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. apparatuur Set-up <ol><li> Monteer doseersysteem en sluit klepbesturingseenheid en injectiespuit op de pneumatische bron, via een drukregelaar om de druk ingesteld op 15 psi tot de polymeeroplossing uit de naaldpunt af te geven bij een stroomsnelheid van 2,45 pl / min. </li><li> Plaats het 3-assige robot en doseersysteem in een thermische behuizing aan een stabiele werkomgeving (figuur 2) te waarborgen. </li><li> Installeer Joint-Robot Control Points (JR-C Points) software van de fabrikant van het systeem en sluit 3-assige robot met een computer via de seriële communicatie-poort. </li><li> Monteer doseren klep 3-assige robot en installeer naald op het ventiel. </li><li> Niveau robotachtige fase drukplaat volgens de richtlijnen van de fabrikant om vlakheid te verzekeren met betrekking tot de hoogte van de klep 15 tip. </li><li> Monteer een feedback-gecontroleerde verwarming in de behuizing om milieu-controle toe te voegen. </li></ol>content &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figuur 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> Figuur 2. (A) 3-assige robot doseren met de benodigde accessoires gehuisvest in een behuizing; en, (B), close-up beeld van de afgifte-ventiel met aangesloten USB microscoop voor visualisatie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> 2. Experimenteel Materialen en Controlling Factoren <ol><li> Controlerende factoren en hun combinatie. <ol><li> Variëren voedingssnelheid van 1% toerental (5 mm / sec) tot 100% (500 mm / sec) door de JR C-Points software. Voor deze toepassing gebruikt een snelheid 2% (10 mm / sec) aan de fabriceren fiber structuren die in dit werk. </li><li> Variëren polymeeroplossing concentraties specifieke viscositeit, oppervlaktespanning en vluchtigheid parameters vereist verwezenlijkenvoor de gewenste toepassing. Voor deze toepassing gebruikt een 24% polymethylmethacrylaat (PMMA) in chloorbenzeen oplossing van de vezel structuren die in dit werk fabriceren. </li><li> Varieer regelklep afzien tijd van 0,02 sec tot 1 sec om oplossingen via pneumatische werpen. Voor deze toepassing, gebruik 0,02 sec naar de vezel structuren die in dit werk te fabriceren. </li><li> Selecteer een meter grootte van hoge precisie naald tips om polymeeroplossingen afzien. Voor deze toepassing, gebruik maken van een 30 G (binnendiameter (ID) = 152,4 micrometer) tip om de vezel structuren die in dit werk te fabriceren. </li><li> Stel het temperatuurbereik tussen 70 ° F tot 100 ° F in de thermisch geïsoleerde box een constante verdampingssnelheid van het polymeermonster houden. Voor deze toepassing gebruikt een temperatuur van 70 ° F tot de vezel structuren die in dit werk fabriceren. </li></ol></li><li> Bereiding van polymeeroplossingen. <ol><li> Mengenpolymeerharsen polymethylmethacrylaat (PMMA; 0,72 g) met het oplosmiddel Chloorbenzeen (2,28 g) onder een chemische zuurkast. </li><li> Bereken het gewicht van het polymeer (PMMA) en het oplosmiddel (chloorbenzeen) om de gewenste concentratie van polymeer in oplossing. Voor deze toepassing gebruikt een 24% polymethylmethacrylaat (PMMA) in chloorbenzeen oplossing van de vezel structuren die in dit werk fabriceren. </li><li> Plaats gewenste hoeveelheid polymeerpoeder / hars in glazen flacon. Voor deze toepassing te gebruiken 0,72 g PMMA hars met een concentratie van 24% PMMA bereiken. </li><li> Overdracht oplosmiddel op polymeer in flacon met een pipet totdat het totale gewicht van 3 g is bereikt. </li><li> Meng het flesje gedurende 1 minuut met behulp van een vortex shaker en ultrasoon te verwerken voor 5 uur om volledig op te lossen het polymeer poeder / hars. </li><li> Controleer de transparantie van de oplossingen, als er een troebeling of ondoorzichtigheid monster blijven ultrasone trillingen tot duidelijk. </li></ol></li><li> Viscositeitsmeting van polymeeroplossingen. <ol><li> Meet oplosviscositeit via kegel-en-plaat viscosimeter (bv LvdV-II + en