Name: prescribed 3-d direct writing of suspended micron/sub-micron scale fiber structures via a robotic dispensing system
Uploaded: 2015-06-12T13:00:00
Duration: 10 min 36 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System at JoVE.com

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

<html> 1. Udstyr Set-up <ol><li> Saml dispenseringssystem og forbinde ventil controller og sprøjtecylinderen til den pneumatiske kilde, via en trykregulator, til at indstille trykket ved 15 psi for at dispensere polymeropløsningen fra nålespidsen ved en strømningshastighed på 2,45 pl / min. </li><li> Indsæt 3-akset robot og dispenseringssystem til et termisk indelukke for at sikre et stabilt arbejdsmiljø (figur 2). </li><li> Installer Joint-Robot Control Points (JR-C Points) software leveres af systemets producent og tilslut 3-akset robot til en computer via seriel kommunikationsport. </li><li> Mount dispenserventil til 3-akset robot og installere nålespidsen på ventilen. </li><li> Niveau robot fase trykpladen ifølge producentens retningslinjer for at sikre planhed med hensyn til højden af ventilens spids 15. </li><li> Saml feedback-kontrollerede varmelegeme i kabinettet for at tilføje miljøkontrol. </li></ol>indhold &quot;fo: keep-together.within-side =&quot; altid &quot;&gt; <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> Figur 2. (A) 3-akse dispensering robot med nødvendigt tilbehør opstaldet inde i et aflukke og, (B) tæt op billede af dispenserventilen med tilsluttet USB mikroskop til visualisering. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> 2. Eksperimentelle Materialer og styrende faktorer <ol><li> Styring faktorer og deres kombination. <ol><li> Varierer tilspænding fra 1% hastighed (5 mm / sek) op til 100% (500 mm / sek), ved JR C-Points software. Til denne ansøgning, skal du bruge en 2% hastighed (10 mm / sek) for at fremstille fiberstrukturer præsenteres i dette arbejde. </li><li> Varierer polymer opløsningskoncentrationer at opnå specifik viskositet, overfladespænding og volatilitet parametre krævesfor ønskede anvendelse. Til denne anvendelse, anvendes en 24% polymethylmethacrylat (PMMA) i chlorbenzen opløsning til at fremstille de fiberstrukturer præsenteret i dette arbejde. </li><li> Varierer styreventil Dispense tid fra 0,02 sek til 1 sek for at udstøde løsninger via trykluft. Til denne anvendelse, anvender 0,02 sek til at fabrikere de fiberstrukturer præsenteret i dette arbejde. </li><li> Vælg en gauge størrelse af højpræcise nålespidser at dispensere polymeropløsninger. Til denne anvendelse, anvendes en 30 G (indre diameter (ID) = 152.4 pm) spids til at fremstille de fiberstrukturer præsenteret i dette arbejde. </li><li> Indstil temperaturområdet fra 70 ° F til 100 ° F i varmeisolerede boksen for at opretholde en konstant fordampningshastighed af polymeren prøven. Til denne anvendelse, anvendes en temperatur på 70 ° F til at fabrikere de fiberstrukturer præsenteret i dette arbejde. </li></ol></li><li> Fremstilling af polymeropløsninger. <ol><li> Blandpolymer harpikser af polymethylmethacrylat (PMMA; 0,72 g) med opløsningsmidlet Chlorbenzen (2,28 g) under en kemisk flow hætte. </li><li> Beregn vægten af polymeren (PMMA) og dens opløsningsmiddel (chlorbenzen) for at opnå den ønskede koncentration af polymer i opløsning. Til denne anvendelse, anvendes en 24% polymethylmethacrylat (PMMA) i chlorbenzen opløsning til at fremstille de fiberstrukturer præsenteret i dette arbejde. </li><li> Placere ønskede mængde polymer pulver / harpiks i hætteglas. Til denne anvendelse, anvender 0,72 g PMMA harpiks for at opnå en koncentration på 24% af PMMA. </li><li> Overfør opløsningsmiddel på polymer inden hætteglas med pipette, indtil den totale vægt af 3 g er nået. </li><li> Bland hætteglasset i 1 minut under anvendelse af en vortex-ryster og ultralyd behandle dem i 5 timer til fuldstændig opløsning