This work is supported by the NSF-EPSCoR (grant #0814194) and the Department of Bioengineering.

<html> 1. Equipamentos Set-up <ol><li> Montagem do sistema de distribuição e ligar controlador de válvula e o corpo da seringa para a fonte pneumática, por meio de um regulador de pressão, para regular a pressão a 15 psi para distribuir a solução de polímero a partir da ponta da agulha com um caudal de 2,45 mL / min. </li><li> Inserir o robô de 3 eixos e sistema de distribuição para um cercado térmica para garantir um ambiente de trabalho estável (Figura 2). </li><li> Instale-robô Joint Pontos de Controle (JR-C) Pontos de software fornecidos pelo fabricante do sistema e conectar robô de 3 eixos para um computador via porta de comunicação serial. </li><li> Montar a válvula de distribuição de robô de 3 eixos e instalar ponta da agulha na válvula. </li><li> Nivelar a placa estágio robótico de acordo com as orientações do fabricante para garantir a planicidade com relação à altura da ponta da válvula 15. </li><li> Montar um aquecedor controlado-feedback no recinto para adicionar controle ambiental. </li></ol>conteúdo &quot;fo: manter-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> Figura 2. (A) 3-Axis dispensar robô com acessórios necessários alojados dentro de um gabinete; e, (B) imagem Ascendente próximo da válvula de distribuição com microscópio USB ligado para visualização. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 2. Materiais Experimentais e fatores controladores <ol><li> Fatores e sua combinação de controle. <ol><li> Vary taxa de alimentação de 1% da velocidade (5 mm / seg) até 100% (500 mm / seg), pelo software JR C-Pontos. Para esta aplicação, utilizar uma velocidade de 2% (10 mm / s) para fabricar o estruturas de fibras apresentado neste trabalho. </li><li> Variar concentrações da solução de polímero de viscosidade específica para atingir, a tensão superficial e parâmetros de volatilidade necessáriapara a aplicação pretendida. Para esta aplicação, utilizar um 24% de polimetilmetacrilato (PMMA) em solução de clorobenzeno para fabricar as estruturas de fibras apresentados neste trabalho. </li><li> Vary controle de tempo de distribuição válvula de 0,02 segundos para 1 segundo, a fim de ejetar soluções via pneumática. Para esta aplicação, use 0,02 seg para fabricar as estruturas de fibra apresentados neste trabalho. </li><li> Selecione um tamanho calibre de pontas de agulhas de alta precisão para dispensar soluções poliméricas. Para esta aplicação, use a 30 G (diâmetro interno (ID) = 152,4 mm) de ponta para fabricar as estruturas de fibra apresentados neste trabalho. </li><li> Definir o intervalo de temperatura de operação entre 70 ° F a 100 ° F na caixa de isolamento térmico para manter uma taxa de evaporação constante da amostra de polímero. Para esta aplicação, utilizar uma temperatura de 70 ° F para fabricar as estruturas de fibras apresentados neste trabalho. </li></ol></li><li> Preparação de soluções de polímero. <ol><li> Misturarresinas de polímeros de metacrilato de polimetilo (PMMA; 0,72 g) com o solvente clorobenzeno (2,28 g) sob uma câmara de fluxo químico. </li><li> Calcule o peso do polímero (PMMA) e do seu solvente (clorobenzeno) para alcançar a concentração desejada do polímero em solução. Para esta aplicação, utilizar um 24% de polimetilmetacrilato (PMMA) em solução de clorobenzeno para fabricar as estruturas de fibras apresentados neste trabalho. </li><li> Colocar a quantidade desejada de pó de polímero / resina para dentro do frasco de vidro. Para esta aplicação, usar 0,72 g de resina de PMMA para atingir uma concentração de 24% de PMMA. </li><li> Transferir no solvente sobre polímero dentro do frasco com uma pipeta até que o peso total de 3 g é atingido. </li><li> Misturar o frasco durante 1 min usando um agitador de vórtice e processá-los por ultra-sons durante 5 horas para dissolver completamente o pó de polímero / resina. </li><li> Verifique a transparência das soluções, se houver qualquer turvação ou opacidade a amostra continuam a sonicação até estar límpida. </li></ol></li><li> Medição