RVDV-II +) 16. </li><li> Belasting 0,5 ml van bekende viscositeit standaardmonster (a-glycerine gebaseerde en watermengsel) die door de viscometer fabrikant de viscositeitsmeter kalibreren om fouten in de viscositeitsmetingen minimaliseren. De fabrikant verschaft een aantal standaardmonsters voor het ijken van de viscometer. Gebruik glycerine gebaseerde standaardmonster met een viscositeit van 100.000 cP. </li><li> Verbinding watermantel om Viscometer de testvloeistof bij een constante temperatuur te handhaven. </li><li> Start testmeting vloeistof door het verplaatsen van de aan / uit-schakelaar in de stand om de rotatie van de spil te starten. Wanneer de waarde van het koppel op het scherm is gestabiliseerd, het koppel en bereken de uiteindelijke viscositeit met de verhouding tussen koppel, spindel multiplier constante toerental van de spil 16 <img alt="Vergelijking 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> Waar is viscositeit RPM is de snelheid van de spil aangebracht kegel, TK is het koppel (0,09373 voor LvdV-II +, 1 voor RVDV-II +), SMC is de spil multiplier constante die afhangt van de specifieke spindel gebruikt tijdens de viscositeit meting. Voor dit onderzoek werd de CP-52 spindel gebruikt die een spindel multiplier constante van 9,83 heeft. </li></ol></li><li> Oppervlaktespanning meting van de polymeeroplossingen. <ol><li> Meetmethode verwijst naar de Wilhelmy techniek. 14 </li><li> Plaats 1 ml testoplossingen in een glazen flesje op een hoge-resolutie balans (schaal resolutie = 0,001 g). Dompel een glazen staaf van bekende diameter in testoplossingen. </li><li> De controle van de positie van de staaf via een servo of stappenmotor gestuurde lineaire actuator aan de oppervlakte te raken en gedeeltelijk onder te dompelen in testoplossingen met nul contact. </li><li> Monitor en noteer de verandering in massa meting op de balans alsverwijderen staaf uit de oplossing oppervlak. </li><li> Bereken oppervlaktespanning met geweld verandering, perimeter van de stang en het contact hoek van vloeistof op de stang. <img alt="Vergelijking 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> waar ligt het natte omtrek van de stang (l = 10,05 mm diameter = 3,2 mm), θ is contacthoek van de vloeistof op de staaf, F kracht veranderen als gevolg van spanning van testvloeistof oppervlak op de punt van de stang. </li></ol></li><li> Stofoverdrachtscoëfficiënt meten oplossingen. <ol><li> Meet de massa-overdracht coëfficiënten van polymeeroplossingen door thermogravimetrische analyse. 14 </li><li> Belasting 30 pi van de 24% (gew) PMMA polymeeroplossing op een platina plaat voor tarreren evenwicht. </li><li> Vent de kamer, het programma van het apparaat te draaien op de gewenste temperatuur (70 ° F) gedurende 2 uur om de massa van de beoogde oplossingen controleren. </li><li> Bereken de massa-overdracht coëfficiënten door veranderingen in de massa van de oplossing,oppervlakte van oplossing / luchtinterface en dichtheid. <img alt="Vergelijking 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> wanneer m (t) de massa van PMMA oplossingen, A het oppervlak van de oplossing / luchtinterface (past 78,5 mm 2 voor standaardplaat), mPOLYMER de polymeermassa in de oplossing en de dichtheid van de oplossing. </li></ol></li></ol> 3. Direct Write Experiment Procedure <ol><li> Doseersysteem monster laden protocol. <ol><li> Lading 3 ml polymeeroplossing in de injectiespuit, plaats de zuiger in injectiespuit inconsistente pneumatische drukverdeling elimineren. </li><li> Draai de inlaat lijn adapter op de spuit, sluit deze aan op de bron lijn luchtslang. </li><li> Kies de gewenste maat grootte van de precisie naald naar experiment uit te voeren. </li><li> Op de controller panel afzien, overschakelen naar de stand zuiveren en klik op &quot;cycle&quot; knop om het doseerventiel te vullen met polymeer zolution tot ontslagen uit de naald. </li><li> Veeg resterende polymeer oplossing uit de tip in de voorbereiding van een