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>

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

The authors have nothing to disclose.

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 border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<colgroup>
		<col span="2" />
	</colgroup>
	<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 GA Needle Tip (0.250&#34; length)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electric Baseboard Heater (500W, 30&#34; 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.

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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

Universidad San Sebastian

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 of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned and bonded silicon wafers. Unlike confinements in porous materials often used for these types of experiments3, bonded wafers provide predesigned uniform spaces for confinement. The geometry of each cell is well known, which removes a large source of ambiguity in the interpretation of data.
Exceptionally flat, 5 cm diameter, 375 &#181;m thick Si wafers with about 1 &#181;m variation over the entire wafer can be obtained commercially (from Semiconductor Processing Company, for example). Thermal oxide is grown on the wafers to define the confinement dimension in the z-direction. A pattern is then etched in the oxide using lithographic techniques so as to create a desired enclosure upon bonding. A hole is drilled in one of the wafers (the top) to allow for the introduction of the liquid to be measured. The wafers are cleaned2 in RCA solutions and then put in a microclean chamber where they are rinsed with deionized water4. The wafers are bonded at RT and then annealed at ~1,100 &#176;C. This forms a strong and permanent bond. This process can be used to make uniform enclosures for measuring thermal and hydrodynamic properties of confined liquids from the nanometer to the micrometer scale.

A method for permanently bonding two silicon wafers so as to realize a uniform enclosure is described. This includes wafer preparation, cleaning, RT bonding, and annealing processes. The resulting bonded wafers (cells) have uniformity of enclosure ~1%1,2. The resulting geometry allows for measurements of confined liquids and gasses.

Fabbricazione di cavità uniformi su nanoscala tramite silicon direct wafer bonding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned ...

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Writing and Low-Temperature Characterization of Oxide Nanostructures

Oxide nanoelectronics is a rapidly growing field which seeks to develop novel materials with multifunctional behavior at nanoscale dimensions. Oxide interfaces exhibit a wide range of properties that can be controlled include conduction, piezoelectric behavior, ferromagnetism, superconductivity and nonlinear optical properties. Recently, methods for controlling these properties at extreme nanoscale dimensions have been discovered and developed. Here are described explicit step-by-step procedures for creating LaAlO3/SrTiO3 nanostructures using a reversible conductive atomic force microscopy technique. The processing steps for creating electrical contacts to the LaAlO3/SrTiO3 interface are first described. Conductive nanostructures are created by applying voltages to a conductive atomic force microscope tip and locally switching the LaAlO3/SrTiO3 interface to a conductive state. A versatile nanolithography toolkit has been developed expressly for the purpose of controlling the atomic force microscope (AFM) tip path and voltage. Then, these nanostructures are placed in a cryostat and transport measurements are performed. The procedures described here should be useful to others wishing to conduct research in oxide nanoelectronics.

Oxide nanostructures provide new opportunities for science and technology. The interfacial conductivity between LaAlO3 and SrTiO3 can be controlled with near-atomic precision using a conductive atomic force microscopy technique. The protocol for creating and measuring conductive nanostructures at LaAlO3/SrTiO3 interfaces is demonstrated.

Scrittura e bassa temperatura Caratterizzazione di nanostrutture di ossido

Oxide nanoelectronics is a rapidly growing field which seeks to develop novel materials with multifunctional behavior at nanoscale dimensions.  Oxide ...

Writing Bragg Gratings in Multicore Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong suppression at a single wavelength requires that all cores have matching transmission profiles. These gratings cannot be inscribed using the same method as for single-core fibers because the curved surface of the cladding acts as a lens, focusing the incoming UV laser beam and causing variations in exposure between cores. Therefore we use an additional optical element to ensure that the beam shape does not change while passing through the cross-section of the multicore fiber. This consists of a glass capillary tube which has been polished flat on one side, which is then placed over the section of the fiber to be inscribed. The laser beam enters the fiber through the flat surface of the capillary tube and hence maintains its original dimensions. This paper demonstrates the improvements in core-to-core uniformity for a 7-core fiber using this method. The technique can be generalized to larger multicore fibers.

We describe a technique for inscribing identical fiber Bragg gratings into each core of a multicore fiber. This is achieved by introducing an additional surface into the optical path to mitigate lensing by the curved surface of the fiber cladding.

Scrivendo di Bragg in fibra Multicore

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong ...

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;).

