nella sezione sull'analisi dei dati, i dati per le immagini time-lapsed nella Figura 3 illustrano la soluzione di etanolo al 75% in peso che si infiltra nella polvere di policarbonato (PC). La fluoresceina è stata aggiunta alla soluzione per migliorare la qualità dell'immagine per questa pubblicazione. Nelle immagini time-lapse, il processo di risoluzione del tempo inizia quando il fluido viene aggiunto all'ingresso. Il tempo, t, inizia non appena il fluido inizia a penetrare nel ...

Discussione

Il protocollo fornito dipende fortemente dalle caratteristiche materiali delle particelle scelte. Le proprietà del materiale che influiscono sul flusso includono la distribuzione granulometrica 2,3,4,5,11,21, la rugosità superficiale delle particelle 11, le proprietà chimiche sulla superficie delle particelle 2,3,4,5,11,16,21,23

Materiali

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