da viscosidade de soluções de polímero. <ol><li> Viscosidades de soluções medida através de cone-and-plate viscometer (por exemplo, VDVE-II + e RVDV-II +) 16. </li><li> Carregar 0,5 ml de amostra padrão conhecida viscosidade (uma mistura à base de glicerina e água) fornecida pelo fabricante viscosímetro para calibrar o viscosímetro, a fim de minimizar os erros nas medições de viscosidade. O fabricante fornecida uma variedade de amostras padrão para a calibração do viscosimetro. Utilizar a amostra padrão à base de glicerina com uma viscosidade de 100.000 cP. </li><li> Conectar camisa de água para manter o viscosímetro de fluido de ensaio a uma temperatura de funcionamento constante. </li><li> Inicie a medição fluido de teste movendo o interruptor On / Off para a posição On para iniciar a rotação do eixo. Uma vez que o valor do binário no painel de exibição tenha se estabilizado, gravar o torque e calcular as viscosidades finais usando a relação entre binário, constante multiplicador fuso e velocidade de fuso 16 <img alt="Equação 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> onde é a viscosidade, a RPM é a velocidade do fuso, afixada cone, TK é o binário (0,09373 para VDVE-II +, 1 para RVDV II +), SMC é a constante multiplicador eixo que depende do fuso específico a ser utilizado durante a viscosidade medição. Para este estudo, o fuso CP-52 que foi usado tem uma constante multiplicador fuso de 9,83. </li></ol></li><li> Medição da tensão superficial de soluções poliméricas. <ol><li> Método de medição refere-se à técnica de Wilhelmy 14. </li><li> Coloque 1 ml soluções de teste em um frasco de vidro em um equilíbrio de alta resolução (resolução escala = 0,001 g). Mergulhe uma haste de vidro de diâmetro conhecido em soluções de teste. </li><li> Controlar a posição da haste através de um servo ou de passo controlado atuador linear para tocar a superfície e parcialmente mergulhe em soluções de teste com contato zero. </li><li> Monitorar e registrar a mudança na medição de massa no balanço quandoa remoção da haste de solução superfície. </li><li> Calcule a tensão superficial pela mudança vigor, perímetro da haste e ângulo de contato do líquido na haste. <img alt="Equação 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> onde está o perímetro molhado da haste (L = 10,05 milímetros de diâmetro = 3,2 mm), é θ ângulo de contacto do fluido na haste, F é mudança da força devido à tensão superficial do fluido de teste na ponta da haste. </li></ol></li><li> Medição de coeficiente de transferência de massa de soluções. <ol><li> 14 Medir coeficientes de transferência de massa de soluções de polímeros por análise termogravimétrica. </li><li> Carregar 30 ul da solução de polímero de PMMA de 24% (em peso) numa placa de platina antes de tara, o equilíbrio. </li><li> Purgue a câmara, o programa do dispositivo para executar a temperatura operacional desejada (70 ° F) durante 2 horas para monitorar massa de soluções alvo. </li><li> Calcular os coeficientes de transferência de massa por mudanças na massa da solução,área de solução de interface e a densidade / ar. <img alt="Equação 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> em que m (t) é a massa de soluções de PMMA, A é ​​a área da interface solução / ar (igual a 78,5 milímetros para 2 placa padrão), mPOLYMER é a massa do polímero na solução e é a densidade da solução. </li></ol></li></ol> 3. Escreva direto Experiment Procedimento <ol><li> Dispensando protocolo de carregamento de amostra do sistema. <ol><li> Carga 3 ml de solução de polímero para dentro do tambor da seringa, colocar pistão em tambor de seringa para eliminar a distribuição de pressão pneumática inconsistente. </li><li> Torça o adaptador de linha de entrada no reservatório da seringa, conecte-o ao tubo de ar linha de origem. </li><li> Escolha o tamanho calibre desejado da ponta da agulha de precisão para realizar experimento. </li><li> No painel do controlador da dispensa, mude para purgar estado e clique em &quot;ciclo&quot; botão para preencher a válvula de distribuição com polímero, de