polymerpulveret / harpiks. </li><li> Kontroller gennemsigtigheden af ​​løsninger, hvis der er nogen uklarhed eller uigennemsigtighed til prøven fortsat sonikeres indtil klar. </li></ol></li><li> Viskositetsmåling af polymeropløsninger. <ol><li> Foranstaltning opløsningsviskositeter via kegle-og-plade-viskosimeter (f.eks LVDV-II + og RVDV-II +) 16. </li><li> Belastning 0,5 ml kendt viskositet standardprøven (a glycerin-baserede og vand-blanding), som viskosimeteret fabrikanten at kalibrere viskosimeter for at minimere fejl i viskositetsmålinger. Producenten forudsat en række standard prøver til kalibrering af viskosimeter. Brug glycerin-baserede standardprøve med en viskositet på 100.000 cP. </li><li> Tilslut vandkappe til viskometer at opretholde testfluidum ved en konstant driftstemperatur. </li><li> Start måling test væske ved at flytte On / Off-kontakt til On position til at indlede rotation af spindlen. Når værdien af drejningsmomentet på displaypanelet er stabil, noteres drejningsmoment og beregne de endelige viskositeter under anvendelse af forholdet mellem drejningsmoment, spindel multiplikator konstant og hastigheden af spindel 16 <img alt="Ligning 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> hvor er viskositeten, RPM er hastigheden af ​​spindlen anbringes på kegle, TK er drejningsmomentet (0,09373 til LVDV-II +, 1 for RVDV-II +), SMC er spindlen multiplikator konstant, der afhænger af den specifikke spindel, der anvendes under viskositeten måling. Til denne undersøgelse blev CP-52 spindel anvendes, som har en spindel multiplikator konstant på 9,83. </li></ol></li><li> Overfladespænding måling af polymeropløsninger. <ol><li> Målemetode refererer til Wilhelmy-teknik. 14 </li><li> Placer 1 ml test løsninger i et hætteglas på en høj opløsning saldo (skala opløsning = 0,001 g). Dyp en glasstav med kendt diameter i testopløsninger. </li><li> Styre placeringen af ​​stangen via en servo eller stepper styret lineær aktuator at røre overfladen og delvist nedsænkes i testopløsninger med nul kontaktperson. </li><li> Overvåge og registrere ændringen i massen måling på balancen, nårfjernelse stang fra opløsning overflade. </li><li> Beregn overfladespænding med magt forandring, omkredsen af ​​stangen og kontaktvinklen af ​​fluid på stangen. <img alt="Ligning 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> hvor den befugtede perimeter af stangen (l = 10,05 mm med diameter = 3,2 mm), θ er kontaktvinklen af fluid på stangen, F er kraft ændring som følge af overfladespændingen af testvæske på spidsen af stangen. </li></ol></li><li> Masseoverførselskoefficienten måling af løsninger. <ol><li> Måle massetransport koefficienter af polymeropløsninger ved termogravimetrisk analyse. 14 </li><li> Belastning 30 pi af 24% (efter vægt) PMMA polymeropløsning på en platin plade før tarering balancen. </li><li> Vent kammeret, programmet enheden til at køre på den ønskede driftstemperatur (70 ° F) i 2 timer for at overvåge masse af target-løsninger. </li><li> Beregn masseoverføring koefficienter af ændringer i opløsningen masse,område i opløsning / luft-grænsefladen og tæthed. <img alt="Ligning 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> hvor m (t) er massen af PMMA løsninger, A er arealet af opløsningen / luftgrænsefladen (svarer 78,5 mm 2 for standard plade), mPOLYMER er polymermassen i opløsningen og er massefylden af opløsningen. </li></ol></li></ol> 3. Direkte Skriv Experiment Procedure <ol><li> Dispenseringssystem prøve loading protokol. <ol><li> Belastning 3 ml polymeropløsning ind i sprøjtekammeret, placere stemplet i sprøjtecylinderen at eliminere inkonsekvent pneumatisk trykfordeling. </li><li> Sno indløbsledningen adapter på sprøjtecylinderen, slutte den til kilden line luftslangen. </li><li> Vælge den ønskede gauge størrelse af præcision nålespidsen til at udføre eksperimentet. </li><li> På dispensere