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. apparecchiature Set-up <ol><li> Assemblare sistema di dosaggio e collegare regolatore valvola e cilindro della siringa alla sorgente pneumatica, tramite un regolatore di pressione, per impostare la pressione a 15 psi per erogare la soluzione di polimero dalla punta dell&#39;ago ad una portata di 2,45 ml / min. </li><li> Inserire il robot 3 assi e sistema di erogazione in un contenitore termico per garantire un ambiente di lavoro stabile (figura 2). </li><li> Installare Punti Joint-robot di controllo (JR-C Points) software fornito dal produttore del sistema e collegare robot a 3 assi a un computer tramite porta di comunicazione seriale. </li><li> Montare valvola di erogazione di robot a 3 assi e installare punta dell&#39;ago sulla valvola. </li><li> Livellare la fase piastra robotica secondo le linee guida del produttore per garantire la planarità con rispetto all&#39;altezza della punta della valvola 15. </li><li> Assemblare un riscaldatore di feedback controllato nel recinto per aggiungere controllo ambientale. </li></ol>contenuto &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> Figura 2. (A) a 3 assi erogazione robot con accessori necessari alloggiati all&#39;interno di un&#39;area recintata; e, (B) vicino l&#39;immagine della valvola di erogazione con il microscopio USB collegato per la visualizzazione. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> Materiali 2. sperimentali e fattori di controllo <ol><li> Controllo dei fattori e la loro combinazione. <ol><li> Variare la velocità di avanzamento da 1% velocità (5 mm / sec) fino al 100% (500 mm / sec), dal software C-Points JR. Per questa applicazione, utilizza una velocità 2% (10 mm / sec) per fabbricare la strutture fibrose presentati in questo lavoro. </li><li> Variare concentrazioni della soluzione di polimero per raggiungere specifici viscosità, tensione superficiale e parametri di volatilità richiestiper l&#39;applicazione desiderata. Per questa applicazione, utilizzare un polimetilmetacrilato 24% (PMMA) in soluzione Chlorobenzene per fabbricare le strutture fibrose presentati in questo lavoro. </li><li> Variare il controllo tempo di erogazione della valvola da 0,02 sec a 1 sec al fine di espellere soluzioni attraverso l&#39;aria pneumatica. Per questa applicazione, utilizzare 0.02 sec per fabbricare le strutture in fibra presentati in questo lavoro. </li><li> Selezionare un formato calibro di punte dell&#39;ago di alta precisione per erogare soluzioni polimeriche. Per questa applicazione, utilizzare un 30 G (diametro interno (ID) = 152.4 micron) punta per fabbricare le strutture in fibra presentati in questo lavoro. </li><li> Impostare l&#39;intervallo di temperatura di esercizio compresa tra 70 ° F a 100 ° F nella casella isolata termicamente per mantenere una velocità costante evaporazione del campione di polimero. Per questa applicazione, utilizzare una temperatura di 70 ° F per fabbricare le strutture fibrose presentati in questo lavoro. </li></ol></li><li> Preparazione delle soluzioni polimeriche. <ol><li> Mescolareresine polimeriche di polimetilmetacrilato (PMMA; 0,72 g) con l&#39;Chlorobenzene solvente (2,28 g) sotto cappa a flusso chimica. </li><li> Calcolare il peso del polimero (PMMA) e il suo solvente (clorobenzene) per ottenere la concentrazione desiderata di polimero in soluzione. Per questa applicazione, utilizzare un polimetilmetacrilato 24% (PMMA) in soluzione Chlorobenzene per fabbricare le strutture fibrose presentati in questo lavoro. </li><li> Inserire desiderata quantità di polimero in polvere / resina nella fiala di vetro. Per questa applicazione, utilizzare 0,72 g di resina PMMA per raggiungere una concentrazione del 24% di PMMA. </li><li> Trasferire solvente su polimero all&#39;interno flaconcino pipetta fino al raggiungimento del peso totale di 3 g. </li><li> Mescolare il flacone per 1 min con l&#39;agitatore vortex e ultrasuoni elaborarli per 5 ore per sciogliere completamente la polvere di polimero / resina. </li><li> Controllare la trasparenza delle soluzioni, se c&#39;è qualche nuvolosità o opacità per esempio continuare a sonicare fino