modolução até descarregado a partir da ponta da agulha. </li><li> Wipe solução de polímero residual da ponta na preparação de um processo de escrita de fibra programado. </li></ol></li><li> Fibras de polímero diretos gravação com robô de 3 eixos e sistema de distribuição. <ol><li> Determinar o deslocamento para reposicionar a ponta da agulha de distribuição a partir da posição inicial padrão para o ponto de iniciação do micro / sub-estrutura de fibra micron prescrito fase robô para ser desenhada. Montar um microscópio USB (ampliação = 200x) para o suporte da válvula do sistema de distribuição, o que se traduz ao longo do eixo-Z. Focar manualmente a ponta do aplicador, ajustando o botão de focagem do microscópio sobre USB que ajuda a posicionar com precisão a ponta da válvula para a posição desejada, o substrato pré-fabricado ou dispositivo. </li><li> Criar / projetar o padrão de estrutura de fibra desejado (Figuras 3A, 4A, 5A e) usando um pacote de software CAD. Introduzir as coordenadas espaciais (x, y, z) na roboJR-t C 15 controlar o software para todos os pontos de iniciação e de terminação, de modo sequencial, com respeito ao padrão desejado criado dentro do programa de CAD (Figura 3B, 4B, 5B e). </li><li> Transfira o programa de design de estrutura de fibra concluído a partir do computador para o robô, clicando em &quot;Enviar C &amp; T de dados&quot; no menu do robô dentro do software JR-C 15. </li><li> Carga de 3 ml de PMMA amostra solução de concentração conhecida (24%) em tambor de seringa, válvula de purga e agulha, configurar todos os parâmetros de distribuição para o controlador de válvula e controlar robô software. </li><li> Coloque substrato pré-fabricado para a fase cilindro robô, fechar as portas do recinto térmicos para impedir o fluxo do ar ambiente, o que pode induzir instável evaporação da solução de polímero. </li><li> Comece a escrever as fibras sobre o substrato, clicando no menu robô de software JR-C e selecionando &quot;teste de corrida&quot; 15. </li><li> DC revestimento por crepitação uma camada de ouro metálico condutor durante 2 min, até que uma camada espessa de 2 nm de ouro é depositada sobre as fibras estiradas para permitir a visualização das fibras no microscópio electrónico de varrimento. </li><li> Medir o diâmetro e a estrutura de fibras por meio de microscópio electrónico de varrimento 17. Microscópio parâmetros: Nível de alta tensão: 2,00 kV; Objectivo: InLens, distância de trabalho (9,0 mm). </li></ol></li><li> Execute o procedimento de limpeza do sistema de distribuição sob uma capela de fluxo química. <ol><li> Inserir o sistema de dispensa numa câmara de fluxo químico para executar o procedimento de limpeza. </li><li> Desmontar válvula de agulha de acordo com o protocolo do fabricante. </li><li> Coloque todos os componentes para uma proveta de metal, derrame acetona na proveta até que todas as peças estão imersas. </li><li> Coloque copo num banho de ultra-sons durante 30 minutos para remover todos os restos de polímero. </li><li> Lave todas as peças em água DI fluir, em seguida, usar pistola de ar para explodi-los secos. </li></ol></<html> li&gt; </ol><img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" /> Figura 3. (A) Exemplo de projetado &quot;quad&quot; estrutura de web em um 10 milímetros x 10 mm quadro, (B) instruções seqüenciais ponto-a-ponto espaciais a serem introduzidos em software ponto JR-C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> Figura 4. (A) Exemplo de desenhado estrutura de teia &quot;simétrico&quot; em ± 10 mm x 10 mm moldura, (B), ponto-a-ponto espaciais instruções sequenciais a ser introduzida no software de ponto de JR-C.blank &quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" /> Figura 5. (A) Exemplo de projetado &quot;chevron duplo&quot; estrutura de web em um 10 milímetros x 10 mm quadro, (B) ponto-a-ponto instruções espaciais seqüenciais a ser introduzida em software ponto JR-C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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The authors have nothing to disclose.

