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. Utstyr Set-up <ol><li> Montere dispenseringssystem, og koble ventilstyring og sprøytesylinderen for den pneumatiske kilde, via en trykkregulator, for å angi trykket ved 15 psi for å dispensere polymeroppløsningen fra nålespissen ved en strømningshastighet på 2,45 mL / min. </li><li> Sett 3 akser robot og dispense systemet i en termisk kabinett for å sikre en stabil arbeidsmiljøet (figur 2). </li><li> Installer Joint-Robot Control Points (JR-C Points) programvare levert av systemprodusenten og koble 3-akse robot til en datamaskin via seriell kommunikasjonsport. </li><li> Monter utleveringsventil til tre-akse robot og installere nålespissen på ventilen. </li><li> Nivå robottrinnet platen i henhold til produsentens retningslinjer for å sikre flatheten i forhold til høyden av ventilspissen 15. </li><li> Montere en tilbakemelding styrt ovn i kabinettet for å legge miljøkontroll. </li></ol>innhold &quot;fo: keep-together.within-side =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> Figur 2. (A) 3-Axis utlevering robot med nødvendig tilbehør plassert inne i et kabinett; og, (B) stenge opp bilde av utmatningsventilen med vedlagte USB mikroskop for visualisering. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> 2. Eksperimentelle Materialer og control Factors <ol><li> Kontrollerende faktorer og deres kombinasjon. <ol><li> Variere matehastighet fra 1% hastighet (5 mm / sek) til 100% (500 mm / sek), ved JR C-Points programvare. For denne anvendelse, å bruke en 2% hastighet (10 mm / sek) for å fremstille fiberstrukturer presentert i dette arbeidet. </li><li> Variere polymeroppløsningskonsentrasjoner å oppnå spesifikk viskositet, overflatespenning og volatilitets parametere som krevesfor ønsket program. For dette programmet, kan du bruke en 24% polymethylmethacrylate (PMMA) i klorbenzen løsning å dikte fiberstrukturer som presenteres i dette arbeidet. </li><li> Variere kontrollventil tappe tid fra 0,02 sek til 1 sek for å løse ut løsninger via pneumatisk luft. For dette programmet, bruker 0,02 sek å dikte fiberstrukturer som presenteres i dette arbeidet. </li><li> Velg en måler størrelsen på høy presisjon nål tips for å dispensere polymerløsninger. For dette programmet, kan du bruke en 30 G (indre diameter (ID) = 152,4 mm) tips til å dikte fiberstrukturer som presenteres i dette arbeidet. </li><li> Sett driftstemperaturområde mellom 70 ° C til 100 ° C i varmeisolerte boksen for å opprettholde en konstant fordampingen av polymerprøven. For denne anvendelse, å bruke en temperatur på 70 ° C for å fremstille fiberstrukturer som er presentert i dette arbeidet. </li></ol></li><li> Fremstilling av polymeroppløsninger. <ol><li> Blandpolymerharpikser av polymetylmetakrylat (PMMA; 0,72 g) med oppløsningsmidlet klorbenzen (2,28 g) under en kjemisk strømningshette. </li><li> Beregn vekten av polymeren (PMMA) og dets løsningsmiddel (klorbenzen) for å oppnå den ønskede konsentrasjon av polymer i løsning. For denne anvendelse, å bruke en 24% polymetylmetakrylat (PMMA) i klorbenzen løsning for å fremstille fiberstrukturer som er presentert i dette arbeidet. </li><li> Plasser ønsket mengde polymerpulver / harpiks inn i hetteglass. For denne anvendelsen brukes 0,72 g PMMA-harpiks for å oppnå en 24% konsentrasjon av PMMA. </li><li> Overfør oppløsningsmiddel på polymer i ampullen ved hjelp av pipette inntil den samlede vekt av 3 g er nådd. </li><li> Bland ampullen i 1 min ved hjelp av en virvelrister, og behandle dem med ultralyd i 5 timer for fullstendig å oppløse polymeren pulver / harpiks. </li><li> Sjekk gjennomsiktigheten løsninger, hvis det er noen uklarhet eller opaqueness å prøve fortsette å sonicate inntil klar. </li></ol></li><li> Viskositet måling av polymeroppløsninger. <ol><li> Mål oppløsningsviskositeter via kjegle-og-plate viskometer (f.eks LVDV-II + og RVDV-II +) 16. </li><li> Last 0,5 ml kjent viskositet standardprøve (en glycerol-baserte og vann-blanding) som leveres av viskosimeteret produsenten å kalibrere viskosimeteret for å minimalisere feil i viskositetsmålinger. Produsenten gitt en rekke standardprøver for å kalibrere