Questa ricerca è stata supportata dal programma attraverso la nazionale Ricerca Fondazione della Corea (NRF) della Corea del sud, finanziato dal Ministero dell'istruzione (2016R1D1A1B01006801), ricerca di scienza di base e parzialmente supportata dal fondo di ricerca Università di Soonchunhyang .

Per motivi di salute e sicurezza, prima di utilizzare qualsiasi inchiostro e soluzione di pulizia consultare il foglio di dati materiale di sicurezza (MSDS).
1. drop-on-demand idrodinamiche Jet stampa utilizzando inchiostro delle nanoparticelle d'argento
<ol><li>Riempire l'inchiostro filtrato delle nanoparticelle d'argento (AgNP) nel serbatoio dell'inchiostro del sistema di stampa EHD. Nota: Disponibili in commercio AgNP inchiostro può essere utilizzato per lo scopo a getto d'inchiostro. L'inchiostro deve avere una viscosità di circa 10 cP e una tensione superficiale di 20 ~ 40 mN/m a ottenere jetting drop-on-demand.</li>
	<li>Rendere un ugello per la stampa di DOD EHD utilizzando un estrattore termico.<ol>
<li>Posizionare un bicchiere capillare [Diametro interno (ID) di 1 mm] nella levetta di regolazione termica.</li>
		<li>Impostare i parametri dell'estrattore della termica; per esempio, la temperatura di riscaldamento nella gamma di 580-590 ° C e una trazione velocità di circa 18 mm/s. Nota: I parametri per la levetta di regolazione termica devono essere diversa secondo l'ID di destinazione dell'ugello e delle condizioni ambientali.</li>
		<li>Azionare la levetta di regolazione termica con i parametri impostati per applicare calore al centro del vaso capillare e tirare a entrambe le estremità per fare un ugello con un ID di 5 µm. Nota: Determinare le dimensioni dell'ugello ID sulla base delle dimensioni del punto di destinazione sul substrato. Per riferimento, l'ID di ugello 5 µm potrebbe stampare 5 µm e medie punti.</li>
		<li>Regolare la lunghezza di ugello di vetro tagliando il vetro ugello tramite un tagliavetro.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Montare l'ugello portaugello e il connettore, che sono collegati al tubo serbatoio tramite politetrafluoroetilene (PTFE) di inchiostro.</li>
	<li>Applicare la pressione dell'aria per la fornitura di inchiostro alla punta dell'ugello.<ol>
<li>Accendere il regolatore di pressione atmosferica e applicare pressione d'aria di 15 ~ 20 kPa per il serbatoio di inchiostro per la fornitura di inchiostro alla punta dell'ugello. Monitorare il flusso di inchiostro attraverso il vetro trasparente ugello e tubi per garantire che nessun aria è intrappolato dentro il tubo e l'ugello quando si fornisce l'input penna. Mantenere l'applicazione pressione dell'aria nel serbatoio di inchiostro fino a quando l'inchiostro è visualizzato sulla punta dell'ugello. Nota: Non riducono la pressione prima che l'inchiostro venga visualizzato sulla punta dell'ugello perché che potrebbe causare un intrappolamento di bolla di aria all'estremità dell'ugello.</li>
		<li>Ridurre la pressione a circa 12 kPa per mantenere il menisco estruso senza qualsiasi inchiostro gocciolante dalla punta dell'ugello. Nota: La pressione dell'aria dipende la viscosità di dimensione e inchiostro di ugello. Non aumentare la pressione dell'aria per più di 30 kPa per evitare la compressione eccessiva aria, che è indesiderabile per il mantenimento del menisco in condizioni stabili.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Fissare la testa ugello montato nel sistema di stampa.</li>
	<li>Posizionare un substrato di vetro su mandrino vuoto del titolare del substrato e accendere la pompa del vuoto per tenere il substrato.</li>
