Processo de fabricação de microestruturas tridimensionais usando vaporização de um componente sacrificial

Resumo

A vaporização de um processo de componentes sacrificial (Vasc) é usado para o fabrico de estruturas microvasculares. Este procedimento utiliza fibras de poli (ácido láctico sacrificiais) para formar microcanais oco com posicionamento preciso geométrica 3D fornecido por placas de guia de microfabricação laser.

Resumo

Estruturas vasculares em sistemas naturais são capazes de oferecer transporte de alta massa através de áreas de superfície e estrutura otimizada. Algumas técnicas de fabricação de materiais sintéticos são capazes de imitar a complexidade destas estruturas, mantendo escalabilidade. A vaporização de um processo de componentes sacrificial (Vasc) é capaz de fazê-lo. Este processo utiliza fibras sacrificiais como um modelo, para formar, cilíndricos ocos microcanais incorporados dentro de uma matriz. Estanho (II), oxalato de (snox) é incorporado dentro de poli (ácido láctico), ácido (PLA) fibras que facilitam a utilização do presente processo. O snox catalisa a despolimerização das fibras de PLA, a temperaturas mais baixas. Os monómeros de ácido láctico são gasosos a estas temperaturas e pode ser removido da matriz de incorporado a temperaturas que não danifiquem a matriz. Aqui nós mostramos um método para alinhar estas fibras usando placas de microfabricação e um dispositivo de tensionamento para criar padrões complexos de tridimensionalmente microcanais dispostos.O processo permite a exploração de virtualmente todo o arranjo de fibra topologias e estruturas.

Introdução

Sistemas naturais utilizar redes vasculares extensivas para facilitar muitas funções biológicas. O transporte de massa pode ser alcançada de forma eficiente em tais sistemas, devido à área de superfície elevada para razões de volume e de estruturas de embalagem optimizadas. Embora várias técnicas de fabricação sintéticos podem produzir estruturas microvasculares, ninguém pode produzir microvasculatura grande escala, mantendo a complexidade e a compatibilidade com os métodos de fabrico existentes ^{para 1-5.} Estruturas tais como o pulmão aviária proporcionar uma inspiração. Como é que vamos fabricar estruturas desta complexidade para melhorar o transporte de massa?

A vaporização de um componente sacrificial (Vasc) pode produzir estruturas microvasculares em larga escala, complexos ^6-7. Este método utiliza a despolimerização térmica e eliminação por evaporação do poli (ácido láctico), fibras de ácido para formar canais ocos que são o inverso do modelo de fibra. Esta é uma técnica de sacrifício compatível com fabrico existentemétodos. Metro de comprimento, padrões de microcanais cilíndricas pode ser formada usando o processo de fabricação. Isto pode ser usado para criar dispositivos vascularizados, tais como polímeros de auto-cura e 3D unidades de captura de carbono microvasculares ^7-10.

As unidades de captura de carbono foram inspirados pelo pulmão aviária que fornece um eficiente gás troca-peso proporção devido ao seu uso durante o vôo. O parabronchus é composto de microcanais hexagonal padronizados, o que proporciona alta taxas de gás e unidades de troca gasosa estruturalmente estáveis. A fim de criar taxas de unidades com características microescala alinhados em três dimensões, foi desenvolvido um método de tensionamento independentemente fibras usando uma placa de tensão projetado personalizado com sintonizadores de violão e placas laser microfabricação. Cada fibra é mantida no lugar por tensão externa e o padrão é estabelecido pela colocação de orifícios na placa por meio do qual as fibras são executados.

Protocolo

1. Catalisando Fibers sacrificiais

1. Enrole a quantidade desejada de poli (ácido láctico) fibras de ácido ao redor do menor ¾ do eixo personalizado. Reduzir a sobreposição de fibras para proporcionar o máximo de área de superfície de exposição.
2. Misturar desionizada _H2O, com 40 ml de Disperbyk 130 em um frasco fechado e agitar até que uma solução homogénea é obtida. Em seguida, colocar um copo de 1000 ml no banho de água a 37 ° C e verter trifluoroetanol para o copo. A quantidade de H ₂ O e TFE a utilizar depende do diâmetro das fibras de PLA utilizado.

   Diâmetro da Fibra	Quantidade de H 2 O (mL)	Valor da TFE (ml)
   200	400	400
   300	360	440
   500	320	480

3. Adicionaro ₂ O / Disperbyk 187 solução de H para o copo e agita-se até ficar uniforme.
4. Adicionar 1 g de malaquite verde à mistura e agita-se até à dissolução.
5. Colocar o fuso costume com fibras no copo ½ polegada a partir do fundo e anexar o eixo para um misturador digital. Em seguida, iniciar o mixer digital a 400 rpm.
6. Lentamente, adicionar 1,3 g de estanho (II), oxalato de catalisador (snox) à mistura. A adição de snox deve ser gradual, a fim de evitar grandes aglomerações de material de cair para fora da solução.
7. Ajustar o pH da mistura com NaOH até o pH é de aproximadamente 6,8-7,2.
8. Assegurar uma tampa para o copo e aumentar a rotação do eixo de 500 rpm durante 24 horas. Se uma aglomeração de snox é observada, quebrá-lo manualmente dentro das primeiras 2 horas.
9. Remover fuso e seco no forno a 35 ° C durante a noite.
10. Retire e remover o excesso de catalisador a partir das fibras de PLA catalisadas.