controller panel, skifte til udrense tilstand og klik på &quot;cyklus&quot; knappen for at fylde dispenseringsventil med polymer sålution indtil udledes fra nålespidsen. </li><li> Tør resterende polymeropløsning fra spidsen i fremstillingen af ​​et programmeret fiber skrivning procedure. </li></ol></li><li> Direkte skrive polymer fibre med 3-akset robot og dispenseringssystem. <ol><li> Bestemme robotten fase offset at flytte spidsen af ​​dispenseringskanyle fra standard udgangsposition på indledningen punkt af den foreskrevne mikro- / sub-micron fiberstruktur, der kan drages. Montere en USB mikroskop (forstørrelse = 200X) til dispenseringssystemet ventil beslag, som oversætter langs Z-aksen. Manuelt fokusere på dispenseren spids ved at justere fokuseringsknappen på USB mikroskop, der hjælper med præcist at positionere ventilen spids til den ønskede placering, præfabrikeret substrat eller enhed. </li><li> Oprette / designe ønskede fiberstruktur mønster (figur 3A, 4A, og 5A) med en CAD ​​softwarepakke. Input de rumlige koordinater (x, y, z) i robot JR-C kontrollerende software til alle initierings- og termineringspunkter i rækkefølge i forhold til det ønskede mønster skabes i CAD-programmet (figur 3B, 4B og 5B). 15 </li><li> Overfør det færdige fiberstruktur design program fra computeren til robotten ved at klikke på &quot;Send C &amp; T data&quot; under Robot menuen i JR-C software 15. </li><li> Last 3 ml PMMA opløsning prøve med kendt koncentration (24%) i sprøjtekammeret, purge ventil og nål, indstille alle dispenseringen parametre for ventilen controller og robot kontrollerende software. </li><li> Placere præfabrikerede substrat, på robotten fase glaspladen, lukke de termiske kabinet døre for at forhindre omgivende luftstrøm, som kan inducere ustabil fordampning af polymeropløsningen. </li><li> Begynd at skrive fibrene på underlaget ved at klikke på robotten menu fra JR-C software og vælge &quot;test kører&quot; 15. </li><li> DC sputter coat et ledende guld metallag i 2 min, indtil en 2 nm tykt lag guld aflejres på de trukne fibre for at tillade visualisering af fibrene i scanningselektronmikroskop. </li><li> Diameter måles og struktur af fibre via scanningselektronmikroskop 17. Mikroskop parametre: Højspænding niveau: 2,00 kV; Formål: InLens, Working Distance (9,0 mm). </li></ol></li><li> Udfør dispensersystemet rengøring under en kemisk flow hætte. <ol><li> Placer dispenseringssystemet i en kemisk strømningshætte for at udføre rensningen. </li><li> Demontere nåleventil ifølge producentens protokol. </li><li> Læg alle metaldelene i et bægerglas, hæld acetone i bægeret, indtil alle dele er nedsænket. </li><li> Anbring bægerglasset i et ultrasonisk bad i 30 minutter for at fjerne alle polymere rester. </li><li> Skyl alle dele under rindende DI vand, derefter bruge luft pistol til at blæse dem tørre. </li></ol></<html> li&gt; </ol><img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" /> Figur 3. (A) Eksempel på designet &quot;quad&quot; web struktur på en 10 mm x 10 mm ramme, (B) sekventielle punkt-til-punkt rumlige instruktioner, der skal indlæses i JR-C, punkt software. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større udgave af dette tal.</a> <img alt="Figur 4" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> Figur 4. (A) Eksempel på designet &quot;symmetrisk&quot; web struktur på en 10 mm x 10 mm ramme, (B) sekventielle punkt-til-punkt rumlige instruktioner, der skal indlæses i JR-C, punkt software.blank &quot;&gt; Klik her for at se en større version af dette tal. <img alt="Figur 5" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" /> Figur 5. (A) Eksempel på designet &quot;dual chevron&quot; web struktur på en 10 mm x 10 mm ramme, (B) sekventielle punkt-til-punkt rumlige instruktioner, der skal indlæses i JR-C, punkt software. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>