	<li>Spostare il palcoscenico dell'asse z per regolare la distanza (H) — il divario tra la punta dell'ugello e la posizione di substrato — a circa 100 µm. utilizzare l'immagine di vista laterale acquisita dalla fotocamera monitoraggio per stimare la distanza utilizzando la distanza dalla punta ugello alla sua riflessione, come mostrato nella Figura 2. Nota: Una più piccola distanza conduce ad un più elevato campo elettrico, che potrebbe facilitare la stampa una bassa tensione DC e impulso per trivellazione a getto. Tuttavia, una distanza inferiore potrebbe portare a gocce più grandi. Di conseguenza, l'entità delle tensioni deve essere ridotta opportunamente per ottenere le dimensioni del punto desiderato. In generale, l'uso di una tensione più bassa è consigliato per ottenere più piccoli i punti stampati con meno di spruzzatura. Tuttavia, è necessaria un'attenta operazione in se la distanza diventa inferiore a 50 µm, a causa della maggiore probabilità di rottura di ugello di collisione con il substrato. Considerando il rapporto di trade-off tra capacità jetting e affidabilità, si consiglia l'uso di una distanza di 100 µm.</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57846/57846fig2.jpg"> Figura 2: regolazione Stand-off distanza utilizzando lato vista fotocamera immagine. L'immagine di ugello da una macchina fotografica di vista laterale consente di stimare la distanza. La distanza (H) dalla punta dell'ugello al substrato può essere facilmente stimata come metà della distanza dalla punta dell'ugello alla sua ombra. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57846/57846fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<ol start="8"><li>
Applicare Tensioni DC e pulse Nota: Le tensioni DC e impulso possono essere controllata tramite il software di stampa.<ol>
<li>Aumentare gradualmente la tensione DC fino a quando le gocce di inchiostro dalla punta dell'ugello. Nota: Non applicare la tensione di destinazione in una sola volta. La tensione incrementale deve essere inferiore a 100 V in un momento. Nel complesso, non applicare una tensione continua di più di 600 V.</li>
		<li>Ridurre leggermente la tensione DC fin dall'inizio tensione DC fino a quando non viene osservata alcuna ulteriore inchiostro gocciolamento dall'ugello. Nota: Dopo la regolazione della pressione pneumatica e tensione di CC, il menisco deve essere in una forma appropriata per getto come mostrato in Complementare figura S1.</li>
		<li>Impostare una tensione di impulso negativo con i parametri di taumento = 0 ~ 100 µs, tdimorare = 300 µs e tcadere = 0 µs7 (Figura 3) nel menu del software.</li>
		<li>Applicare la tensione di impulso negativo al titolare del substrato. Quindi, regolare l'ampiezza della tensione di impulso, Vimpulso, per produrre una gocciolina per tensione di impulso singolo. Nota: L'ampiezza della tensione di impulso negativo, Vimpulso, dovrebbe essere inferiore a 600 V.</li>
		<li>Regolare le tensioni di sfondo e impulso di CC per ottenere la dimensione delle gocce di destinazione sul substrato osservando i punti idromassaggio sul substrato nell'immagine della telecamera di vista laterale. Nota: Per produrre piccoli punti con meno spruzzatura sul substrato, l'ampiezza della tensione di impulso, Vimpulso, dovrebbe essere più basso possibile.</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57846/57846fig3.jpg"> Figura 3: tensione di impulso per DOD EHD jetting. L'uso di tensione di forma d'onda trapezoidale è consigliato per produrre DOD EHD jetting7. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57846/57846fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<ol start="9"><li>
Modelli di stampa Nota: Due tipi diversi di modelli possono essere utilizzati per la stampa di DOD EHD: bitmap immagine e (CAD)-basato su informazioni vettoriali. Immagine bitmap è stato ampiamente utilizzato nella stampa a getto d'inchiostro DOD-basato. Tuttavia, nel caso di applicazioni di elettronica stampata, informazioni basate su CAD vettoriale ha vantaggi rispetto basato su DOD inkjet stampa, perché è efficiente in stampa basata su linea utilizzando una singola testa EHD. Allo stesso tempo, le informazioni di vettore possono essere convertite in un'immagine bitmap per la stampa di immagini bitmap.<ol>
<li>
Stampa di immagini bitmap
		<ol>
<li>Caricare un'immagine bitmap nella scheda stampa del software stampa e convertirlo in un'immagine binaria.</li>