chiaro. </li></ol></li><li> Misura della viscosità di soluzioni polimeriche. <ol><li> Viscosità soluzione Misura via cone-and-plate viscosimetro (ad esempio, LVDV-II + e RVDV-II +) 16. </li><li> Carico 0,5 ml di viscosità noto campione standard (una miscela a base di glicerina e acqua) fornito dal produttore viscosimetro per calibrare il viscosimetro per minimizzare errori nelle misure di viscosità. Il produttore fornito una varietà di campioni standard per la taratura del viscosimetro. Utilizzare il campione standard a base di glicerina con una viscosità di 100.000 cP. </li><li> Collegare camicia d&#39;acqua per viscosimetro per mantenere il fluido di prova ad una temperatura di esercizio costante. </li><li> Avviare la misurazione fluido di prova spostando l&#39;interruttore On / Off in posizione On per avviare la rotazione del mandrino. Una volta che il valore della coppia sul display è stabilizzata, registrare la coppia e calcolare le viscosità finali utilizzando la relazione tra coppia, costante mandrino moltiplicatore e velocità del mandrino 16 <img alt="Equazione 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> dove è la viscosità, RPM è la velocità del mandrino apposto cono, TK è la coppia (0,09,373 mila per LVDV-II +, 1 per RVDV-II +), SMC è la costante del mandrino moltiplicatore che dipende mandrino specifico utilizzato durante la viscosità misurazione. Per questo studio, il CP-52 mandrino era usato che ha una costante mandrino moltiplicatore 9,83. </li></ol></li><li> Superficie di misurazione tensione delle soluzioni polimeriche. <ol><li> Metodo di misura si riferisce alla tecnica Wilhelmy. 14 </li><li> Mettere 1 ml di soluzioni di test in un flaconcino di vetro su un equilibrio ad alta risoluzione (risoluzione scala = 0,001 g). Immergere una bacchetta di vetro di diametro noto in soluzioni di test. </li><li> Controllare la posizione della canna tramite un servo o stepper controllati attuatore lineare a toccare la superficie e parzialmente immergere in soluzioni di test con contatto zero. </li><li> Monitorare e registrare la variazione di misura della massa sulla bilancia quandorimuovere l&#39;asta dalla superficie soluzione. </li><li> Calcolare tensione superficiale dal cambiamento forza, perimetro dell&#39;asta e angolo di contatto di fluido sull&#39;asta. <img alt="Equazione 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> dove è il perimetro bagnato dell&#39;asta (l = 10,05 millimetri di diametro = 3,2 mm), θ è l&#39;angolo di contatto di fluido sull&#39;asta, F è il cambiamento forza dovuta alla tensione superficiale del fluido di prova sulla punta dell&#39;asta. </li></ol></li><li> Mass misura coefficiente di trasferimento di soluzioni. <ol><li> Misurare coefficienti di trasferimento di massa di soluzioni polimeriche mediante analisi termogravimetrica. 14 </li><li> Carico 30 ml di 24% (in peso) soluzione polimerica PMMA su una piastra di platino prima taratura della bilancia. </li><li> Vent la camera, programmare il dispositivo per funzionare alla temperatura di esercizio desiderata (70 ° F) per 2 ore per il monitoraggio di massa delle soluzioni di riferimento. </li><li> Calcolare i coefficienti di trasferimento di massa da cambiamenti nella massa della soluzione,area di soluzione / interfaccia aerea e la densità. <img alt="Equazione 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> dove m (t) è la massa di soluzioni PMMA, A è l&#39;area dell&#39;interfaccia soluzione / aria (uguale 78,5 millimetri 2 per piastra standard), mPOLYMER è la massa di polimero nella soluzione e la densità della soluzione. </li></ol></li></ol> 3. Scrivere diretto Experiment Procedura <ol><li> Erogazione protocollo di carico campione sistema. <ol><li> Carico 3 ml di soluzione di polimero nel cilindro della siringa, posizionare pistone nella siringa per eliminare la distribuzione della pressione pneumatica incoerente. </li><li> Ruotare l&#39;adattatore di linea di ingresso sul corpo della siringa, collegarlo al tubo dell&#39;aria riga di origine. </li><li> Seleziona taglia calibro desiderata della punta dell&#39;ago precisione per eseguire esperimenti. </li><li> Sul pannello di controllo di erogazione, passare