geprogrammeerde vezels schriftelijke procedure. </li></ol></li><li> Direct write polymeervezels met een 3-assige robot en doseersysteem. <ol><li> Bepaal de robot fase verschuiving naar de punt van de afgifte-naald uit de standaard uitgangspositie het initiatiepunt van de voorgeschreven micro / sub-micron vezelstructuur herpositioneren te trekken. Monteer een USB microscoop (vergroting = 200X) naar het doseersysteem klepbeugel, wat zich vertaalt langs de Z-as. Handmatig focus op het flesje schoon door aanpassing van de scherpstelknop op de USB microscoop die helpt bij het juist positioneren van de klep tip naar de gewenste locatie, geprefabriceerde substraat of apparaat. </li><li> Creëer / ontwerp van de gewenste vezelstructuur patroon (Figuren 3A, 4A en 5A) met een CAD-software. Voer de ruimtelijke coördinaten (x, y, z) in het robot JR-C besturingssoftware voor initiatie en aansluitpunten opeenvolgend ten opzichte van het gewenste patroon afgelopen het CAD-programma (Figuur 3B, 4B en 5B). 15 </li><li> Breng de voltooide vezelstructuur ontwerp-programma van de computer naar de robot door te klikken op &quot;Verstuur C &amp; T Data&quot; onder de Robot menu binnen de JR-C software 15. </li><li> Lading 3 ml PMMA oplossing van bekende concentratie (24%) in injectiespuit, ontluchtingsklep en naald stellen alle afgifte-parameters voor de afsluiterbesturing en robot besturingssoftware. </li><li> Plaats geprefabriceerde substraat op de robot fase drukplaat, de thermische behuizingdeuren sluiten voor lucht stroom, die instabiel verdamping van de polymeeroplossing kan induceren voorkomen. </li><li> Start het schrijven van de vezels op het substraat door te klikken op de robot menu van JR-C software en het selecteren van &quot;test running&quot; 15. </li><li> DC sputter een geleidende laag goud metaallaag gedurende 2 min totdat een 2 nm dikke laag goud wordt afgezet op de getekende vezels visualisatie van de vezels in de scanning elektronenmicroscoop mogelijk. </li><li> Meet de diameter en de structuur van de vezels via scanning elektronenmicroscoop 17. Microscoop parameters: Hoogspanning niveau: 2,00 kV; Doelstelling: InLens, Werken Afstand (9,0 mm). </li></ol></li><li> Voer het doseersysteem reiniging procedure van een chemische stroom kap. <ol><li> Plaats het doseersysteem in een chemische stroomkap de reinigingsprocedure uit te voeren. </li><li> Demonteer naald klep volgens protocol van de fabrikant. </li><li> Leg alle metalen delen in een beker, giet aceton in de beker totdat alle onderdelen worden ondergedompeld. </li><li> Plaatsen bekerglas in een ultrasoon bad gedurende 30 min om alle polymere resten te verwijderen. </li><li> Spoel alle onderdelen onder stromend DI water, gebruik dan de lucht pistool om ze droog te blazen. </li></ol></<html> li&gt; </ol><img alt="Figuur 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" /> Figuur 3. (A) Voorbeeld van ontworpen &quot;quad&quot; web structuur op een 10 mm x 10 mm frame, (B) sequentieel point-to-point ruimtelijke instructies worden ingevoerd in JR-C point software. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier om te bekijken grotere versie van deze figuur.</a> <img alt="Figuur 4" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> Figuur 4. (A) Voorbeeld ontworpen &quot;symmetrische&quot; web inrichting op een 10 mm x 10 mm frame (B) sequentieel point-to-point ruimtelijke instructies die worden ingevoerd in JR-C point software.blank &quot;&gt; Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken. <img alt="Figuur 5" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" /> Figuur 5. (A) Voorbeeld van ontworpen &quot;dubbele chevron&quot; web structuur op een 10 mm x 10 mm frame, (B) sequentieel point-to-point ruimtelijke instructies worden ingevoerd in JR-C point software. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">Klik hier om te bekijken een grotere versie van deze figuur.</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.