Antes de tentar cada ensaio, é importante que a viscosidade, coeficiente de transferência de massa e a tensão superficial das soluções de teste de polímero ser medida com precisão, a fim de determinar se o robô e sistema de distribuição é capaz de processar o polímero desejado. Tal como descrito anteriormente pelo nosso grupo, as soluções de polímero deve reter adequada: 1) a tensão superficial para permitir que a formação de filamentos de líquido em estruturas / sub-micron micron; 2) viscosidade para resistir quebrar capilar-se; e, 3) taxa de evaporação para melhorar a solidificação de fibra 18. A sinergia entre estes parâmetros é a chave para produzir com sucesso fibras ao longo de um determinado intervalo de diâmetros. Ao mesmo tempo, a instabilidade em qualquer destes parâmetros previne a formação de fibras / micron escala sub-micra. Para manter a sinergia entre estes parâmetros durante o fabrico de fibras, é importante para assegurar que a agulha e válvula de agulha está completamente limpa após uma gravação directa s-ESSÃO para evitar: 1) a contaminação da solução; 2) uma redução na taxa de fluxo da solução de polímero através da agulha; e, 3) o crescimento excessivo na pérola de polímero na ponta da agulha. Além disso, o controlador de temperatura no aquecedor deve ser ajustado para a temperatura desejada para manter uma taxa constante de evaporação da solução de polímero. As fibras ramo bifurcadas foram 59%, 41% e 24% maior em diâmetro do que a das estruturas de suporte das Figuras 6-8, respectivamente, utilizando a solução de 24% de PMMA. Isto é principalmente devido à distância a que as fibras são extraídas. Especificamente, as estruturas de suporte são desenhados ao longo de toda a largura do substrato (10.0 mm de X e de Y; 14,4 milímetros diagonal). Como resultado, estas são as fibras mais longas de as estruturas suspensas global. As estruturas de ramificação bifurcadas são significativamente mais curta, que varia a partir de 7 mm de comprimento do valor máximo até 2,5 milímetros. Este menor comprimento desenho fibra não fazt induzir eficazmente a estirpe de fibra necessária durante o processo de adelgaçamento das fibras, a fim de produzir as fibras de pequeno diâmetro. Por outro lado, fios de diâmetro maior são necessárias para servir como as fibras de suporte, a fim de manter eficazmente a puxar e a deformação induzida durante o processo de estiramento ramo bifurcada. À medida que os ramos de bifurcação são desenhadas através das fibras de suporte, uma remodelação do tamanho de fibra de suporte pode ocorrer devido às forças de desenho, bem como uma dissolução localizada do polímero de PMMA na interface entre o suporte e as fibras ramificadas do solvente presente no solução de polímero. Assim, em alguns casos, as fibras de suporte pode ter de ser fabricada a partir de uma solução de polímero que consiste em uma concentração mais elevada de polímero para a produção de maior diâmetro e as fibras mais fortes mecanicamente. Existem basicamente três métodos eficazes para modificar o protocolo já existente de produção de uma gama mais ampla de apoio e fibra ramificadadiâmetros: 1) inicialmente dispensam o polímero a partir de uma ponta de agulha maior (por exemplo, 25 g; ID = 254 mm) para gerar as fibras de suporte e, em seguida, trocar por uma ponta de agulha menor (por exemplo, 32 G; ID = 101,6 mm) para fabricar as pequenas fibras ramificada; 2) como indicado acima, utilizar concentrações múltiplas de polímero; e / ou, 3) ajustar a taxa de alimentação, ou seja, a velocidade na qual a fase atravessa, onde o aumento da taxa de alimentação produz fibras de menor diâmetro e diminuindo a taxa de alimentação cria fibras de diâmetro maior. Até à data, têm sido capazes de fabricar com sucesso fibras tão pequeno como 90 nm; no entanto, o rendimento em fibra esta dimensão é baixo devido ao rompimento capilar. Uma limitação deste processo automatizado de escrita directa é que apenas uma concentração da solução de polímero pode ser distribuído de cada vez. Isto restringe o nível de complexidade das estruturas suspensas para ser desenvolvido sem ter que: 1) adicionar uma segunda válvula de distribuição para o robô;ou, 2) remover a válvula existente e executar o protocolo de limpeza (Seção 3.4) antes de dispensar a segunda solução de polímero, o que leva tempo adicional. Uma segunda limitação é a taxa de alimentação (ou velocidade de impressão), em que a taxa de alimentação máxima que o sistema é capaz de alcançar é de 500 mm / seg. No entanto, há um equilíbrio entre a taxa de alimentação e formação de fibras. Especificamente, se as forças de inércia (forças, devido à velocidade de alimentação) são maiores do que as forças de tensão da superfície e a velocidade de evaporação da solução de polímero, a formação da fibra não ocorre. Por outro lado, se a taxa de alimentação é muito baixa, as fibras irão fracturar devido à evaporação excessiva antes e durante o processo de alongamento. Em terceiro lugar, as dimensões da fibra e da estrutura estão limitadas à gama de operação do estágio do robot, ou seja, 200 mm, 200 mm e 25 mm (com uma precisão de posicionamento 10 um) nas direcções x, y e z, respectivamente. No entanto, este processo permitem a formação de elevada razão de aspecto (l fibrasength: diâmetro) fibras. Estrategicamente variando o tamanho da ponta de distribuição e a concentração da solução de polímero que permitiria uma mais ampla gama de diâmetros da fibra, criando a capacidade de gerar estruturas suspensas livremente de maior complexidade. Seguindo os protocolos de dito acima, as fibras de polímero micra e diâmetro submícron podem ser gerados com um nível elevado de controlo espacial, explorando a superfície orientada para tensão de fluido mecânica das soluções de polímero, que não podem ser controlados com quaisquer outros processos por via húmida, secos ou electrospinning . Do trabalho antes 8,19, sabemos que esta técnica pode ser utilizada para fabricar intrincado micro / submicrométricas dispositivos fluídicos 19 e andaimes bioengenharia 8. Esta técnica barato e fácil tem as suas próprias vantagens em relação aos métodos tradicionais de fabricação plaina de muitas maneiras.