viskosimeteret. Bruk glyserin-baserte standard prøve med en viskositet på 100.000 cP. </li><li> Koble vannkappe til viskosimeteret for å opprettholde testvæske ved en konstant driftstemperatur. </li><li> Begynn testfluidet målingen ved å flytte på / av-bryteren til på-stilling for å starte rotasjon av spindelen. Så snart verdien av momentet på displayet har stabilisert seg, ta opp dreiemomentet, og beregne de endelige viskositeter ved hjelp av forholdet mellom dreiemoment, spindel multiplikator konstant og hastigheten av spindelen 16 <img alt="Ligning 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> der er viskositet, er RPM hastigheten av spindelen festet til kjeglen, er TK dreiemomentet (0,09373 for LVDV II +, en for RVDV-II +), er SMC spindelen multiplikatoren konstant som avhenger av den spesifikke spindelen blir brukt i løpet av viskositeten måling. For denne studien ble CP-52 spindel anvendes, som har en spindel multiplikator konstant på 9,83. </li></ol></li><li> Overflatespenningen måling av polymerløsninger. <ol><li> Målemetode refererer til Wilhelmy teknikk. 14 </li><li> Plasser en ml testløsninger i et hetteglass på en høyoppløselig balanse (skala oppløsning = 0,001 g). Dypp en glasstav med kjent diameter i testløsninger. </li><li> Styre plasseringen av stangen via en servo eller stepper kontrollert lineær aktuator å berøre overflaten og delvis senke det i testløsninger med null kontakt. </li><li> Overvåke og registrere endringen i massemåling på balansen nårfjerne stang fra løsningen overflaten. </li><li> Beregne overflatespenning ved endring makt, omkretsen av stang og kontaktvinkel av væske på stangen. <img alt="Ligning 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> der blir den fuktede omkrets av stangen (L = 10,05 mm med diameter = 3,2 mm), er θ kontaktvinkel på væske på tangen, er F kraftendring på grunn av overflatespenningen av testfluid på spissen av staven. </li></ol></li><li> Masseoverføringsfaktor måling av løsninger. <ol><li> Måle masseoverførings koeffisientene polymer løsninger etter termogravimetrisk analyse. 14 </li><li> Belastnings 30 ul av 24% (i vekt) PMMA polymeroppløsning på en platinaplate før sintrings balanse. </li><li> Vent kammeret, programmet enheten til å kjøre på ønsket driftstemperatur (70 ° F) for 2 timer å overvåke masse mål løsninger. </li><li> Beregn masseoverførings koeffisientene ved endringer i løsningens masse,område av oppløsning / luft-grenseflaten og tetthet. <img alt="Ligning 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> hvor m (t) er massen av PMMA-løsninger, A er arealet av oppløsningen / luftgrensesnittet (tilsvarer 78,5 mm 2 for standard plate), er mPOLYMER polymermassen i løsningen, og er tettheten av oppløsningen. </li></ol></li></ol> 3. Direkte Skriv Experiment Prosedyre <ol><li> Dispensersystem utvalg lasting protokollen. <ol><li> Last 3 ml av polymeroppløsningen inn i sprøyteløpet, setter stempelet inn i sprøytesylinderen for å eliminere inkonsekvent pneumatisk trykkfordeling. </li><li> Vri innløpslinjeadapteren på sprøyten, koble den til kilden linje luftrøret. </li><li> Velge ønskede tykkelse størrelsen av presisjon nålespissen å utføre forsøket. </li><li> På fordelings kontrolleren panel, bytte til rense staten og klikk &quot;syklus&quot; -knappen for å fylle tappeventil med polymer såning til utskrevet fra nålespissen. </li><li> Tørk restpolymeroppløsning fra spissen i fremstillingen av en programmert fiber skriveprosedyre. </li></ol></li><li> Direkte ned- polymerfibre med tre akser robot og dispensersystem. <ol><li> Bestem roboten fasen forskjøvet for å flytte enden av dispensering av nålen fra standardstilling til initiering punktet av den foreskrevne mikro / sub-mikron fiberstruktur som skal tegnes. Montere en USB mikroskop (forstørrelse = 200X) til tappesystemet ventil brakett, som kan oversettes langs Z-aksen. Manuelt fokusere på dispenseren spissen ved å justere fokus knotten på USB mikroskop som bistår i nøyaktig posisjonering ventilen tips til ønsket sted, prefabrikkerte underlaget eller enhet. </li><li> Lag / designe ønsket fiberstrukturen mønster (figur 3A, 4A og 5A) ved hjelp av en CAD-programvare pakke. Input de romlige koordinater (x, y, z) i robot JR-C programvarestyring for alle og termineringspunkter i rekkefølge med hensyn til det ønskede mønster opprettet i CAD program (figur 3B, 4B og 5B). 