per eliminare lo stato e fare clic su &quot;ciclo&quot; per riempire la valvola di erogazione con polimero cosìluzione fino dimesso dalla punta dell&#39;ago. </li><li> Pulire soluzione polimerica residua dalla punta in preparazione di una procedura di scrittura fibra programmato. </li></ol></li><li> Fibre polimeriche diretti scrittura con robot a 3 assi e sistema di erogazione. <ol><li> Determinare la fase robot offset per riposizionare la punta dell&#39;ago erogazione dalla posizione iniziale predefinita al punto iniziale del micro / struttura fibrosa sub-micron prescritto da trarre. Montare un microscopio USB (ingrandimento = 200X) alla staffa valvola del sistema di erogazione, che trasla lungo l&#39;asse Z. Concentrarsi manualmente sulla punta distributore regolando la manopola di messa a fuoco sul microscopio USB che aiuta a posizionare con precisione la punta della valvola nella posizione desiderata, substrato prefabbricati o dispositivo. </li><li> Creare / progettare la struttura della fibra disegno desiderato (Figure 3A, 4A e 5A) usando un pacchetto software CAD. Ingresso le coordinate spaziali (x, y, z) nel robot JR-C controllo software per tutti i punti di inizio e di terminazione in ordine sequenziale rispetto al disegno desiderato creato all&#39;interno del programma CAD (Figura 3B, 4B e 5B). 15 </li><li> Trasferire il programma di disegno della struttura in fibra completato dal computer al robot cliccando su &quot;Invia C &amp; T dati&quot; sotto il menu robot all&#39;interno del software JR-C 15. </li><li> Carico 3 ml di PMMA campione soluzione di concentrazione nota (24%) nel cilindro della siringa, valvola di spurgo e ago, impostare tutti i parametri di dosaggio per il posizionatore e robot di controllo software. </li><li> Inserire substrato prefabbricati sul robot fase piastra, chiudere gli sportelli termici per impedire il flusso d&#39;aria ambiente, che può indurre l&#39;evaporazione instabile della soluzione polimerica. </li><li> Iniziare a scrivere le fibre sul substrato facendo clic sul menu robot di software JR-C e selezionando &quot;test in corso&quot; 15. </li><li> DC sputter coat uno strato di oro metallico conduttivo per 2 minuti fino uno strato 2 nm d&#39;oro è depositato sulle fibre prelevate per permettere la visualizzazione delle fibre al microscopio elettronico a scansione. </li><li> Misurare il diametro e la struttura delle fibre mediante microscopio elettronico a scansione 17. Parametri Microscopio: alto livello di tensione: 2,00 kV; Obiettivo: InLens, Distanza di lavoro (9,0 millimetri). </li></ol></li><li> Eseguire la procedura di pulizia del sistema di erogazione sotto una cappa a flusso chimico. <ol><li> Posizionare il sistema di erogazione in una cappa a flusso chimica per eseguire la procedura di pulizia. </li><li> Smontare valvola a spillo secondo il protocollo del produttore. </li><li> Mettere tutte le parti metalliche in un becher, versare acetone nel bicchiere che tutte le parti sono immerse. </li><li> Mettere bicchiere in un bagno ad ultrasuoni per 30 minuti per rimuovere ogni residuo di polimero. </li><li> Sciacquare tutti i componenti sotto acqua DI scorre, quindi utilizzare fucile ad aria compressa per soffiare asciugare. </li></ol></<html> li&gt; </ol><img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" /> Figura 3. (A) Esempio di creazione &quot;quad&quot; struttura web su un telaio 10 mm x 10 mm, (B) le istruzioni sequenziali point-to-point spaziali per essere immessi nel software punto JR-C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per visualizzare un versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> Figura 4. (A) Esempio di creazione struttura web &quot;simmetrica&quot; ​​a un telaio 10 mm x 10 mm, (B) istruzioni sequenziali point-to-point spaziali per essere immesso nel software punto JR-C.blank &quot;&gt; Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" /> Figura 5. (A) Esempio di creazione &quot;doppio chevron&quot; struttura web su un telaio 10 mm x 10 mm, (B) le istruzioni sequenziali point-to-point spaziali per essere immesso nel software punto JR-C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a>