Ao longo das últimas décadas, uma variedade de técnicas de fabricação, tais como fiação molhada, seca e fiação electrospinning, têm sido empregados para criar novas estruturas de fibra de polímero com diversas e robustas biológicas, químicas, elétricas e mecânicas propriedades 12/01. Embora estas técnicas de fiação são capazes de gerar suspenso fibras tridimensionais, que são limitados na sua capacidade para controlar com precisão a orientação das fibras em três dimensões vez que a deposição de fibras por meio destes processos são de natureza aleatória. Além disso, essas técnicas são limitadas na sua gama de dimensões para a fabricação de fibras; especificamente, as fibras produzidas por meio de fiação por via húmida e seca variar em diâmetro a partir de dezenas a centenas de microns, enquanto electrospinning produz fibras com diâmetros que variam de dezenas de nanómetros a uma única 13 micron. Para fornecer um controle mais preciso da orientação das fibras no espaço 3-D, o nosso grupo desenvolveu uma auto-assemble ou processo de fabricação &quot;e gravação direta&quot; fibra que ejeta diretamente um material polimérico de um capilar oca e, em seguida, chama a filamentos individuais que fino e solidificam-se em diâmetros de fibras previsíveis através da exploração de superfície orientada por tensão mecânica dos fluidos 14. Nosso sistema de gravação direta inicial para aumentar o nível de controle da posição de fibra e diâmetro consistiu de uma mola sistema de seringa de distribuição custom fabricada ligado à cabeça de uma custom made ​​Ultra-Alta Precisão microfresagem Machine (Figura 1). O UHPMM tinha uma fase com uma resolução de 1,25 nm posicional nas direcções X e Y e 20 nm na direcção Z que foi controlada por meio de programação para criar micron e fios à escala sub-micra e estruturas. Uma limitação deste sistema de gravação directa em particular foi a falta de controlo de fluxo da solução de polímero através da ponta da agulha. Embora o sistema de distribuição de mola gerada com êxito flo constanteW, através da ponta, um grânulo esférico expansão contínua de solução de polímero foi criado na saída da ponta da seringa, a qual variou em tamanho e volume, dependendo das condições ambientais. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> Figura 1. Imagem de Máquina Ultra High Precision microfresagem:. O primeiro sistema de gravação direta empregada na fabricação de estruturas em escala mícron / sub-micron <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> A inconsistência deste grânulo fonte impactado a capacidade do sistema para fabricar repetidamente os fios de um diâmetro prescrito. Embora, as estruturas foram gerados com sucesso utilizando o processo de escrita directa, a melhoria do processo, aumentando o controlo do fluxo da solução de polímero permitiria mais precise, prescrito diâmetros de fibras através da regulação do tamanho do grânulo na ponta da seringa. Assim, este trabalho descreve a implementação de um sistema de distribuição automatizada de 3 eixos com válvula distribuidora acionamento pneumático para controlar com precisão o tamanho caudal de solução de polímero e ponta talão para criar prescrito, micron / sub-micron estruturas suspensas.