15 </li><li> Overfør den ferdige fiberstrukturen design program fra datamaskinen til roboten ved å klikke &quot;Send C &amp; T data&quot; under Robot-menyen i JR-C-programvaren 15. </li><li> Belastning 3 ml av PMMA oppløsning prøve av kjent konsentrasjon (24%) i sprøytesylinderen, spyleventil og nålen, sett alle doserings parametere for ventilstyreenheten og roboten programvarestyring. </li><li> Plassere prefabrikert substrat på roboten trinnet platen, lukker de termiske kabinett dører for å hindre at omgivende luftstrømmen, noe som kan forårsake ustabile fordampning av polymeroppløsningen. </li><li> Begynn å skrive fibrene på underlaget ved å klikke på robot-menyen fra JR-C programvare og velge &quot;test kjører&quot; 15. </li><li> DC frese belegge et ledende metall-lag gull i 2 minutter inntil et 2 nm tykt lag av gull avsatt på de trukne fibre for å tillate visualisering av fibrene i scanning elektronmikroskop. </li><li> Mål diameteren og struktur av fibre via scanning elektronmikroskop 17. Mikroskop parametere: Høy spenning nivå: 2,00 kV; Mål: InLens, Working Avstand (9,0 mm). </li></ol></li><li> Utfør doseringssystemet rengjøringsprosedyren under en kjemisk flyt hette. <ol><li> Plasser doseringssystemet i en kjemisk strømningshette til å utføre rengjøringsprosessen. </li><li> Demontere nåleventil i henhold til produsentens protokoll. </li><li> Legg alle metalldeler i et begerglass, hell aceton i begerglasset inntil alle deler er neddykket. </li><li> Plasser begerglass i et ultralydbad i 30 min for å fjerne alle rester polymer. </li><li> Skyll alle delene under rennende DI vann, og deretter bruke luftgevær til å blåse 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) sekvensielle punkt-til-punkt-romlige instruksjonene for å bli matet inn i JR-C punkt programvare. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">Klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.</a> <img alt="Figur 4" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> Figur 4. (A) Eksempel utformet av &quot;symmetrisk&quot; banestruktur på en 10 mm x 10 mm ramme, (B) sekvensielle punkt-til-punkt romlige instruksjoner til å bli matet inn i JR-C Point Software.blank &quot;&gt; Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. <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) sekvensielle punkt-til-punkt-romlige instruksjonene for å bli matet inn i JR-C punkt programvare. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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 prøver hvert forsøk, er det viktig at viskositeten, masseoverførings-koeffisienter og overflatespenningen test av polymeroppløsninger bli nøyaktig målt for å bestemme om roboten og doseringssystemet er i stand til å behandle den ønskede polymer. Som beskrevet tidligere av vår gruppe må polymeren beholde tilstrekkelig løsninger: 1) overflatespenningen for å muliggjøre dannelsen av flytende filamenter inn i mikron / sub-mikron strukturer; 2) viskositet for å tåle kapillær bryte opp; og, 3) fordampingen forbedre fiber størkning 18. Synergien mellom disse parameterne er nøkkelen til vellykket å produsere fibre over en bestemt rekke diametere. På samme tid, ustabilitet i noen av disse parameterne hindrer dannelsen av Micron / sub-mikron skala fibre. For å opprettholde den synergien mellom disse parametre under fiberproduksjon, er det viktig å sikre at nålen og nåleventilen er grundig rengjort etter en direkte-skrive session å hindre: 1) forurensning av oppløsningen; 2) en reduksjon i polymerløsningen strømningshastigheten gjennom nålen; og 3) overdreven vekst i polymeren vulst på spissen av nålen. I tillegg må den temperatur-regulator på varmeapparatet innstilles til den ønskede temperatur for å opprettholde en konstant fordampingen av polymeroppløsningen. De splittgrenfibrene var 59%, 41% og 24% større i diameter enn den av støttestrukturene i fig 6-8, respektivt, ved bruk av 