			<li>Impostare i parametri per la stampa di immagine binaria. Per esempio, è possibile impostare l'intervallo di goccia (cioè, la distanza tra 2 pixel consecutivi) a 10 µm. Nota: L'immagine bitmap non dispone di qualsiasi dimensioni fisiche. Le dimensioni fisiche dell'immagine stampata saranno correlate all'intervallo di goccia. Ad esempio, l'immagine stampata diventa più grande se viene utilizzato un intervallo superiore di goccia. Nella stampa a getto d'inchiostro convenzionale, punti per pollice (DPI) sono stato comunemente utilizzato per questo scopo. Tuttavia, dovrebbe essere notato che un più piccolo DPI significa un intervallo superiore di goccia. Al fine di determinare l'intervallo di goccia, dovrebbe essere considerata la dimensione di punto stampato. In generale, l'intervallo di goccia per la stampa di EHD DOD è sensibilmente inferiore a quella della stampa a getto d'inchiostro convenzionali.</li>
			<li>Inizia a stampare utilizzando la bitmap selezionata nella posizione di destinazione nel substrato.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Stampa vettoriale basato su informazioni CAD
		<ol>
<li>Caricare le informazioni di CAD per la stampa. Nota: Il formato di file DXF, ovvero informazioni basate su testo di CAD, può essere utilizzato per le informazioni di stampa.</li>
			<li>Impostare i parametri per la stampa vettoriale; ad esempio, è possibile impostare l'intervallo di goccia 3 µm e la frequenza di trivellazione a getto a 10 Hz. Nota: Per stampare i modelli della linea collegata, l'intervallo di caduta dovrebbe essere scelto affinché adiacenti depositato gocce si sovrappongono leggermente. Tuttavia, troppa sovrapposizione può provocare una maggiore larghezza di linea. Una sovrapposizione di circa il 30% è raccomandata per qualsiasi pratica linea di stampa. Nel caso di vettore stampa, la velocità di movimento (v) la seguente equazione. v = f × d Qui, d = l'intervallo di goccia, e f = frequenza jetting.</li>
			<li>Stampare i modelli caricati sul substrato utilizzando i parametri di stampa pre-determinati, ad esempio l'intervallo di goccia, la velocità di stampa, la tensione, ecc. Nota: Dopo la stampa, un processo di sinterizzazione potrebbe essere necessaria per ottenere la desiderata conducibilità dei modelli stampati, che esula dallo scopo di questa carta.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. fine linea conduttiva Patterning utilizzando Near-field elettrofilatura
<ol><li>Fare campo vicino elettrofilatura (NFES) inchiostro per la stampa di linea conduttiva.<ol>
<li>Mescolare etanolo ed acqua deionizzata (DI) con un rapporto di volume 3 (etanolo) a 1 (DI acqua) per preparare solvente 1. Per esempio, mix 9 ml di etanolo e 3 ml di acqua per fare 12 ml di solvente 1.</li>
		<li>Mescolare 0,3 g di poli (ossido di etilene) (PEO, Mwt = 400.000) e 9,7 g di solvente preparato 1 per ottenere una soluzione di polimero con 3% in peso di PEO di agitazione, con un agitatore magnetico per più di 6 ore a temperatura ambiente (25 ° C).</li>
		<li>Incolla mix Ag nano inchiostro, che ha una viscosità di circa 11.000 cP e la soluzione di polimero preparato, con un rapporto di peso di 5 (inchiostro di Incolla nano Ag) a 1 (soluzione di polimero) utilizzando un miscelatore vortex per 10 min per ottenere l'inchiostro per NFES. Ad esempio, 10 g di Ag nano incollare l'input penna e 2 g di soluzione di polimero possono essere miscelati per ottenere l'inchiostro NFES. Nota: In questo protocollo, il rapporto di miscelazione materiali è generalmente più importante che l'importo specifico dei materiali. Commercialmente disponibile Ag nano incollare l'inchiostro per scopi di stampa dello schermo, che ha il contenuto solido Ag del circa 85,5% in peso, può essere utilizzato per questo scopo. Nota che la scelta del solvente e del polimero poteva differire basato sulla composizione dell'inchiostro utilizzato.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Riempire l'inchiostro NFES preparato nella siringa.</li>
	<li>Collegare la siringa con un ugello tramite il tubo di collegamento. Nota: Un ago di siringa disponibile in commercio con un ID di 100 µm può essere utilizzato per l'ugello.</li>