<ol>
	<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.

Prima di ogni prova, è fondamentale che la viscosità, coefficienti di trasferimento di massa e la tensione superficiale di prova delle soluzioni polimeriche essere misurato con precisione al fine di determinare se il robot e sistema di erogazione è in grado di elaborare il polimero desiderato. Come descritto in precedenza dal nostro gruppo, le soluzioni di polimeri devono conservare adeguata: 1) la tensione superficiale per consentire la formazione di filamenti liquidi in strutture / sub-micron micron; 2) la viscosità per resistere capillare rompere; e, 3) tasso di evaporazione per migliorare fibra solidificazione 18. La sinergia tra questi parametri è la chiave per la produzione di fibre con successo nel corso di un determinato intervallo di diametri. Allo stesso tempo, l&#39;instabilità in qualsiasi di questi parametri evita la formazione di fibre / dimensioni sub-micron micron. Per mantenere la sinergia tra questi parametri durante la fabbricazione della fibra, è importante garantire che l&#39;ago e valvola a spillo sono accuratamente puliti dopo una-scrittura diretta sESSIONE evitare: 1) la contaminazione della soluzione; 2) la riduzione del tasso di flusso della soluzione di polimero attraverso l&#39;ago; e, 3) la crescita eccessiva nel cordone di polimero sulla punta dell&#39;ago. Inoltre, la temperatura di controllo del riscaldatore deve essere impostata la temperatura desiderata per mantenere una velocità costante evaporazione della soluzione polimerica. Le fibre ramo biforcuto erano 59%, 41% e 24% più grande di diametro di quello delle strutture di supporto delle figure 6-8, rispettivamente, utilizzando la soluzione PMMA 24%. Ciò è dovuto principalmente alla distanza a cui le fibre sono disegnati. In particolare, le strutture di supporto sono disegnati per l&#39;intera larghezza del substrato (10.0 mm X e Y; 14,4 millimetri diagonale). Come risultato, queste sono le fibre più lunghe delle strutture sospese complessiva. Le strutture ramo biforcuto sono significativamente più breve, che vanno da 7 millimetri lunghezza massima fino a 2,5 mm. Questo breve lunghezza disegno fibra non fat efficacemente indurre la deformazione delle fibre richiesto durante il processo di assottigliamento fibra per produrre piccole fibre di diametro. D&#39;altra parte, i fili di diametro maggiore devono servire come le fibre di sostegno per sostenere efficacemente il strattoni e deformazione indotta durante il processo di trafilatura ramo biforcato. Poiché i rami di biforcazione sono disegnati attraverso le fibre di sostegno, un rimodellamento della geometria fibra supporto può verificarsi a causa di forze di disegno, nonché una dissoluzione localizzata del polimero PMMA all&#39;interfaccia tra il supporto e le fibre ramificati del solvente presente nel soluzione polimerica. Pertanto, in alcuni casi, le fibre di sostegno può essere necessario fabbricato da una soluzione polimerica costituita da una maggiore concentrazione di polimero per produrre diametro maggiore e fibre meccanicamente forti. Ci sono principalmente tre metodi efficaci per modificare il protocollo esistente per generare una gamma più ampia di sostegno e fibra ramificatadiametri: 1) inizialmente dispensare il polimero da una punta dell&#39;ago più grande (ad esempio, 25 G; ID = 254 micron) per generare le fibre di sostegno e poi scambiare per una punta dell&#39;ago più piccolo (ad esempio, 32 G; ID = 101,6 micron) per fabbricare le piccole fibre ramificate; 2) come indicato in precedenza, utilizzare più concentrazioni di polimero; e / o 3) regolare la velocità di avanzamento, cioè, la velocità alla quale la fase attraversa, in cui l&#39;aumento della velocità di avanzamento produce fibre di diametro più piccolo e diminuendo la velocità di alimentazione crea fibre di diametro maggiore. Fino ad oggi, siamo stati in grado di realizzare con successo le fibre più piccolo a 90 nm; Tuttavia, la resa in fibre a questa dimensione è bassa a causa di rottura capillare. Una limitazione del processo di scrittura diretto automatico è che solo una concentrazione della soluzione polimerica può essere erogato alla volta. Questo limita il livello di complessità delle strutture sospese da sviluppare, senza dover: 1) aggiungere una seconda valvola di erogazione al robot;o, 2) rimuovere la valvola esistente ed eseguire il protocollo di pulizia (Sezione 3.4) prima dell&#39;erogazione della seconda soluzione di polimero, che richiede più tempo. Una seconda limitazione è la velocità di avanzamento (o la velocità di stampa), in cui la massima velocità di avanzamento che il sistema è in grado di raggiungere è di 500 mm / sec. Tuttavia, vi è un compromesso tra la velocità di avanzamento e la formazione della fibra. In particolare, se le forze inerziali (forze dovute alla velocità di avanzamento) sono superiori alle forze di tensione superficiale e velocità di evaporazione della soluzione di polimero, fibra formazione non si verifica. D&#39;altra parte, se la velocità di avanzamento è troppo bassa, le fibre si fratturano a causa di eccessiva evaporazione prima e durante il processo di allungamento. In terzo luogo, fibre e struttura dimensioni sono limitati alla gamma di funzionamento dello stadio del robot, ossia, 200 mm, 200 mm e 25 mm (con una precisione di posizionamento 10 micron) nelle direzioni x, yez, rispettivamente. Tuttavia, questo processo non consentire la formazione di elevato allungamento (fibra length: diametro) fibre. Strategicamente variando la dimensione punta di erogazione e la concentrazione della soluzione polimerica consentirebbe una più ampia gamma diametro delle fibre, creando la capacità di generare strutture liberamente sospese di maggiore complessità. Seguendo i protocolli indicati sopra, fibre polimeriche micron e diametro submicron possono essere generati con un elevato livello di controllo spaziale sfruttando le tensione superficiale-driven fluido meccanica delle soluzioni polimeriche, che non possono essere controllati con altri processi ad umido, secco o Electrospinning . Dal lavoro precedente 8,19, sappiamo che questa tecnica può essere utilizzata per fabbricare intricato micro / submicron dispositivi fluidici 19 e ponteggi bioingegneria 8. Questa tecnica di facile ed economica ha i suoi vantaggi rispetto ai metodi tradizionali di fabbricazione pialla in molti modi.