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

The authors have nothing to disclose.

Før man forsøger hvert forsøg, er det afgørende, at viskositeten, massetransport koefficienter og overfladespændingen test af polymeropløsningerne måles nøjagtigt for at afgøre, om robotten og dispenseringssystem kan behandle den ønskede polymer. Som tidligere beskrevet af vores gruppe, skal polymeropløsningerne bevarer tilstrækkelig: 1) overfladespænding for at muliggøre dannelsen af ​​væskeformige tråde i mikron / sub-micron strukturer; 2) viskositet til at modstå kapillær bryde op; og, 3) fordampningshastigheden forbedre fiber størkning 18. Synergien mellem disse parametre er nøglen til succes producere fibre over en række specificerede diametre. Samtidig, ustabilitet i nogen af ​​disse parametre forhindrer dannelsen af ​​mikron / sub-micron skala fibre. At opretholde synergien mellem disse parametre under fiberfremstilling, er det vigtigt at sikre, at nålen og nåleventilen rengøres grundigt efter en direkte-write session at forhindre: 1) kontaminering af opløsningen; 2) en reduktion i polymeropløsningen strømningshastighed gennem nålen; og, 3) overdreven vækst i polymeren vulst på spidsen af ​​nålen. Desuden skal den temperatur-controller på varmelegeme indstilles til den ønskede temperatur for at opretholde en konstant fordampningshastighed af polymeropløsningen. Det todelte branch fibre var 59%, 41% og 24% større i diameter end de støttestrukturer i figur 6-8, henholdsvis, ved hjælp af 24% PMMA opløsning. Dette skyldes primært den afstand, hvorfra fibrene trækkes. Specifikt er de støttestrukturer trukket over hele bredden af ​​substratet (10,0 mm i X- og Y-retninger; 14,4 mm diagonalt). Som et resultat, det er de længste fibre af de samlede suspenderede strukturer. Det todelte branch strukturer er væsentlig kortere, der spænder fra 7 mm maksimale længde ned til 2,5 mm. Dette kortere fiber tegning længde gør ikket effektivt inducerer fiberen stamme kræves under fiberen udtynding proces for at fremstille fibre med lille diameter. På den anden side er tråde med større diameter kræves for at fungere som støtte fibre for at effektivt at opretholde tugging og deformation induceres under den togrenede gren tegning proces. Som forgreningen grene trækkes tværs støtteelementerne fibre, kan en remodeling af understøtningen fibergeometri forekomme på grund af tegningens styrker samt en lokaliseret opløsning af PMMA polymer ved grænsefladen mellem understøtningen og forgrenede fibre fra opløsningsmidlet til stede i polymeropløsningen. I nogle tilfælde kan være nødvendigt at være fremstillet af en polymer opløsning bestående af en højere koncentration af polymer til at producere større diameter og mekanisk stærkere fibre støtteelementerne fibre. Der er primært tre effektive metoder til at modificere eksisterende protokol til at generere en bredere vifte af støtte og forgrenede fibrediametre: 1) indledningsvis dispensere polymeren fra et større nålespids (f.eks, 25 g; ID = 254 um) for at generere støtteelementerne fibrene og derefter bytte for en mindre nål spids (f.eks, 32 G ID = 101,6 um) at fabrikere de mindre forgrenede fibre; 2) som nævnt ovenfor, bruge flere polymerkoncentrationer; og / eller, 3) justere tilspændingen, dvs. den hastighed, hvormed den fase gennemløber, hvor forøgelse af tilspænding producerer fibre med mindre diameter og faldende tilspænding skaber fibre med større diameter. Til dato har vi været i stand til at fremstille fibre så små som 90 nm; imidlertid fiberudbyttet på denne dimension er lav på grund af kapillær bruddet. En begrænsning ved den automatiserede direkte skrive-processen er, at kun én koncentration af polymeropløsning kan afgives ad gangen. Dette begrænser omfanget af kompleksiteten af ​​de suspenderede strukturer, der skal udvikles, uden at: 1) tilføjer en anden dispenserventil til robotten;eller 2) fjerne den eksisterende ventil og udfører rengøring protokol (afsnit 3.4), før dispensering den anden polymer løsning, som tager ekstra tid. En anden begrænsning er den tilspænding (udskrivningshastighed eller), hvor den maksimale tilspænding, at systemet er i stand til at opnå, er 500 mm / sek. Men der er en afvejning mellem tilspænding og fiberdannelse. Specifikt, hvis de inertikræfter (kræfter på grund af tilspænding) er større end de overfladespændingskræfter og fordampningshastighed af polymeropløsningen, fiberdannelse ikke forekommer. På den anden side, hvis tilspændingen er for lav, vil fibrene brud på grund af overdreven fordampning før og under forlængelsen processen. For det tredje er fiber og struktur dimensioner begrænset til driftsområdet af scenen af robotten, dvs 200 mm, 200 mm og 25 mm (med en 10 um positionsnøjagtighed) i x-, y- og z-retningerne, respektivt. Ikke desto mindre er denne proces ikke muliggøre dannelsen af ​​høje formatforhold (fiber length: diameter) fibre. Strategisk variere dispensering dysestørrelse og polymeropløsning koncentration ville give mulighed for en bredere fiberdiameter rækkevidde, skaber evnen til at generere frithængende strukturer af højere kompleksitet. Ved at følge protokollerne anført ovenfor, kan mikropartikler og submikrone diameter polymerfibre genereres med en høj grad af rumlig kontrol ved at udnytte overfladespændingen-drevet fluid mekanik af polymeropløsninger, som ikke kan kontrolleres med andre våde, tørre eller elektrospinding processer . Fra tidligere arbejde 8,19, ved vi, at denne teknik kan bruges til at fremstille indviklede mikro / submicron strømningstekniske enheder 19 og bioengineered stilladser 8. Denne billige og nemme teknik har sine egne fordele frem for traditionelle høvl fabrikation metoder på mange måder.