Voordat elke test is het essentieel dat de viscositeit, stofoverdracht coëfficiënten en oppervlaktespanning test van de polymeeroplossingen nauwkeurig worden gemeten om te bepalen of de robot en verdeelsysteem kan verwerken het gewenste polymeer. Zoals eerder beschreven door onze groep, moeten polymeeroplossingen behouden adequate: 1) oppervlaktespanning van de vorming van vloeibare filamenten mogelijk in micron / sub-micron structuren; 2) viscositeit te weerstaan ​​capillaire breken; en, 3) verdampingssnelheid aan vezels stollen 18 te verbeteren. De synergie tussen deze parameters is essentieel voor succesvolle productie van vezels in een gespecificeerd bereik van diameters. Tegelijkertijd, instabiliteit in elk van deze parameters voorkomt de vorming van micron / submicron schaal vezels. De synergie tussen deze parameters gedurende vezel fabricage behouden, is het van belang dat de naald en naaldklep grondig worden gereinigd na een direct-write ssessieschijven voorkomen: 1) vervuiling van de oplossing; 2) vermindering van de polymeeroplossing stroomsnelheid door de naald; en, 3) overmatige groei in de polymeerkorrel aan de punt van de naald. Bovendien moet de temperatuurregelaar van de verwarming ingesteld op de gewenste temperatuur om een ​​constante verdampingssnelheid van de polymeeroplossing te handhaven. De gevorkte tak vezels was 59%, 41% en 24% groter in diameter dan die van de ondersteunende structuren in de figuren 6-8, respectievelijk, met de 24% PMMA oplossing. Dit komt vooral door de afstand waarop de vezels worden getrokken. Specifiek worden de ondersteuningsstructuren opgesteld over de gehele breedte van het substraat (10,0 mm in X en Y richtingen 14,4 mm diagonaal). Hierdoor zijn de langste vezels van de totale Hangconstructies. De gevorkte vertakkingsstructuren aanzienlijk korter zijn, varieert van 7 mm maximale lengte tot aan 2,5 mm. Deze kortere fiber tekening lengte doet geent effectief de vezels vereist tijdens de vezel verdunningswerkwijze induceren teneinde de kleine diameter vezels te produceren. Aan de andere kant, zijn grotere diameter draden nodig om te dienen als de ondersteunende vezels om effectief te ondersteunen het trekkend en vervorming veroorzaakte tijdens de gevorkte tak tekening proces. Als de vertakking takken getrokken over de drager vezels kan een herinrichting van de drager vezel geometrie optreden door de tekening krachten alsmede een gelokaliseerde oplossen van het PMMA polymeer bij het grensvlak tussen de drager en vertakte vezels uit het oplosmiddel in de polymeeroplossing. Aldus in bepaalde gevallen mogelijk dat de drager vezels worden vervaardigd uit een polymeeroplossing bestaande uit een hogere polymeerconcentratie grotere diameter en mechanisch sterkere vezels te produceren. Er zijn voornamelijk drie effectieve methoden voor het modificeren van het protocol bij een breder scala van ondersteuning en vertakte vezels indiameters: 1) aanvankelijk afzien van het polymeer van een grotere naald (bijvoorbeeld 25 G; ID = 254 micrometer) om de steun vezels te genereren en vervolgens te ruilen voor een kleinere naald (bijvoorbeeld 32 G; ID = 101,6 micrometer) te fabriceren de kleinere vertakte vezels; 2) zoals hierboven vermeld, gebruik meerdere polymeerconcentraties; en / of 3) pas de toevoersnelheid, dat wil zeggen, de snelheid waarmee het stadium doorkruist, waarbij het ​​verhogen van de toevoersnelheid vezels produceert kleinere diameter en het verlagen van de toevoersnelheid creëert grotere diameter vezels. Tot op heden hebben we in staat om met succes vezels fabriceren zo klein als 90 nm geweest; Echter, de vezel rendement op deze dimensie is laag door capillaire uiteenvallen. Een beperking van de geautomatiseerde directe schrijfproces is dat slechts één concentratie van de polymeeroplossing kan worden afgegeven tegelijk. Dit beperkt de complexiteit van de gesuspendeerde structuren te ontwikkelen zonder: 1) voeg een tweede doseerklep naar de robot;of, 2) verwijder de bestaande klep en voer de reiniging protocol (paragraaf 3.4) alvorens het afgeven van de tweede polymeer oplossing, die extra tijd kost. Een tweede beperking is de voeding (of afdruksnelheid), waar de maximale voeding dat het systeem in staat is om het bereiken van 500 mm / sec. Er is echter een afweging tussen toevoersnelheid en vezelvorming. Met name indien de traagheidskrachten (krachten vanwege de toevoersnelheid) groter dan de oppervlaktespanning krachten en verdampingssnelheid van de polymeeroplossing, vezelvorming niet optreedt. Aan de andere kant, als de toevoersnelheid te laag is, zullen vezels breken als gevolg van overmatige verdamping vóór en tijdens het elongatieproces. Ten derde worden vezels en structuur afmetingen beperkt tot het werkgebied van het stadium van de robot, dat wil zeggen, 200 mm, 200 mm en 25 mm (met een 10 urn positienauwkeurigheid) in de x, y en z-richting respectievelijk. Toch heeft deze werkwijze maken de vorming van hoge aspectverhouding (fiber length: diameter) vezels. Strategisch variëren van de afgifte tipformaat en de polymeeroplossing concentratie moet zorgen voor een breder scala vezeldiameter hetgeen het vermogen om vrij opgehangen structuur van hogere complexiteit genereren. Door het volgen van de protocollen hierboven vermeld kan micron en submicron diameter polymeervezels worden gemaakt met een hoge mate van ruimtelijke controle door het benutten van de oppervlaktespanning gedreven vloeistofmechanica van de polymeeroplossingen, die niet kan worden bediend door andere natte, droge of elektrospinning procédés . Uit eerder werk 8,19, weten we dat deze techniek kan worden gebruikt om ingewikkelde micro / submicron fluïduminrichtingen 19 en bioengineered steigers 8 fabriceren. Deze goedkope en eenvoudige techniek heeft zijn eigen voordelen ten opzichte van traditionele schaafmachine fabricagemethoden op vele manieren.