24% PMMA-løsning. Dette skyldes først og fremst på hvilken avstand fibrene er trukket. Nærmere bestemt er støttestrukturer trukket over hele bredden av substratet (10,0 mm i X- og Y-retningene, 14,4 mm diagonalt). Som et resultat av dette er de lengste fibre av den generelle suspenderte strukturer. De splittgrenstrukturer er vesentlig kortere, som strekker seg fra 7 mm maksimal lengde ned til 2,5 mm. Denne kortere fiber tegning lengden gjør ingent effektivt indusere fiber belastningen som kreves i løpet av fiberen tynning prosessen for å produsere de små diameter fibre. På den annen side er større diameter ledninger er nødvendig for å tjene som bærefibre for effektivt å opprettholde tauing eller deformasjon induseres under gaffelformet gren trekking. Som bifurkasjon grenene er trukket over støtte fibrene, kan en ombygging av bære fiber geometri oppstår på grunn av den trekkkrefter samt en lokalisert oppløsning av PMMA polymer på grenseflaten mellom underlaget og forgrenede fibre fra oppløsningsmidlet som er tilstede i polymerløsning. Således, i noen tilfeller kan støtte fibrene må fremstilles av en polymerløsning bestående av en høyere konsentrasjon av polymer for å danne større diameter og mekanisk sterkere fiber. Det er i hovedsak tre effektive metoder for å modifisere eksisterende protokoll for å generere et bredere spekter av støtte og forgrenede fiberdiameter: 1) opprinnelig dispensere polymeren fra en større nål spiss (f.eks 25 G; ID = 254 mikrometer) for å generere støttefibre og deretter bytte til en mindre nål spiss (f.eks 32 G; ID = 101,6 mm) for å dikte de mindre forgrenede fibrer; 2) som nevnt ovenfor, bruker flere polymerkonsentrasjoner; og / eller 3) å justere fremføringshastigheten, dvs. den hastighet med hvilken scenen passerer, hvor økning av matehastigheten på mindre diameter fibre, og å redusere matehastigheten skaper større diameter fibre. Hittil har vi vært i stand til å lykkes dikte fibrene så liten som 90 nm; Imidlertid er fiberutbyttet ved denne dimensjonen lav på grunn av kapillær bruddet. En begrensning av den automatiserte direkte skriveprosessen, er at bare en konsentrasjon av polymeroppløsningen kan dispenseres på en gang. Dette begrenser graden av kompleksitet av de suspenderte strukturer som skal utvikles uten å: 1) legge en annen utleveringsventil til roboten;eller, 2) fjerne den eksisterende ventil og utføre rengjørings protokollen (avsnitt 3.4) før dispensering av den andre polymer-løsning, noe som tar ekstra tid. En annen begrensning er den matehastighet (eller trykkhastighet), hvor den maksimale tilførselshastighet at systemet er i stand til å oppnå er 500 mm / sek. Det er imidlertid en avveining mellom matehastighet og fiberdannelse. Nærmere bestemt, hvis treghetskrefter (krefter på grunn av tilførselshastighet) som er større enn overflatespenningskreftene og fordampingen av polymeroppløsningen, fiberdannelse forekommer ikke. På den annen side, hvis matehastigheten er for lav, vil fibrene sprekke på grunn av overdreven fordampning før og under forlengelsen prosessen. For det tredje er fiber og struktur dimensjoner begrenset til rekkevidden av scenen av roboten, dvs. 200 mm, 200 mm og 25 mm (med en 10 mikrometer posisjonsnøyaktighet) i x-, y- og z-retningene, henholdsvis. Likevel gjør denne prosessen gjør det mulig for dannelsen av høy størrelsesforhold (fiber length: diameter) fibre. Strategisk varierende dispenseringsspissen størrelse og polymerløsningskonsentrasjon ville tillate en større fiberdiameterområde, skaper muligheten til å generere frie opphengte strukturer av høyere kompleksitet. Ved å følge de protokoller er angitt ovenfor, kan mikron og submikron diameter polymerfibre genereres med en høy grad av romlig kontroll ved å utnytte overflatespenningsstyrte fluidmekanikk av polymeren løsninger, som ikke kan kontrolleres med andre våte, tørre eller electro prosesser . Fra tidligere arbeids 8,19, vet vi at denne teknikken kan brukes til å dikte intrikate mikro / submikrone fluidic enheter 19 og bioengineered stillaser 8. Dette billig og enkel teknikk har sine egne fordeler fremfor tradisjonelle høvel fabrikasjon metoder på mange måter.