Negli ultimi decenni, una varietà di tecniche di fabbricazione, come la filatura a umido, filatura a secco e electrospinning, sono stati impiegati per creare strutture fibrose polimero romanzo eterogenee e robuste biologiche, chimiche, elettriche e meccaniche proprietà 1-12. Sebbene queste tecniche di filatura sono in grado di generare sospesa fibre tridimensionali, sono limitati nella loro capacità di controllare con precisione l&#39;orientamento delle fibre in tre dimensioni in quanto fibra deposizione tramite questi processi sono di natura casuale. Inoltre, queste tecniche sono limitati nella loro gamma dimensionale di fibre fabbricazione; specificamente, fibre prodotte mediante filatura a umido e secco variano in diametro da decine a centinaia di micron, mentre electrospinning fibre produce con diametri da decine di nanometri a un singolo micron 13. Per fornire un controllo più preciso di orientamento delle fibre nello spazio 3-D, il nostro gruppo ha sviluppato un self-Montare o processo di fabbricazione di fibre &quot;-scrittura diretta&quot; che espelle direttamente un materiale polimerico da un capillare cavo e poi richiama singoli filamenti che sottile e solidificano in diametri delle fibre prevedibili sfruttando tensione superficiale-driven meccanica dei fluidi 14. Il nostro sistema di scrittura diretta iniziale per aumentare il livello di controllo di posizione e diametro fibra consisteva di una molla caricata siringa sistema di erogazione personalizzata fabbricato attaccato alla testa di una misura ad altissima precisione Micromilling macchina (Figura 1). Il UHPMM aveva una fase con una risoluzione posizionale di 1,25 nm nelle direzioni X e Y e 20 nm nella direzione Z che è stato controllato programmazione per creare micron e sub-micron fili e strutture scala. Una limitazione di questo particolare sistema di scrittura diretta è stata la mancanza di controllo del flusso della soluzione polimerica attraverso la punta dell&#39;ago. Anche se il sistema di dosaggio a molla generato con successo costante flow attraverso la punta, una perlina sferica continua espansione della soluzione di polimero è stata creata in uscita della siringa, che varia in dimensioni e volume a seconda delle condizioni ambientali. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> Figura 1. Image of Ultra Macchina alta precisione Micromilling:. Il primo sistema di scrittura diretta impiegato nella fabbricazione di strutture in scala micron / sub-micron <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> L&#39;inconsistenza del tallone fonte influenzato la capacità del sistema ripetutamente fabbricare fili di diametro prescritto. Anche se, strutture sono stati generati con successo utilizzando questo processo di scrittura diretta, miglioramento del processo, aumentando il controllo del flusso di soluzione polimerica consentirebbe più precise, prescritto diametri delle fibre attraverso la regolamentazione delle dimensioni tallone alla punta della siringa. Così, questo lavoro descrive l&#39;implementazione di un sistema di erogazione automatico a 3 assi con valvola erogatore ad azionamento pneumatico per controllare con precisione la dimensione del flusso soluzione polimerica e mancia tallone per creare prescritto, micron strutture sospese / sub-micron.