In de afgelopen decennia zijn verschillende fabricagetechnieken, zoals nat spinnen, droog spinnen en electrospinning, zijn gebruikt om nieuwe polymeer vezelstructuren met diverse en robuuste biologische, chemische, elektrische en mechanische eigenschappen 1-12 creëren. Hoewel deze spinning technieken kunnen genereren gesuspendeerd driedimensionale vezels, zijn zij beperkt in hun vermogen om vezeloriëntatie nauwkeurig te regelen driedimensionaal sinds vezeldepositie via deze werkwijzen willekeurig van aard. Bovendien zijn deze technieken beperkt in hun dimensionele bereik voor fiber fabricage; specifiek, geproduceerd via natte en droge spinnen vezels variëren in diameter van enkele tientallen tot honderden microns, terwijl elektrospinnen opbrengsten vezels met een diameter van enkele tientallen nanometers tot enkele micron 13. Om meer nauwkeurige controle van de vezeloriëntatie voorzien in 3-D ruimte, onze groep ontwikkelde een self-assemble of &quot;direct-write&quot; fiber fabricageproces die direct werpt een polymeer materiaal uit een holle capillaire en dan trekt de individuele filamenten die dun en stollen tot voorspelbare vezeldiameters door de exploitatie van oppervlaktespanning gedreven stromingsleer 14. Onze eerste direct-write-systeem voor het verhogen van het niveau van controle van vezels positie en diameter bestond uit een op maat vervaardigde veer spuit doseersysteem verbonden aan het hoofd van een op maat gemaakte Ultra-High Precision Micromilling Machine (figuur 1). De UHPMM had een podium met een plaatsresolutie van 1,25 nm in de X- en Y-richting en 20 nm in de Z-richting die programmatisch gecontroleerd werd micron en sub-micron schaal draden en structuren. Een beperking van dit systeem direct schrijven was het gebrek aan controle over de stroom polymeeroplossing door de naald. Hoewel de veer doseersysteem succes gegenereerd constant flow door de tip, een steeds groter wordende bolvormige kraal polymeeroplossing werd gemaakt bij de uitlaat van de spuit, welke varieerden in grootte en het volume afhankelijk van de omgeving. <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> Figuur 1. Afbeelding van Ultra High Precision Micromilling Machine:. De eerste rechtstreekse write systeem werkzaam zijn in het fabriceren micron / sub-micron schaal structuren <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> De inconsistentie van deze bron bead invloed op de mate waarin het systeem herhaaldelijk fabriceren draden van een voorgeschreven diameter. Zij het, structuren succesvol gegenereerd met dit direct schrijfproces, zou verbetering van het proces meer controle over de stroom polymeeroplossing kan meer precise, voorgeschreven vezeldiameters door regulatie van de korrelgrootte op de spuit. Dus dit werk beschrijft de toepassing van een 3-assig geautomatiseerde afgiftesysteem pneumatisch schakel- afgifteklep aan de polymeeroplossing stroom en tip korrelgrootte te creëren voorgeschreven nauwkeurig te regelen, micron / sub-micron Hangconstructies.