I løpet av de siste tiårene, en rekke fabrikasjon teknikker, som for eksempel våt spinning, tørr spinning og electro, har blitt ansatt for å skape nye polymerfiberen med varierte og robuste biologiske, kjemiske, elektriske og mekaniske egenskaper 1-12. Selv om disse teknikkene er spinnende stand til å generere tre-dimensjonale suspenderte fibre, er de begrenset i sin evne til å nøyaktig kontrollere fiberorientering i tre dimensjoner, siden fiberavsetning via disse prosessene er tilfeldig i naturen. I tillegg er disse teknikker er begrenset i deres dimensjonsområde for fiber fabrikasjon; spesifikt, fibrer som produseres via våt og tørr spinnende varierer i diameter fra titalls til hundrevis av mikron, mens electro utbytter fibre med diametre fra titalls nanometer til en enkelt micron 13. Å gi mer presis kontroll over fiber orientering i 3-D plass, utviklet vår gruppe en selv-assemble eller &quot;direkte-write&quot; fiber fabrikasjon prosessen som direkte fører ut et polymermateriale ut av en hule kapillær og deretter trekker individuelle filamenter som tynn og stivne til forutsigbare fiberdiametere ved å utnytte overflatespenningsstyrt fluidmekanikk 14. Vår første direkte-skrive-systemet for å øke nivået av kontroll av fiber posisjon og diameter besto av en tilpasset fabrikkert fjærbelastet sprøyte doseringssystemet festet til hodet av en spesiallaget Ultra-High Precision Micromilling Machine (figur 1). Den UHPMM hadde en scene med en posisjons oppløsning på 1,25 nM i X- og Y-retningene, og 20 nm i Z-retningen som ble programmatisk kontrollert for å skape mikron og submikron skala ledninger og strukturer. En begrensning av denne direkte skrivesystem var mangel på strømningskontroll av polymeroppløsningen gjennom nålespissen. Selv om fjærbelastet doseringssystemet hell generert konstant floW gjennom spissen, ble en kontinuerlig utvide sfærisk perle av polymeroppløsning laget ved utløpet av sprøytespissen, som varierte i størrelse og volum, avhengig av omgivelsene. <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> Figur 1. Bilde av Ultra High Precision Micromilling Machine. Den første direkte skrive system ansatt i fabrikasjon micron / sub-mikron skala strukturer <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> Den inkonsistente denne kilden vulst påvirket systemets evne til gjentatte ganger å fremstille ledninger med en foreskreven diameter. Riktignok strukturer ble vellykket generert ved hjelp av denne direkte skriveprosess, vil forbedring av prosessen ved å øke styring av strømmen av polymeroppløsning tillate flere PreciSE, foreskrevet fiberdiametere gjennom regulering av perlestørrelse på sprøytespissen. Således beskriver dette arbeidet gjennomføring av en 3-akset automatisert dispenseringssystem med pneumatisk aktivert ventil dispenser til nøyaktig kontroll polymerløsningen strømningshastighet og spiss kulestørrelse for å create foreskrevet, micron / sub-mikron suspendert 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.