2. Microvascular Gas Exchange Fabrication Unit

1. Obter um par de placas de latão de bronze padronização de corte a laser com o padrão microvascular desejado e fixar as placas em suportes clipe.
2. Corte um pedaço de 10 polegadas de fibra catalisada por microcanais e remover qualquer catalisador restante usando uma placa espessa cortar o diâmetro da fibra (placa de empate).
3. Conicidade das extremidades das fibras, utilizando a ponta de uma pistola de cola quente lentamente extrudir as pontas das fibras.
4. Passe as fibras através de orifícios correspondentes nos pares de placas padronização de bronze.
5. Parafuso as placas em uma caixa de moldagem. Certifique-se que as fibras não são torcidos quando colocar as placas.
6. Barbante as pontas de fibra através da cravelhas do conselho de tensionamento personalizado.
7. Tensão das fibras de PLA até tenso. Tenha cuidado para não sobre-tensão e encaixe as fibras.
8. Remover o excesso de partículas a partir do padrão de fibras utilizando ar comprimido.
9. Mix base de polidimetilsiloxano (PDMS) com agente de cura em um 10:1, v: relação v.
10. Desgaseifica-se a mistura sob vácuo num exsicador frasco durante 10 minutos.
11. Despeje a mistura PDMS na caixa do molde. Não verter directamente sobre as fibras, a fim de reduzir o aprisionamento de bolhas de ar.
12. Usando uma agulha de 26 G, remover quaisquer bolhas de dentro da caixa de moldagem, ou entre as fibras.
13. Curar a mistura de PDMS a 85 ° C durante 30 min.
14. Solte as placas de latão da caixa do molde, certificando-se de não dobrar as placas ou puxar com muita força. Retire a 1 ^ª etapa curado de caixa do molde.
15. Passe as fibras através de um fim-cap RTV por punção buracos no-cap final com uma agulha hipodérmica. Dependendo do tamanho da fibra, utilizar um indicador de agulha que tem, pelo menos, 2 vezes o diâmetro interior do diâmetro exterior da sua fibra. Manter um padrão semelhante ao da placa de padronização de bronze, mas mais amplamente espalhados.
16. Aperte o fim-caps para as extremidades de uma caixa de molde maior e despeje a 2 ^ª etapa do PDMS.
17. Remova todas as bolhas de gás remanescentes ecurar a 85 ° C durante 30 min.
18. Cortar as fibras de PLA em excesso a partir da amostra e colocar num forno de vácuo a 210 ° C durante 24 horas, ou até que as fibras de PLA têm sido principalmente evacuado.
19. Se qualquer PLA não pode ser removida, se dissolvem suavemente para fora dos microcanais, utilizando uma injecção de 1 ml de clorofórmio.

Resultados

Este procedimento fornece um método de fabrico de estruturas microvasculares embutidas dentro de uma resina. Estas estruturas podem estar de acordo com uma variedade de padrões (Figura 2). A estrutura da rede microvascular é limitada apenas pelas estruturas que podem ser formadas com as fibras sacrificiais.

Usando um arranjo paralelo de canais microvasculares, de transporte de gás entre fluxos de fluidos é facilitado como gases atravessam a membrana inter-canal permeáv...

Discussão

A introdução do catalisador para o snox fibras de PLA permite que as fibras para despolimerizar a uma temperatura inferior. Isto evita a degradação da resina de incorporação, neste caso, o PDMS. Um fuso de costume é necessário para misturar adequadamente a solução de tratamento (Figura 5A). O eixo é composto de seis hastes de apoio em torno de um núcleo central, que atribui a um mixer digital. As fibras são enrolados em torno das hastes de suporte de modo que a área de superfície das fibr...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Reagent
Tin (II) oxalate	Sigma-Aldrich	402761
Disperbyk 130	BYK Additives Instruments
Trifluoroethanol	Halocarbon
Malachite Green (technical grade)	Sigma-Aldrich	M6880
Sodium hydroxide (≥98%, pellets)	Sigma-Aldrich	S5881
Polydimethylsiloxane (PDMS)	Dow Corning	3097358-1004	Distributed from Ellsworth Adhesives
Poly(lactic) acid fibers	Teijin Monofilament
Material
RW 20 Digital Mixer	IKA	3593001
Desiccator Jar	Pyrex
Vacuum Oven	Fisher Scientific
Third Hand	Jameco Electronics	26690	Plate holder
Glue Gun	Stanley	GR20L
PLA Spindle			Custom made
Tensioning Board			Custom made