<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.

Beelden van de feitelijke structuren geproduceerd via de 3-assige robot en directe schrijfmethode voor elk van de respectieve uitvoeringen en JR C-Point algoritmen In de figuren 3-5A en B hierboven zijn getoond in Figuren 6A, 7A en 8A. Zoals te zien is in de beelden, zijn drie-dimensionale, vrijhangende vezels succes &quot;geschreven&quot; op de substraten is, doordat het manipuleren van de dispenser tip voorgeschreven ruimtelijke locaties inclusief de initiërende / eindpunten en snijpunten. De bijvoegsels van deze cijfers overdrijft snijpunten van gesuspendeerde vezels, die het vermogen van het systeem om nauwkeurig te regelen vezeloriëntatie (figuren 6B, 7B en 8B) in 3-D ruimte demonstreren. <img alt="Figuur 6" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> Figuur 6. (A) Op<html> tische beeld van verzonnen &quot;quad&quot; opgeschort web structuur met 2 ondersteuning vezels (diagonalen) en 12 vertakt vertakt PMMA vezels (15X optische vergroting; schaal bar = 1 mm), (B) SEM beeld van een enkele gevorkte vezel (289x vergroting; schaal bar = 100 pm). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="Figuur 7" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> Figuur 7. (A) Optische beeld van verzonnen &quot;symmetrische&quot; opgeschort web structuur met 1 steun vezel (horizontaal) en 11 vertakt vertakt PMMA vezels (15X optische vergroting; schaal bar = 1 mm), (B) SEM beeld van een enkele gevorkte fiber (107x vergroting; schaal bar = 100 pm).52834fig7large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken. <img alt="Figuur 8" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> Figuur 8. (A) Optische beeld van verzonnen &quot;dubbele chevron&quot; opgeschort web structuur met 1 steun vezel (horizontaal) en 22 vertakt vertakt PMMA vezels; SEM beeld van een enkele (15X optische vergroting schaal bar = 1 mm), (B) gevorkte vezels. (80x vergroting; schaal bar = 100 micrometer) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> Figuur 9 toont close-up van de sequentiële point-to-point orde van vezels fabricage waarop de 3-assige robot en doseersysteem de vrijhangende web-achtige structuren kunnen genereren. The p<html> olymer contactpunten weergegeven met nummers corresponderen met de geprogrammeerde initiërende en eindigen punten in de JR-C software waarnaar wordt verwezen in figuur 3B hierboven. De pijlen geven de robot van de bal. Figuur 10 displays micron en submicron polymeer vezels, die het vermogen van de directe write systeem om draden van verschillende groottes fabriceren aantoont. <img alt="Figuur 9" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> Figuur 9. SEM afbeelding illustreert de sequentiële point-to-point fabricage order voor het tekenen van de micron en submicron polymeer vezels (29X vergroting; schaal bar = 200 pm). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> 2834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; Figuur 10. SEM beeld van micron (6,5 micrometer) en sub-micron (555 nm) getekend met behulp van een 20% concentratie PMMA polymeeroplossing vezels. (2,270X vergroting; schaal bar = 2 micrometer) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie te bekijken dit cijfer.</a> Polymeer vezellengte en diameter werden gemeten met behulp van scanning elektronenmicroscopie. Tabel 1 toont de gemiddelde draaddikte voor elke unieke structuur weergegeven in figuren 6-8 hierboven overeenkomt met de gevorkte tak vezels en de drager vezels. Tabel 2 toont het polymeer parameters die gemeten van 24% PMMA oplossingen werden gebruikt om de structuren hierboven vermeld fabriceren. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> Structuur diameter in figuur 6</td><td> Structuur diameter in figuur 7 </td><td> Structuur diameter in figuur 8 </td></tr><tr><td> Steunvezels </td><td> 8.65 ± 1,43 micrometer </td><td> 9.39 ± 1,23 micrometer </td><td> 9.31 ± 1.65 pm </td></tr><tr><td> Branch vezels </td><td> 20.96 ± 3.35 pm </td><td> 15.92 ± 1,44 micrometer </td><td> 12.24 ± 5,42 micrometer </td></tr></tbody></table> Tabel 1. Gemiddelde diameters van de gesuspendeerde drager en tak vezels getoond in figuren 6-8 een 24% oplossing van PMMA. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> 24% PMMA </td></tr><tr><td> Viscositeit (Pa * sec) </td><td> 35.19 </td></tr><tr><td> Surface Tension (mN / m) </td><td> 262,01 </td></tr><tr><td&gt; Mass Transfer Coëfficiënt (m / sec) </td><td> 8.59 x 10 -8 </td></tr></tbody></table> Tabel 2. Polymeer parameters van de 24% PMMA oplossingen werden gebruikt om de fiber structuren die in dit werk fabriceren.