Una piattaforma robotica per studiare la Foreflipper della California Sea Lion

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

Three-Dimensional Ultrasonic Needle Tip Tracking with a Fiber-Optic Ultrasound Receiver

Ultrasound is frequently used for guiding minimally invasive procedures, but visualizing medical devices is often challenging with this imaging modality. When visualization is lost, the medical device can cause trauma to critical tissue structures. Here, a method to track the needle tip during ultrasound image-guided procedures is presented. This method involves the use of a fiber-optic ultrasound receiver that is affixed within the cannula of a medical needle to communicate ultrasonically with the external ultrasound probe. This custom probe comprises a central transducer element array and side element arrays. In addition to conventional two-dimensional (2D) B-mode ultrasound imaging provided by the central array, three-dimensional (3D) needle tip tracking is provided by the side arrays. For B-mode ultrasound imaging, a standard transmit-receive sequence with electronic beamforming is performed. For ultrasonic tracking, Golay-coded ultrasound transmissions from the 4 side arrays are received by the hydrophone sensor, and subsequently the received signals are decoded to identify the needle tip&#39;s spatial location with respect to the ultrasound imaging probe. As a preliminary validation of this method, insertions of the needle/hydrophone pair were performed in clinically realistic contexts. This novel ultrasound imaging/tracking method is compatible with current clinical workflow, and it provides reliable device tracking during in-plane and out-of-plane needle insertions.

Accurate and efficient visualization of invasive medical devices is extremely important in many ultrasound-guided minimally invasive procedures. Here, a method for localizing the spatial position of a needle tip relative to the ultrasound imaging probe is presented.

Tracking con un ricevitore di ultrasuono in fibra ottica a punta d'ago ad ultrasuoni tridimensionale

Ultrasound is frequently used for guiding minimally invasive procedures, but visualizing medical devices is often challenging with this imaging modality. ...

Conducting Elevated Temperature Normal and Combined Pressure-Shear Plate Impact Experiments Via a Breech-end Sabot Heater System

A novel approach for conducting normal and/or combined pressure-shear plate impact experiments at test temperatures up to 1000 &#176;C is presented. The method enables elevated temperature plate-impact experiments aimed towards probing dynamic behavior of materials under thermomechanical extremes, while mitigating several special experimental challenges faced while performing similar experiments using the conventional plate impact approach. Custom adaptations are made to the breech-end of a single-stage gas-gun at Case Western Reserve University; these adaptations include a precision-machined extension piece made from SAE 4340 steel, which is strategically designed to mate the existing gun-barrel while providing a high tolerance match to the bore and keyway. The extension piece contains a vertical cylindrical heater-well, which houses a heater assembly. A resistive coil heater-head, capable of reaching temperatures of up 1200 &#176;C, is attached to a vertical stem with axial/rotational degrees of freedoms; this enables thin metal specimens held at the front-end of a heat-resistant sabot to be heated uniformly across the diameter to the desired test temperatures. By heating the flyer plate (in this case, the sample) at the breech-end of the gun-barrel instead of at the target-end, several critical experimental challenges can be averted. These include: 1) severe changes in the alignment of the target plate during heating due to the thermal expansion of the several constituents of the target holder assembly; 2) challenges that arise due to the diagnostics elements, (i.e., polymer holographic gratings, and optical probes) being too close to the heated target assembly; 3) challenges that arise for target plates with an optical window, where crucial tolerances between the sample, bond layer, and window become increasingly difficult to maintain at high temperatures; 4) in the case of combined compression-shear plate impact experiments, the need for high-temperature resistant diffraction gratings for the measurement of transverse particle velocity at the free surface of the target; and 5) limitations imposed on the impact velocity necessary for unambiguous interpretation of the measured free surface velocity versus time profile due to thermal softening and possibly yielding of the bounding target plates.By utilizing the adaptations mentioned above, we present results from a series of reverse geometry normal plate impact experiments on commercial purity aluminum at a range of sample temperatures. These experiments show decreasing particle velocities in the impacted state, which are indicative of material softening (decrease in post-yield flow stress) with increasing sample temperatures.

Here, we present a detailed protocol of a new approach for conducting elevated temperature reverse normal plate impact, and combined pressure-and-shear plate impact. The approach involves the use of a breech-end resistive coil heater to heat a sample held at the front-end of a heat-resistant sabot to the desired temperature.

Lo svolgimento di elevata temperatura normale e combinato di pressione-taglio piatto impatto esperimenti tramite un sistema di riscaldamento-culatta Sabot

A novel approach for conducting normal and/or combined pressure-shear plate impact experiments at test temperatures up to 1000 &#176;C is presented. The ...

Uncoupling Coriolis Force and Rotating Buoyancy Effects on Full-Field Heat Transfer Properties of a Rotating Channel

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that characterize the transport phenomena in a rotating channel are identified via the parametric analysis of the momentum and energy equations referring to a rotating frame of reference. Based on these dimensionless flow equations, an experimental strategy that links the design of the test module, the experimental program and the data analysis is formulated with the attempt to reveal the isolated Coriolis-force and buoyancy effects on heat transfer performances. The effects of Coriolis force and rotating buoyancy are illustrated using the selective results measured from rotating channels with various geometries. While the Coriolis-force and rotating-buoyancy impacts share several common features among the various rotating channels, the unique heat transfer signatures are found in association with the flow direction, the channel shape and the arrangement of heat transfer enhancement devices. Regardless of the flow configurations of the rotating channels, the presented experimental method enables the development of physically consistent heat transfer correlations that permit the evaluation of isolated and interdependent Coriolis-force and rotating-buoyancy effects on the heat transfer properties of rotating channels.