<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.

Imagens das estruturas reais produzidas através do robô 3-eixo e método de gravação directa para cada um dos respectivos desenhos e algoritmos JR C-ponto definido nas Figuras 3-5 e B acima estão apresentados nas Figuras 6A, 7A e 8A. Como pode ser visto nas imagens resultantes, fibras tridimensionais, livremente suspensas foram com sucesso &quot;escrita&quot; sobre os substratos através da manipulação precisamente a ponta do aplicador de localizações espaciais prescritos, incluindo a iniciação / terminação pontos, bem como pontos de intersecção. As inserções dessas figuras ampliar os pontos de intersecção de fibras em suspensão, o que demonstra a capacidade do sistema para controlar com precisão orientação das fibras (Figuras 6B, 7B e 8B) no espaço 3-D. <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> Figura 6. (A) Op<html> imagem tical de fabricado &quot;quad&quot; estrutura web suspenso com 2 fibras de apoio (diagonais) e 12 bifurcados fibras PMMA ramificados; (B) Imagem SEM de uma única fibra bifurcada (ampliação 289x (15x óptico ampliação escala bar = 1 mm),; escala bar = 100 mm). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> Figura 7. (A) de imagem óptica de estrutura fabricado web suspensa &quot;simétrico&quot; com 1 fibra de apoio (horizontal) e 11 fibras PMMA ramificada bifurcados (15X óptico ampliação; escala bar = 1 mm), (B) imagem SEM de um único bifurcada fibra (107X ampliação; barra de escala = 100 mm).&quot;Target =&quot; _ blank 52834fig7large.jpg &quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> Figura 8. (A) de imagem óptica do fabricado &quot;duplo chevron&quot; suspenso estrutura web com 1 fibra de apoio (horizontal) e 22 fibras PMMA ramificada bifurcados (15X óptico ampliação; escala bar = 1 mm), (B) imagem SEM de um único fibra bifurcada. (80X de ampliação; barra de escala = 100 mm) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> Figura 9 mostra close-up vista da ordem sequencial ponto-a-ponto de fabricação de fibra em que o robô de 3 eixos e sistema de distribuição pode gerar as estruturas web-like suspensos livremente. O p<html> pontos de contacto olymer exibidos com números correspondem ao dar início programado ou destino no software JR-C referenciado na Figura 3B acima. As setas representam robô trajectória. A Figura 10 exibe micron e submicron fibras de polímero, o que demonstra a capacidade do sistema de gravação directa para o fabrico de fios de diferentes tamanhos. <img alt="Figura 9" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> Figura 9. imagem SEM ilustrando a ordem de fabricação ponto-a-ponto sequencial para desenhar as fibras mícron e submícron de polímero (de ampliação 29X; barra de escala = 200 m). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 2834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; Figura 10. SEM imagem de micron (6,5 mm) e fibras extraídas usando uma solução de polímero PMMA concentração de 20% sub-micron (555 nm). (2,270X ampliação; barra de escala = 2 mm) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior este valor.</a> Polímero diâmetro e comprimento da fibra foram medidas utilizando a microscopia electrónica de varrimento. A Tabela 1 mostra o diâmetro médio de fio para cada estrutura única apresentada nas Figuras 6-8 acima correspondente às fibras de ramificação bifurcadas e as fibras de suporte. A Tabela 2 mostra os parâmetros de polímero que foram medidos a partir das soluções de 24% de PMMA que foram utilizados para fabricar as estruturas mencionadas acima. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> Estrutura diâmetro na Figura 6</td><td> Estrutura diâmetro na Figura 7 </td><td> Estrutura diâmetro na Figura 8 </td></tr><tr><td> Fibras de apoio </td><td> 8,65 ± 1,43 mm </td><td> 9,39 ± 1,23 ^ M </td><td> 9,31 ± 1,65 ^ M </td></tr><tr><td> Fibras filial </td><td> 20,96 ± 3,35 mm </td><td> 15,92 ± 1,44 mm </td><td> 12,24 ± 5,42 mm </td></tr></tbody></table> Tabela 1. Os diâmetros médios das fibras de suporte e suspensão ramo mostrados nas Figuras 6-8 para uma solução 24% de PMMA. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> 24% de PMMA </td></tr><tr><td> Viscosidade (Pa * s) </td><td> 35.19 </td></tr><tr><td> Tensão Superficial (mN / m) </td><td> 262,01 </td></tr><tr><td&gt; coeficiente de transferência de massa (m / seg) </td><td> 8,59 x 10 -8 </td></tr></tbody></table> Tabela 2. Os parâmetros de polímero das soluções de 24% de PMMA que foram utilizados para fabricar as estruturas de fibras apresentados neste trabalho.