<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.

Immagini delle attuali strutture prodotte tramite il robot a 3 assi e metodo di scrittura diretta per ciascuno dei rispettivi disegni e algoritmi JR C-punto definito nelle figure 3-5A &amp; B sopra sono mostrati nelle Figure 6A, 7A e 8A. Come si può vedere nelle immagini risultanti, tridimensionali, fibre liberamente sospesi sono stati correttamente &quot;scritta&quot; sui substrati manipolando precisamente la punta dell&#39;erogatore di posizioni spaziali prescritte, compresa l&#39;iniziatore / chiude punti così come i punti di intersezione. Gli inserti di queste figure esaltano i punti di intersezione di fibre in sospensione, che dimostrano la capacità del sistema di controllare con precisione orientamento delle fibre (figure 6B, 7B e 8B) nello spazio 3-D. <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> Figura 6. (A) Op<html> immagine tici di fabbricato &quot;quad&quot; struttura web sospesa con fibre di supporto (2 diagonali) e 12 fibre in PMMA biforcate ramificati (15X ottico ingrandimento; scala bar = 1 mm), (B) Immagine SEM di una singola fibra biforcata (289x ingrandimento; scala bar = 100 micron). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> Figura 7. (A) Ottica dell&#39;immagine fabbricato struttura web &quot;simmetrica&quot; ​​sospeso con 1 fibra supporto (orizzontale) e 11 fibre PMMA ramificati biforcate (15X ottico ingrandimento; scala bar = 1 mm), (B) SEM immagine di un unico biforcata fibre (107x ingrandimento; scala bar = 100 micron).52834fig7large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> Figura 8. (A) Ottica dell&#39;immagine fabbricato &quot;doppio chevron&quot; sospeso struttura web con 1 fibra supporto (orizzontale) e 22 fibre PMMA ramificati biforcate (15X ottico ingrandimento; scala bar = 1 mm), (B) SEM immagine di un unico fibra biforcata. (80X di ingrandimento; scala bar = 100 micron) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> Figura 9 mostra da vicino vista della sequenza point-to-point di fibra di fabbricazione in cui il robot a 3 assi e sistema di erogazione in grado di generare le strutture web come liberamente sospesi. Il p<html> punti di contatto olymer visualizzati con numeri corrispondono alla iniziatore programmata e punti terminano nel software JR-C riferimento in Figura 3B sopra. Le frecce rappresentano la traiettoria del robot. Figura 10 mostra micron e fibre polimeriche submicron, che dimostra la capacità del sistema di scrittura diretta di fabbricare cavi di varie dimensioni. <img alt="Figura 9" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> Figura 9. SEM immagine che illustra l&#39;ordine sequenziale point-to-point di fabbricazione per il disegno delle fibre micron e submicron polimeri (29X di ingrandimento; scala bar = 200 micron). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> 2834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; Figura 10. Immagine SEM di micron (6,5 micron) e sub-micron (555 nm) fibre disegnato con una soluzione al 20% di polimero di concentrazione PMMA. (2,270X ingrandimento; scala bar = 2 micron) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa cifra.</a> Polymer lunghezza e diametro delle fibre sono state misurate utilizzando la microscopia elettronica a scansione. La Tabella 1 mostra il diametro medio del filo per ogni struttura unica presentata nelle Figure 6-8 sopra corrispondente alle fibre ramo biforcate e le fibre di sostegno. Tabella 2 visualizza i parametri di polimero che sono stati misurati dalle soluzioni 24% PMMA che sono stati utilizzati per fabbricare strutture sopra lamentati. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> Diametro Struttura in figura 6</td><td> Diametro Struttura in Figura 7 </td><td> Diametro Struttura in Figura 8 </td></tr><tr><td> Fibre di sostegno </td><td> 8.65 ± 1.43 micron </td><td> 9.39 ± 1.23 micron </td><td> 9.31 ± 1.65 micron </td></tr><tr><td> Fibre Branch </td><td> 20,96 ± 3.35 micron </td><td> 15.92 ± 1.44 micron </td><td> 12.24 ± 5.42 micron </td></tr></tbody></table> Tabella 1. diametri medi delle fibre di sostegno e filiali sospesi illustrate nelle figure 6-8 per una soluzione PMMA 24%. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> 24% PMMA </td></tr><tr><td> Viscosità (Pa * sec) </td><td> 35.19 </td></tr><tr><td> Surface Tension (mN / m) </td><td> 262,01 </td></tr><tr><td&gt; Mass Transfer Coefficiente (m / sec) </td><td> 8.59 x 10 -8 </td></tr></tbody></table> Tabella 2. Parametri polimero delle soluzioni 24% PMMA che sono stati utilizzati per fabbricare le strutture fibrose presentati in questo lavoro.