	<li>Fornire l'inchiostro all'ugello spingendo manualmente la siringa.</li>
	<li>Installare la siringa nel motore siringa, che è collegato al sistema di stampa.</li>
	<li>Posizionare un substrato il mandrino vuoto e accendere la pompa del vuoto per tenere il substrato durante la stampa.</li>
	<li>Controllare la posizione Z (fase) per regolare la distanza. Nota: La distanza consigliata per il contrappeso deve essere circa 2 mm, che è una distanza di stand-off significativamente inferiore rispetto a quello usato con convenzionale elettrofilatura.</li>
	<li>
Regolare la portata
	<ol>
<li>Azionare la pompa a siringa per riempire l'inchiostro NFES all'Assemblea di ugello e generare un flusso d'inchiostro con un tasso di flusso iniziale di 50 µ l/min, che è superiore al tasso di flusso di destinazione.</li>
		<li>Impostare una velocità di flusso di destinazione di 1 µ l/min quando l'inchiostro fuoriesce dalla punta dell'ugello. Nota: Un minore tasso di flusso può comportare una larghezza inferiore del reticolo. Tuttavia, potrebbe causare rotture di linea. Il trade-off tra la larghezza di linea e la continuazione della linea dovrebbe essere considerato quando viene determinato il tasso di flusso di destinazione.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Applicare tensione
	<ol>
<li>Collegare la fonte di tensione di CC al connettore ugello e la tensione di terra al titolare del substrato.</li>
		<li>Aumentare la tensione DC gradualmente a 1,5 kV. Nota: Poiché la distanza è nel range di pochi millimetri, la tensione DC potrebbe essere aumentata fino a 2 kV, che è superiore che di DOD EHD jet stampa. Tuttavia, una tensione superiore a 2 kV dovrebbe essere evitato, poiché potrebbe danneggiare il materiale funzionale, soprattutto Ag incollare l'input penna, aggiunto alla soluzione di polimero. In generale, una bassa tensione di CC è consigliata quando è necessaria una più sottile linea stampata. Tuttavia, le righe stampate potrebbero essere facilmente disconnesso quando viene utilizzata una bassa tensione, perché la forza di trazione per la stampa di inchiostro continuo è relativo alla tensione DC. Considerando il trade-off, si consiglia l'uso di una tensione DC da 1 kV a 2 kV.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Avviare la stampa inattiva con una velocità di stampa di 300 mm/s per più di 10 minuti ottenere un flusso stazionario. Regolare i parametri di stampa come il tasso di flusso e tensione DC durante la stampa inattiva per ottenere i risultati di stampa desiderati. Nota: Per ottenere un flusso stazionario, in quanto l'inchiostro viscoso può essere compresso nel tubo lungo durante la consegna di inchiostro alla punta dell'ugello è necessaria inattività stampa di più di 10 min. Senza stampa inattivo, la larghezza di riga stampata potrebbe cambiare con il tempo. La velocità di stampa inattiva dovrebbe, così, essere lo stesso come la velocità di stampa effettiva affinché i parametri del getto possono essere regolati durante la stampa. In questo modo, la tensione viene regolata durante la stampa inattiva per ottenere la larghezza di riga di destinazione. Notare che la portata e la tensione DC dovrebbe essere equilibrate, in modo che la quantità di inchiostro spinto dalla pompa siringa può essere uguale alla quantità di inchiostro tirato giù dal campo elettrico.</li>
	<li>Scegliere il modello di stampa, ad esempio un pattern continuo di linea e grid. Nota: Poiché la fibra prodotta può facilmente essere deviata e possa essere depositata in modo casuale a causa della forza di repulsione di carica generata da righe stampate, la velocità di stampa deve essere maggiore di 300 mm/s per allineare il reticolo con le indicazioni di stampa e la spaziatura tra le righe stampate consiglia di essere più di 100 µm per stampare i motivi di cingere o linea.</li>
	<li>Stampare il modello selezionato sul substrato utilizzando i parametri di stampa pre-determinati. Nota: Un processo di sinterizzazione potrebbe essere necessaria per ottenere le funzionalità di destinazione dei modelli stampati, che esula dallo scopo di questa carta.</li>
</ol>