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

Aqui, apresentamos um protocolo para fabricar livremente suspensos, fibras micron / sub-micron escala de polímeros e estruturas &quot;web-like&quot; gerados via procedimento automatizado escrita direta por meio de um sistema de distribuição de 3 eixos.

Prescrito 3-D Direto Escrita de Suspenso Micron / Sub-micron estruturas de fibras Escala através de um sistema distribuidor Robotic

A 3-axis dispensing system is utilized to control the initiating and terminating fiber positions and trajectory via the dispensing software. The polymer ...

prescribed-3-d-direct-writing-suspended-micronsub-micron-scale-fiber

Research

JoVE Journal

Engineering

8.0K visualizações.  University of Louisville.  Aqui, apresentamos um protocolo para fabricar livremente suspensos, fibras micron / sub-micron escala de polímeros e estruturas "web-like" gerados via procedimento automatizado escrita direta por meio de um sistema de distribuição de 3 eixos. 

Vídeo: 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.

Fabricação de cavidades de nanoescala uniformes 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 ...

Engenharia

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.

Escrita e Caracterização baixa temperatura de óxido de Nanoestruturas

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.

Escrevendo redes de Bragg em fibras 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;).

A plataforma robótica para estudar a Foreflipper do Leão de mar de Califórnia

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.

Agulha de ultra-som tridimensional dica de rastreamento com um receptor de ultra-som de fibra óptica

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.

Realização de elevada temperatura Normal e combinados de pressão-tesoura chapa impacto experiências através de um sistema de aquecedor de Sabot culatra-final

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 ...

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.

Uma medida do aleatório-deslocamento combinando uma escala magnética e dois gratings do Bragg da fibra

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.

Concepção e implementação de um manipulador robótico sob medida para ultra-som extra corpórea

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.

Um método rápido para modelar um mecanismo de ciclo variável

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

Characterization of SiN Integrated Optical Phased Arrays on a Wafer-Scale Test Station

Optical phased arrays (OPAs) can produce low-divergence laser beams and can be used to control the emission angle electronically without the need for moving mechanical parts. This technology is particularly useful for beam steering applications. Here, we focus on OPAs integrated into SiN photonic circuits for a wavelength in the near infrared. A characterization method of such circuits is presented, which allows the output beam of integrated OPAs to be shaped and steered. Furthermore, using a wafer-scale characterization setup, several devices can easily be tested across multiple dies on a wafer. In this way, fabrication variations can be studied, and high-performance devices identified. Typical images of OPA beams are shown, including beams emitted from OPAs with and without a uniform waveguide length, and with varying numbers of channels. In addition, the evolution of output beams during the phase optimization process and beam steering in two dimensions is presented. Finally, a study of the variation in the beam divergence of identical devices is performed with respect to their position on the wafer.

Here, we describe the operation of a SiN integrated photonic circuit containing optical phased arrays. The circuits are used to emit low divergence laser beams in the near infrared and steer them in two dimensions.

Caracterização de arrays em fases ópticas integradas siN em uma estação de teste em escala de wafer

Optical phased arrays (OPAs) can produce low-divergence laser beams and can be used to control the emission angle electronically without the need for ...