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

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

Qui, vi presentiamo un protocollo per fabbricare fibre liberamente sospesi micron / sub-micron scala polimeri e strutture &quot;web-like&quot; generati mediante procedura di scrittura diretto automatico per mezzo di un sistema di erogazione a 3 assi.

Prescritto 3-D diretto Redazione di sospensione Micron / sub-micron scala fibra strutture attraverso un sistema di erogazione robotico

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 Views.  University of Louisville.  Qui, vi presentiamo un protocollo per fabbricare fibre liberamente sospesi micron / sub-micron scala polimeri e strutture "web-like" generati mediante procedura di scrittura diretto automatico per mezzo di un sistema di erogazione a 3 assi. 

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

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.

Molding Fabrication, densificazione e Replica di microstrutture 3D Nanotubi di carbonio

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

Ricerca

Ingegneria

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 metodo per fabbricare nanostrutture d&#39;argento disconnesse in 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.

Processo di creazione di microstrutture tridimensionali mediante vaporizzazione di un componente sacrificale

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.

Stampa planare e tridimensionale di inchiostri conduttivi

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

Bioingegneria

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.

Produzione di tridimensionalmente microstrutturate nanocompositi attraverso Microfluidic Infiltration

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

Chimica

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.

Indotta da laser trasferimento di andata di 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 ...

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.

Fabbricazione microfluidica di fibre polimeriche e bioibride con dimensioni e forma predesignate

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.

A secco microfluidic-spinning e caratterizzazione delle fibre rigenerate seta Fibroin

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.

Tecnica Automated robotica erogazione di orientamento della superficie e Bioprinting di celle

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.

Sciogliere elettrofilatura scrittura di scaffold tridimensionale Poly(ε-caprolactone) con morfologie controllabile per applicazioni di ingegneria del tessuto

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