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

Hier presenteren we een protocol om vrij-zwevende, micron / sub-micron schaal polymeer vezels en &quot;web-achtige&quot; structuren gegenereerd via geautomatiseerde direct schriftelijk procedure door middel van een 3-assige doseersysteem fabriceren.

Voorgeschreven 3-D Direct Schrijven van Suspended Micron / Sub-micron schaal Fiber Structures via een Robotic doseersysteem

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

Fabricage van uniforme nanoschaalholtes 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

Schrijven en lage temperatuur karakterisering van nanostructuren

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

Het schrijven van Bragg Roosters 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 ...

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

Een Robotic Platform aan de Foreflipper van de Californische zeeleeuw Studie

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

Driedimensionale ultrasone naald Tip Tracking met een glasvezel echografie-ontvanger

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

Uitvoeren van verhoogde temperatuur normaal en druk-Shear plaat gevolgen experimenten Via een stuitligging-Sabot kachel endsysteem gecombineerd

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

Een meting van willekeurige verplaatsing door het combineren van een magnetische schaal en twee Gratingen van vezel Bragg

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

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

Ontwerp en implementatie van een op maat gemaakte Robot Manipulator voor extra lichamelijke echografie

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

Een snelle methode voor het modelleren van een variabele cyclus 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 van SiN Integrated Optical Phased Arrays op een wafer-scale teststation

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