<ol>
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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

In questo protocollo, ci concentriamo sulla multa modelli usando inchiostro di AgNP con due modalità di stampa: stampa di DOD EHD e NFES. Tuttavia, il getto EHD applicazione di stampa non è limitato all'inchiostro conduttivo utilizzando AgNP. Qui, discuteremo le linee guida generali per la selezione di inchiostro, la configurazione del sistema e altri parametri di stampa necessari per utilizzare la stampa per varie applicazioni di multa-modello a getto EHD.
Il primo e più importante passo p...

Stampa di EHD getto è stato ampiamente usato in vari settori, quali elettronica stampata, biotecnologie e applicazioni di materiali avanzate, perché è in grado di dirigere ad alta risoluzione e basso costo patterning1. La larghezza di riga stampata o la dimensione del punto stampato potrebbe essere ridotto a 1 µm, che è sensibilmente inferiore a quella delle convenzionali basati su piezo inkjet stampa1.
Nella stampa di EHD, una piccola porzione di inchiostro (o menisco) è spinto fuori la punta ugello e mantenuta controllando il flusso tasso1,2,3,4,5 o la pressione dell'aria positiva1 ,6,7. Il menisco estruso paga e può facilmente essere tirato giù dalla punta dell'ugello al substrato da un campo elettrico, come mostrato nella Figura 1. Il menisco conico è formato durante il getto, producendo un flusso di inchiostro molto più sottile rispetto alla dimensione dell'ugello.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57846/57846fig1.jpg"> Figura 1: stampa EHD. La figura mostra il principio di stampa EHD getto. Inchiostro è spinto tramite pressione e tirato via un campo elettrico per formare un menisco estruso dall'ugello. Quindi, la carica dell'inchiostro può essere facilmente con idromassaggio al substrato tramite un controller di dominio o tensione di impulso. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57846/57846fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Anche se una sola stampante EHD può essere utilizzata per due diverse modalità, vicino a campo elettrospinning (NFES) e stampa a getto di drop-on-demand (DOD) EHD, i metodi di realizzazione differiscono significativamente in termini di inchiostro, sistema fluidico e guida tensione1 , 2 , 3. ad esempio, NFES4,5 utilizza un inchiostro relativamente alto-viscoso [più di 1.000 centipoise (cP)] per formare motivi continui micro-linea con stampa ad alta velocità fino a 1 m/s. D'altra parte, DOD EHD jet stampa6,7,8 usi inchiostro viscoso basso con una viscosità di circa 10 cP per stampare modelli complessi basati su dot con una stampa di bassa velocità meno di 10 mm/s.
Poiché il requisito per ciascuna modalità è significativamente differente, può essere difficile per i ricercatori inesperti per ottenere i risultati desiderati. Il "know-how" empirico potrebbe essere importante nella pratica. Per aiutare i ricercatori ad abituare i metodi di stampa, vi presentiamo EHD stampa di protocolli per la modellatura conduttivo bene usando inchiostro di nanoparticella Ag. Tuttavia, abbiamo aggiunto commenti ai protocolli di modo che essi non sono limitati a una campitura conduttivo usando inchiostro di nanoparticelle di Ag. Preparazione e stampa le linee guida vengono infine presentate nella sezione discussione.

<table><tbody><tr><td>EHD integrated printing system</td><td>Psolution Ltd., South Korea</td><td>PS300</td><td></td></tr><tr><td>Harima Ag Nanoparticle ink</td><td>Harima Inc., Japan</td><td>Harima NPS-JL</td><td>Ag solid content: ~ 53 wt%, Viscosity: ~10 cP, Surface tension: ~30 mN/m</td></tr><tr><td>Glass capillary</td><td>Narishige Scientific Instrument Lab</td><td>G-1</td><td>Inner diameter: 1 mm; Used to make nozzle for DOD EHD jet printing using thermal puller</td></tr><tr><td>Nozzle thermal puller</td><td>Sutter Instrument, USA</td><td>Sutter P-1000</td><td></td></tr><tr><td>Microscope Slides (Glass subtrate)</td><td>Paul-Marienfeld &amp;amp; Co.KG, Germany</td><td>10 006 12</td><td>Dimension (L x W x T): 76 mm x 26 mm x 1 mm</td></tr><tr><td>Magnetic Stirrer</td><td>Barnstead Thermolyne Corp., USA</td><td>Cimarec SP131635</td><td></td></tr><tr><td>Vortex Stirrer</td><td>Jeiotech, South Korea</td><td>Lab Companion VM-96T</td><td></td></tr><tr><td>Ag nanopaste&amp;nbsp;</td><td>NPK, South Korea</td><td>ES-R001</td><td>Ag solid content: ~85.5 wt%, Viscosity: ~11000 cP</td></tr><tr><td>Poly ethylene oxide (PEO)</td><td>Sigma-Aldrich, USA</td><td>372773-500G</td><td>Mw = 400000</td></tr><tr><td>Ethanol</td><td>Sigma-Aldrich, USA</td><td>459836-500ML</td><td></td></tr></tbody></table>

high-resolution patterning using two modes of electrohydrodynamic jet: drop on demand and near-field electrospinning