Here, we present an experimental method for decoupling the interdependent Coriolis-force and rotating-buoyancy effects on full-field heat transfer distributions of a rotating channel.

Disgiungere forza di Coriolis e rotante galleggiabilità effetti sul calore pieno campo il trasferimento di proprietà di un canale rotante

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that ...

A Random-displacement Measurement by Combining a Magnetic Scale and Two Fiber Bragg Gratings

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed and characterized a temperature-independent fiber Bragg grating (FBG)-based random-displacement sensor that adopts a magnetic scale as a novel transferring mechanism. By detecting shifts of two FBG center wavelengths, a full-range measurement can be obtained with a magnetic scale. For identification of the clockwise and counterclockwise rotation direction of the motor (in fact, the direction of movement of the object to be tested), there is a sinusoidal relationship between the displacement and the center wavelength shift of the FBG; as the anticlockwise rotation alternates, the center wavelength shift of the second FBG detector shows a leading phase difference of around 90&#176; (+90&#176;). As the clockwise rotation alternates, the center wavelength shift of the second FBG displays a lagging phase difference of around 90&#176; (-90&#176;). At the same time, the two FBG-based sensors are temperature independent. If there is some need for a remote monitor without any electromagnetic interference, this striking approach makes them a useful tool for determining the random displacement. This methodology is appropriate for industrial production. As the structure of the whole system is relatively simple, this displacement sensor can be used in commercial production. In addition to it being a displacement sensor, it can be used to measure other parameters, such as velocity and acceleration.

A protocol to create a full-range linear displacement sensor, combining two packaged fiber Bragg grating detectors with a magnetic scale, is presented.

Misurazione a spostamento casuale combinando una scala magnetica e due griglie in fibra Bragg

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed ...

Design and Implementation of a Bespoke Robotic Manipulator for Extra-corporeal Ultrasound

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ultrasound. However, limited numbers of robots designed for extra-corporeal ultrasound have been successfully translated into clinical use. In this study, we aim to build a bespoke robotic manipulator for extra-corporeal ultrasound examination, which is lightweight and has a small footprint. The robot is formed by five specially shaped links and custom-made joint mechanisms for probe manipulation, to cover the necessary range of motion with redundant degrees of freedom to ensure the patient&#39;s safety. The mechanical safety is emphasized with a clutch mechanism, to limit the force applied to patients. As a result of the design, the total weight of the manipulator is less than 2 kg and the length of the manipulator is about 25 cm. The design has been implemented, and simulation, phantom, and volunteer studies have been performed, to validate the range of motion, the ability to make fine adjustments, mechanical reliability, and the safe operation of the clutch. This paper details the design and implementation of the bespoke robotic ultrasound manipulator, with the design and assembly methods illustrated. Testing results to demonstrate the design features and clinical experience of using the system are presented. It is concluded that the current proposed robotic manipulator meets the requirements as a bespoke system for extra-corporeal ultrasound examination and has great potential to be translated into clinical use.

This paper introduces the design and implementation of a bespoke robotic manipulator for extra-corporeal ultrasound examination. The system has five degrees of freedom with lightweight joints made by 3D printing and a mechanical clutch for safety management.

Progettazione e realizzazione di un manipolatore robotico su misura per ultrasuoni extracorporea

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ...

A Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine

The variable cycle engines (VCE) that combine the advantages of turbofan and turbojet engines, are widely considered to be the next generation aircraft engines. However, developing VCE requires high costs. Thus, it is essential to build a mathematical model when developing an aircraft engine, which may avoid a large number of real tests and reduce the cost dramatically. Modeling is also crucial in control law development. In this article, based on a graphical simulation environment, a rapid method for modeling a double bypass variable cycle engine using object-oriented modeling technology and modular hierarchical architecture is described. Firstly, the mathematical model of each component is built based on the thermodynamic calculation. Then, a hierarchical engine model is built via the combination of each component mathematical model and the N-R solver module. Finally, the static and dynamic simulations are carried out in the model and the simulation results prove the effectiveness of the modeling method. The VCE model built through this method has the advantages of clear structure and real-time observation.

Here, we present a protocol to build a component-level mathematical model for a variable cycle engine.

Un metodo rapido per la modellazione di un motore a ciclo variabileA Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine

The variable cycle engines (VCE) that combine the advantages of turbofan and turbojet engines, are widely considered to be the next generation aircraft ...