I løbet af de sidste mange årtier, en række fremstillingsteknik, såsom våd spinding, tør spinning og elektrospinning, er blevet ansat til at skabe nye polymer fiber strukturer med forskelligartede og robuste biologiske, kemiske, elektriske og mekaniske egenskaber 1-12. Selv om disse spinning teknikker er i stand til at generere suspenderet tredimensionale fibre, er de begrænset i deres evne til præcist at kontrollere fiberorientering i tre dimensioner, da fiber deposition via disse processer er tilfældige karakter. Derudover er disse teknikker begrænset i deres dimensionelle række til fiberfremstilling; specifikt fibre, der produceres via våd og tør spinding varierer i diameter fra ti til hundrede mikrometer, mens elektrospinding resulterer i fibre med diametre fra tiendedele af en nanometer til en enkelt micron 13. At give mere præcis styring af fiberorientering i 3-D rum, vores gruppe udviklet en selvstændig-assemble eller &quot;direkte-write&quot; fiber fabrikation proces, der direkte skubber et polymermateriale ud af en hul kapillar og derefter trækker individuelle filamenter, som tynd og størkner til forudsigelige fiberdiametre ved at udnytte overfladespænding drevet fluid mekanik 14. Vores indledende direkte-write system til at øge niveauet for kontrol af fiber position og diameter bestod af en brugerdefineret fabrikeret fjederbelastet sprøjte dispensersystem fastgjort til hovedet af en skræddersyet Ultra-High Precision mikroformaling Machine (figur 1). Den UHPMM havde en scene med en positionel opløsning på 1,25 nm i X- og Y-retningerne og 20 nm i Z-retningen, der blev programmatisk styret til at skabe micron og sub-micron skala ledninger og strukturer. En begrænsning af denne særlige direkte skrive systemet var manglen på flowstyring af polymeropløsningen gennem nålens spids. Selvom den fjederbelastede dispenseringssystemet held genereret konstant flow gennem spidsen blev en stadigt voksende sfærisk kugle af polymeropløsning skabt ved udløbet fra sprøjtespidsen, som varierede i størrelse og volumen afhængig af miljøforhold. <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> Figur 1. Billede af Ultra High Precision mikroformaling Machine:. Den første direkte skrive system, der anvendes i opdigte micron / sub-micron skala strukturer <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> Den manglende sammenhæng i denne kilde perle påvirket systemets evne til gentagne gange fabrikere ledninger af en ordineret diameter. Omend strukturer lykkedes genereret ved hjælp af denne direkte skrive-processen, vil forøgelse af processen ved at øge styring af strømmen af ​​polymeropløsning give mulighed for mere precise, ordineret fiberdiametre gennem regulering af perlen størrelse ved sprøjtens spids. Således dette arbejde beskrives implementeringen af ​​en 3-akse automatiseret dispenseringssystem med pneumatisk aktiveret dispenser ventil til præcist at kontrollere størrelsen polymeropløsning flow og drikkepenge perle at skabe ordineret, micron / sub-micron suspenderede strukturer.