Bilder fra selve strukturene som produseres via tre-akset robot og direkte skrivemetode for hver av de respektive utførelser og JR C-Point algoritmer som er definert i figurene 3-5A og B ovenfor er vist i figurene 6A, 7A og 8A. Som det kan ses i de resulterende bilder, er tre-dimensjonale, fritt hengende fibre vært vellykket &quot;skrevet&quot; på substratene ved nøyaktig å manipulere dispenseren spissen for å foreskrevne steder romlig inkludert den initierende / terminerende punkter samt krysningspunkter. De innfellinger av disse tallene forstørre skjæringspunktene suspenderte fibre, som viser systemets evne til nøyaktig kontroll fiber orientering (figur 6B, 7B og 8B) i 3-D plass. <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> Figur 6. (A) Op<html> tisk bilde av fabrikkerte &quot;quad&quot; suspendert web struktur med to støttefibre (diagonaler) og 12 skilt ut forgrenede PMMA fiber (15x optisk forstørrelse; skala bar = 1 mm), (B) SEM bilde av en enkelt todelt fiber (289X forstørrelse; skala bar = 100 mikrometer). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> <img alt="Figur 7" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> Figur 7. (A) Optisk bilde av fabrikerte &quot;symmetrisk&quot; suspendert nettstruktur som har en støtte fiber (horisontalt) og 11 skilt ut forgrenede PMMA-fibre (optisk forstørrelse 15X; Målestokk = 1 mm), (B) SEM-bilde av et enkelt todelt fiber (107X forstørrelse; skala bar = 100 mikrometer).52834fig7large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. <img alt="Figur 8" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> Figur 8. (A) Optisk bilde av fabrikerte &quot;dual chevron&quot; suspendert nettstruktur som har en støtte fiber (horisontalt) og 22 skilt ut forgrenede PMMA-fibre (optisk forstørrelse 15X; Målestokk = 1 mm), (B) SEM-bilde av et enkelt bifurkert fiber. (80X forstørrelse; skala bar = 100 mikrometer) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> Figur 9 viser nærmere oversikt over den sekvensielle punkt-til-punkt-for fabrikasjon av fibre ved hvilken tre-akse robot og utleveringssystemet kan generere fritt hengende banelignende strukturer. P<html> olymer kontaktpunkter som vises med tall tilsvarer den programmerte initierende og terminerende punkter i JR-C programvare referert i figur 3B ovenfor. Pilene representerer robotbanen. Figur 10 viser mikron og submikron polymerfibre, noe som viser den direkte skrive systemets evne til å fremstille kabler av varierende størrelse. <img alt="Figur 9" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> Figur 9. SEM bilde som illustrerer den sekvensielle punkt-til-punkt-fabrikasjon For å tegne Micron og submikrone polymerfibre (29x forstørrelse; skala bar = 200 mikrometer). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> 2834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; Figur 10. SEM bilde av micron (6,5 mm) og sub-micron (555 nm) fibre trukket ved hjelp av en 20% konsentrasjon PMMA polymerløsning. (2,270X forstørrelse; skala bar = 2 mikrometer) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> Polymer fiberlengde og diameter ble målt ved hjelp av scanning elektronmikroskopi. Tabell 1 viser den gjennomsnittlige tråddiameteren for hver unike strukturen vist i figurene 6-8 ovenfor, som tilsvarer de togrenede grenfibrene og bærefibrene. Tabell 2 viser at polymerparametre som ble målt fra 24% PMMA-oppløsninger som ble brukt for å fremstille strukturer som er nevnt ovenfor. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> Struktur diameter i Figur 6</td><td> Struktur diameter på figur 7 </td><td> Struktur diameter på figur 8 </td></tr><tr><td> Støtte fibre </td><td> 8,65 ± 1,43 mikrometer </td><td> 9,39 ± 1,23 mikrometer </td><td> 9,31 ± 1,65 mikrometer </td></tr><tr><td> Avdelings fibre </td><td> 20,96 ± 3,35 mikrometer </td><td> 15,92 ± 1,44 mikrometer </td><td> 12,24 ± 5,42 mikrometer </td></tr></tbody></table> Tabell 1. Gjennomsnittlig diameter på den suspenderte støtte og avdelings fibre vist i figur 6-8 for en 24% PMMA løsning. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> 24% PMMA </td></tr><tr><td> Viskositet (Pa * s) </td><td> 35.19 </td></tr><tr><td> Surface Tension (mN / m) </td><td> 262,01 </td></tr><tr><td&gt; masseoverføringsfaktor (m / sek) </td><td> 8.59 x 10 -8 </td></tr></tbody></table> Tabell 2. Polymer parametere av 24% PMMA-oppløsninger som ble brukt for å fremstille fiberstrukturer som er presentert i dette arbeidet.

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 presenterer vi en protokoll for å dikte fritt-svevende, micron / sub-mikron skala polymerfibre og &quot;web-lignende&quot; strukturer som genereres via automatisert direkte prosedyre skriving ved hjelp av en 3-akse utleveringssystemet.

Skrevet 3-D Direkte Skriving av Suspendert Micron / Sub-mikron Scale Fiber Structures via en 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 ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Fabrikasjon av ensartede nanoskala hulrom via silisium direkte wafer binding

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

Skriving og Kulde Karakterisering av 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

Skrive Bragg Gitter 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 plattform å studere Foreflipper av 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

Tredimensjonale ultralyd nål tips sporing med fiberoptisk ultralyd mottaker

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

Gjennomføre forhøyet temperatur Normal og kombinert press-skjær Plate innvirkning eksperimenter Via en Breech-end Sabot varmtvannsberedere 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 tilfeldig-forskyvning måling ved å kombinere en magnetisk skala og to fiber Bragg rister

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 av en skreddersydd robot Manipulator for ekstra kroppslige 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 rask metode for modellering en variabel syklus 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 av SiN integrerte optiske fasede arrayer på en Wafer-skala teststasjon

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