Stampa idrodinamiche (EHD) getto ha attirato l'attenzione in vari campi perché può essere utilizzato come uno strumento ad alta risoluzione e basso costo diretto patterning. Stampa di EHD utilizza un fornitore fluidico per mantenere il menisco estruso spingendo l'inchiostro dalla punta dell'ugello. Il campo elettrico viene quindi utilizzato per tirare il menisco giù per il substrato per produrre modelli ad alta risoluzione. Due modalità di stampa di EHD sono stati utilizzati per fine Incartonatura: continuo a campo elettrospinning (NFES) e stampa di EHD (DOD) drop-on-demand basata su dot. Secondo le modalità di stampa, i requisiti per la viscosità dell'inchiostro e apparecchiature di stampa variano. Anche se due diverse modalità possono essere implementati con una sola stampante EHD, i metodi di realizzazione differiscono significativamente in termini di inchiostro, sistema fluidico e tensione di guida. Di conseguenza, senza una corretta comprensione dei requisiti e dei limiti jetting, è difficile ottenere i risultati desiderati. Lo scopo di questa carta è di presentare una guida di riferimento affinché i ricercatori inesperti possono ridurre gli sforzi di tentativi ed errori per usare il getto EHD per loro specifico di ricerca e scopi di sviluppo. Per illustrare l'implementazione di multa-patterning, usiamo inchiostro nanoparticella Ag per la campitura conduttiva nel protocollo. Inoltre, siamo presenti anche le linee guida stampa generalizzate che possono essere utilizzate per altri tipi di inchiostro per varie applicazioni di multa-patterning.

Stampa di drop-on-demand basata su dot: Stampa di DOD è basata su una gocciolina jetting a un trigger di trivellazione a getto. Per produrre DOD jetting, bassa viscosità dell'inchiostro con una viscosità di circa 10 cP deve essere utilizzato. Il requisito di inchiostro per la stampa di EHD DOD è simile a quella delle convenzionali DOD a getto d'inchiostro, come è il metodo di stampa EHD a che il getto d'inchiostro DOD convenzionale. Nel caso di stampa inkjet conve...

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High-resolution Patterning Using Two Modes of Electrohydrodynamic Jet: Drop on Demand and Near-field Electrospinning

Alta risoluzione Patterning utilizzando due modalità di idrodinamiche Jet: Drop on Demand e Near-field elettrofilatura

Qui, presentiamo un protocollo per produrre modelli conduttivi ad alta risoluzione utilizzando la stampa idrodinamiche (EHD) getto. Il protocollo include due modalità di stampa di EHD getto: il continuo elettrofilatura di campo vicino (NFES) e la stampa di EHD (DOD) drop-on-demand basata su dot.

Electrohydrodynamic (EHD) jet printing has drawn attention in various fields because it can be used as a high-resolution and low-cost direct patterning ...

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

9.6K Views.  Soonchunhyang University. Qui, presentiamo un protocollo per produrre modelli conduttivi ad alta risoluzione utilizzando la stampa idrodinamiche (EHD) getto. Il protocollo include due modalità di stampa di EHD getto: il continuo elettrofilatura di campo vicino (NFES) e la stampa di EHD (DOD) drop-on-demand basata su dot.

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Electrospinning Fundamentals: Optimizing Solution and Apparatus Parameters

Electrospun nanofiber scaffolds have been shown to accelerate the maturation, improve the growth, and direct the migration of cells in vitro. Electrospinning is a process in which a charged polymer jet is collected on a grounded collector; a rapidly rotating collector results in aligned nanofibers while stationary collectors result in randomly oriented fiber mats. The polymer jet is formed when an applied electrostatic charge overcomes the surface tension of the solution. There is a minimum concentration for a given polymer, termed the critical entanglement concentration, below which a stable jet cannot be achieved and no nanofibers will form - although nanoparticles may be achieved (electrospray). A stable jet has two domains, a streaming segment and a whipping segment. While the whipping jet is usually invisible to the naked eye, the streaming segment is often visible under appropriate lighting conditions. Observing the length, thickness, consistency and movement of the stream is useful to predict the alignment and morphology of the nanofibers being formed. A short, non-uniform, inconsistent, and/or oscillating stream is indicative of a variety of problems, including poor fiber alignment, beading, splattering, and curlicue or wavy patterns. The stream can be optimized by adjusting the composition of the solution and the configuration of the electrospinning apparatus, thus optimizing the alignment and morphology of the fibers being produced. In this protocol, we present a procedure for setting up a basic electrospinning apparatus, empirically approximating the critical entanglement concentration of a polymer solution and optimizing the electrospinning process. In addition, we discuss some common problems and troubleshooting techniques.

Electrospinning techniques can create a variety of nanofibrous scaffolds for tissue engineering or other applications. We describe here a procedure to optimize the parameters of the electrospinning solution and apparatus to obtain fibers with the desired morphology and alignment. Common problems and troubleshooting techniques are also presented.

Fondamenti electrospinning: Soluzione Ottimizzazione e parametri Apparatus

Electrospun nanofiber scaffolds have been shown to accelerate the maturation, improve the growth, and direct the migration of cells in vitro. ...

Ricerca

Bioingegneria

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 ...