<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.

Billeder af den faktiske strukturer fremstillet via 3-akset robot og direkte skrive fremgangsmåde til hver af de respektive mønstre og JR C-punkts algoritmer defineret i figurerne 3-5A &amp; B ovenfor, er vist i figur 6A, 7A &amp; 8A. Som det kan ses i de fremkomne billeder, har tre-dimensionelle, frithængende fibre været succesfuldt &quot;skrevet&quot; på substraterne ved præcist manipulere dispenseren tip til foreskrevne rumlige placeringer herunder igangsættende / afslutning punkter samt skæringspunkter. Indsatsene af disse figurer forstørre skæringspunkterne af suspenderede fibre, som viser systemets evne til præcist at kontrollere fiberorienteringen (figur 6B, 7B og 8B) i 3-D rum. <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> Figur 6. (A) Op<html> tiske billede af fabrikerede &quot;quad&quot; ophængt web struktur, der har 2 support fibre (diagonaler) og 12 tvedelt forgrenede PMMA fibre (15x optisk forstørrelse, skala bar = 1 mm), (B) SEM billede af en enkelt todelt fiber (289x forstørrelse; skala bar = 100 um). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> <img alt="Figur 7" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> Figur 7. (A) Optisk billede af fabrikerede &quot;symmetrisk&quot; ophængt web struktur, der har 1 support fiber (vandret) og 11 tvedelt forgrenede PMMA fibre (15x optisk forstørrelse; skala bar = 1 mm), (B) SEM billede af en enkelt todelt fiber (107X forstørrelse; skala bar = 100 um).52834fig7large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Klik her for at se en større version af dette tal. <img alt="Figur 8" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> Figur 8. (A) Optisk billede af fabrikerede &quot;dual chevron&quot; ophængt web struktur, der har 1 support fiber (vandret) og 22 tvedelt forgrenede PMMA fibre (15x optisk forstørrelse; skala bar = 1 mm), (B) SEM billede af en enkelt tvedelt fiber. (80X forstørrelse, skala bar = 100 um) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> Figur 9 viser tæt op visning af den sekventielle punkt-til-punkt rækkefølge fiberfremstilling, ved hvilken 3-akset robot og dispenseringssystem kan generere de frithængende web-lignende strukturer. P<html> olymer kontaktpunkter vises med tal svarer til den programmerede initierende og om afslutning punkter i JR-C software henvises til i figur 3B ovenfor. Pilene repræsenterer robot bane. Figur 10 viser mikropartikler og submikrone polymerfibre, hvilket viser den direkte skrive systemets evne til at fremstille tråde af varierende størrelser. <img alt="Figur 9" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> Figur 9. SEM billede illustrerer den sekventielle punkt-til-punkt-fabrikation, for at trække micron og submicron polymer fibre (29X forstørrelse, skala bar = 200 um). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> 2834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; Figur 10. SEM billede af mikron (6,5 um) og sub-micron (555 nm) fibre trukket ved hjælp af en 20% koncentration PMMA polymeropløsning. (2,270X forstørrelse, skala bar = 2 um) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> Polymerfiber længde og diameter blev målt ved anvendelse af scanningselektronmikroskopi. Tabel 1 viser de gennemsnitlige tråddiameter for hver unik struktur vist i figur 6-8 ovenfor, der svarer til det todelte branch fibre og støtteelementerne fibre. Tabel 2 viser de polymere parametre, der blev målt fra 24% PMMA løsninger, der blev anvendt til at fremstille strukturerne nævnt ovenfor. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> Struktur diameter i figur 6</td><td> Struktur diameter i figur 7 </td><td> Struktur diameter i figur 8 </td></tr><tr><td> Support fibre </td><td> 8.65 ± 1,43 um </td><td> 9,39 ± 1,23 um </td><td> 9,31 ± 1,65 um </td></tr><tr><td> Branch fibre </td><td> 20,96 ± 3,35 um </td><td> 15.92 ± 1,44 um </td><td> 12,24 ± 5,42 um </td></tr></tbody></table> Tabel 1. Gennemsnitlige diametre på de suspenderede støtte og forgrenede fibre er vist i figur 6-8 i en 24% opløsning PMMA. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> 24% PMMA </td></tr><tr><td> Viskositet (Pa * sec) </td><td> 35.19 </td></tr><tr><td> Overfladespænding (mN / m) </td><td> 262,01 </td></tr><tr><td&gt; masseoverførselskoefficienten (m / sek) </td><td> 8,59 x 10 -8 </td></tr></tbody></table> Tabel 2. Polymer parametre for de 24% PMMA løsninger, der blev anvendt til at fremstille de fiberstrukturer præsenteres i dette arbejde.

Watch this Scientific Journal Video about Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System at JoVE.com

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

Her præsenterer vi en protokol til at fabrikere frit ophængte, micron / sub-micron skala polymer fibre og &quot;web-lignende&quot; strukturer genereres via automatiseret direkte skrivning procedure ved hjælp af en 3-akset dispenseringssystem.

Ordineret 3-D Direkte Skrivning af suspenderet Micron / sub-micron Scale Fiber Strukturer via en robot dispensersystem

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Fremstilling af ensartede nanoskala hulrum 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 ...

Writing and Low-Temperature Characterization of Oxide Nanostructures

Skrivning og lav temperatur Karakterisering af Oxide nanostrukturer

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

Skrivning Bragg Riste i 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 ...

A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion

En robot platform til at studere den Foreflipper af California Sea Lion

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

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

Tre-dimensionelle ultralyd nål Tip sporing med en Fiber-optisk ultralyd modtager

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

Forhøjet temperatur normalt og kombineret pres-Shear plade indvirkning eksperimenter Via en underkroppræsentation-ende Sabot opvarmningsanlægget 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 ...

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

En måling med tilfældig forskydning ved at kombinere en magnetisk skala og to fiber

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

Design og implementering af en skræddersyet robot Manipulator for ekstra legemlige ultralyd

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

En hurtig metode til modellering af en variabel cyklus motor

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

Karakterisering af SiN's integrerede optiske faseinddelte systemer på en Wafer-skalateststation

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