The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and polar dielectric liquids. These bridges are unique from capillary bridges in that they exhibit extensibility beyond a few millimeters, have complex bi-directional mass transfer patterns, and emit non-Planck infrared radiation. A number of common solvents can form such bridges as well as low conductivity solutions and colloidal suspensions. The macroscopic behavior is governed by electrohydrodynamics and provides a means of studying fluid flow phenomena without the presence of rigid walls. Prior to the onset of a liquid bridge several important phenomena can be observed including advancing meniscus height (electrowetting), bulk fluid circulation (the Sumoto effect), and the ejection of charged droplets (electrospray). The interaction between surface, polarization, and displacement forces can be directly examined by varying applied voltage and bridge length. The electric field, assisted by gravity, stabilizes the liquid bridge against Rayleigh-Plateau instabilities. Construction of basic apparatus for both vertical and horizontal orientation along with operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

Horizontal and vertical electrohydrodynamic liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields and polar dielectric liquids. The construction of basic apparatus and operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

La preparazione di Electrohydrodynamic Ponti da Polar dielettrici liquidi

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and ...

Ingegneria

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.

Here, we present a protocol to fabricate freely-suspended, micron/sub-micron scale polymer fibers and &#8220;web-like&#8221; structures generated via automated direct writing procedure by means of a 3-axis dispensing system.

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 ...

Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. This wetting phenomenon is important in many technical fields ranging from physiology to aerospace engineering. Currently, several different techniques exist for fabricating hemiwicking structures. These conventional methods, however, are often time consuming and are difficult to scale-up for large areas or are difficult to customize for specific, nonhomogeneous patterning geometries. The presented protocol provides researchers with a simple, scalable, and cost-effective method for fabricating micro-patterned hemiwicking surfaces. The method fabricates wicking structures through the use of stamp printing, polydimethylsiloxane (PDMS) molding, and thin-film surface coatings. The protocol is demonstrated for hemiwicking with ethanol on PDMS micropillar arrays coated with a 70 nm thick aluminum thin-film.

A simple protocol is provided for the fabrication of hemiwicking structures of varying sizes, shapes, and materials. The protocol uses a combination of physical stamping, PDMS molding, and thin-film surface modifications via common materials deposition techniques.

Stampa timbro scalabile e fabbricazione delle superfici Hemiwicking

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. ...

Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications

Superhydrophobic materials, with surfaces possessing permanent or metastable non-wetted states, are of interest for a number of biomedical and industrial applications. Here we describe how electrospinning or electrospraying a polymer mixture containing a biodegradable, biocompatible aliphatic polyester (e.g., polycaprolactone and poly(lactide-co-glycolide)), as the major component, doped with a hydrophobic copolymer composed of the polyester and a stearate-modified poly(glycerol carbonate) affords a superhydrophobic biomaterial. The fabrication techniques of electrospinning or electrospraying provide the enhanced surface roughness and porosity on and within the fibers or the particles, respectively. The use of a low surface energy copolymer dopant that blends with the polyester and can be stably electrospun or electrosprayed affords these superhydrophobic materials. Important parameters such as fiber size, copolymer dopant composition and/or concentration, and their effects on wettability are discussed. This combination of polymer chemistry and process engineering affords a versatile approach to develop application-specific materials using scalable techniques, which are likely generalizable to a wider class of polymers for a variety of applications.

Two- and three-dimensional superhydrophobic polymeric materials are prepared by electrospinning or electrospraying biodegradable polymers blended with a lower surface energy polymer of similar composition.

Realizzazione superidrofobiche Materiali Polimerici per applicazioni biomediche

Superhydrophobic materials, with surfaces possessing permanent or metastable non-wetted states, are of interest for a number of biomedical and industrial ...

Electrospinning Fibrous Polymer Scaffolds for Tissue Engineering and Cell Culture

As the field of tissue engineering evolves, there is a tremendous demand to produce more suitable materials and processing techniques in order to address the requirements (e.g., mechanics and vascularity) of more intricate organs and tissues. Electrospinning is a popular technique to create fibrous scaffolds that mimic the architecture and size scale of the native extracellular matrix. These fibrous scaffolds are also useful as cell culture substrates since the fibers can be used to direct cellular behavior, including stem cell differentiation (see extensive reviews by Mauck et al. and Sill et al. for more information). In this article, we describe the general process of electrospinning polymers and as an example, electrospin a reactive hyaluronic acid capable of crosslinking with light exposure (see Ifkovits et al. for a review on photocrosslinkable materials). We also introduce further processing capabilities such as photopatterning and multi-polymer scaffold formation. Photopatterning can be used to create scaffolds with channels and multi-scale porosity to increase cellular infiltration and tissue distribution. Multi-polymer scaffolds are useful to better tune the properties (mechanics and degradation) of a scaffold, including tailored porosity for cellular infiltration. Furthermore, these techniques can be extended to include a wide array of polymers and reactive macromers to create complex scaffolds that provide the cues necessary for the development of successful tissue engineered constructs.

The process of electrospinning polymers for tissue engineering and cell culture is addressed in this article. Specifically, the electrospinning of photoreactive macromers with additional processing capabilities of photopatterning and multi-polymer electrospinning is described.

Electrospinning Ponteggi polimeri fibrosi per l&#39;ingegneria tissutale e colture cellulari

As the field of tissue engineering evolves, there is a tremendous demand to produce more suitable materials and processing techniques in order to address ...

Biologia

Expanding Nanopatterned Substrates Using Stitch Technique for Nanotopographical Modulation of Cell Behavior

Substrate nanotopography has been shown to be a potent modulator of cell phenotype and function. To dissect nanotopography modulation of cell behavior, a large area of nanopatterned substrate is desirable so that enough cells can be cultured on the nanotopography for subsequent biochemical and molecular biology analyses. However, current nanofabrication techniques have limitations to generate highly defined nanopatterns over a large area. Herein, we present a method to expand nanopatterned substrates from a small, highly defined nanopattern to a large area using stitch technique. The method combines multiple techniques, involving soft lithography to replicate poly(dimethylsiloxane) (PDMS) molds from a well-defined mold, stitch technique to assemble multiple PDMS molds to a single large mold, and nanoimprinting to generate a master mold on polystyrene (PS) substrates. With the PS master mold, we produce PDMS working substrates and demonstrate nanotopographical modulation of cell spreading. This method provides a simple, affordable yet versatile avenue to generate well-defined nanopatterns over large areas, and is potentially extended to create micro-/nanoscale devices with hybrid components.

A protocol for producing a large area of nanopatterned substrate from small nanopatterned molds for study of nanotopographical modulation of cell behavior is presented.

Espansione nanostrutturati Substrati utilizzando la tecnica del punto per Nanotopographical Modulazione di Cell Comportamento

Substrate nanotopography has been shown to be a potent modulator of cell phenotype and function. To dissect nanotopography modulation of cell behavior, a ...

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 ...

Vapor Phase Deposition of Electroactive Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) onto Electrospun Commodity Polymer Nanofibers

This study investigates the preparation of polyacrylonitrile (PAN) nanofibers through electrospinning to create highly porous and strong materials for applications in water purification, electrocatalysis, and biomedicine. The uniformly white PAN nanofiber mats were cut into 2 cm x 2 cm coupons to ensure consistency. After electrospinning, these nanofibers were coated with an electroactive polymer (EAP) using chemical vapor deposition, with iron (III) chloride (FeCl3) serving as an oxidant for polymerizing 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) into poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). The study examined the impact of different FeCl3 concentrations on PEDOT deposition on the PAN coupons. PEDOT deposition led to an increase in coupon weight. Scanning electron microscopy (SEM) revealed increases in the diameter of the nanofibers treated with increasing FeCl3 oxidant concentration, although higher FeCl3&#160;concentrations caused inter-fiber bridging, implying a concomitant decrease in inter-fiber spacing. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was used to confirm the presence of Fe, Cl, and S in the nanofibers, with sulfur content rising with FeCl3&#160;concentration used, suggesting increased PEDOT deposition efficiency with increasing oxidant concentration. Mechanical testing showed that PEDOT-coated PAN fibers had improved tensile strength and toughness in the hydrated state compared to pure PAN nanofibers. These results highlight the crucial role of FeCl3&#160;concentration in influencing the morphology and properties of PAN-PEDOT composites, enhancing their suitability for applications such as water purification, tissue engineering, biosensing, catalysis, and energy storage.

This paper describes a simple technique for coating electrospun PAN nanofibers with electroactive polymers using vapor deposition. The effects of the oxidant FeCl&#8323; on the deposition of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) coatings on PAN were investigated to understand and optimize polymer growth, fiber diameter, and overall mechanical strength of the nanofiber mats.

Deposizione in fase vapore di poli(3,4-etilendiossitiofene) elettroattivo su nanofibre polimeriche elettrofilate

This study investigates the preparation of polyacrylonitrile (PAN) nanofibers through electrospinning to create highly porous and strong materials for ...