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. Utrustning Set-up <ol><li> Montera avgivningssystem och anslut ventilregulatorn och sprutcylindern till den pneumatiska källan, via en tryckregulator, för att ställa in trycket vid 15 psi för att dispensera polymerlösningen från nålspetsen vid en flödeshastighet av 2,45 | j, l / min. </li><li> Sätt in 3-axlig robot och avgivningssystem i en termisk hölje för att säkerställa en stabil arbetsmiljö (Figur 2). </li><li> Installera Joint-Robot kontrollpunkter (JR-C Points) programvara som tillhandahålls av systemtillverkaren och anslut 3-axlig robot till en dator via seriell kommunikationsport. </li><li> Montera utmatningsventil till 3-axlig robot och installera nålspets på ventilen. </li><li> Nivå robot stadiet plattan enligt tillverkarens riktlinjer för att säkerställa planhet i förhållande till höjden på ventilspetsen 15. </li><li> Montera en återkopplingsstyrd värmare i inneslutningen för att lägga miljökontroll. </li></ol>innehåll &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> Figur 2. (A) 3-Axis dispense robot med nödvändiga tillbehör inrymt i ett hölje; och (B) närbild bild av utmatningsventilen med ansluten USB-mikroskop för visualisering. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> 2. Experimentella material och styrande faktorer <ol><li> Styra faktorer och deras kombination. <ol><li> Variera matningshastighet från 1% hastighet (5 mm / sek) upp till 100% (500 mm / sek), som JR C-Points programvara. För denna applikation kan du använda en 2% hastighet (10 mm / sek) att tillverka fiberstrukturer som presenteras i detta arbete. </li><li> Variera polymerlösningskoncentrationer för att uppnå specifik viskositet, ytspänning och volatilitets parametrar som krävsför önskat program. För denna applikation kan du använda en 24% polymetylmetakrylat (PMMA) i klorbensen lösning för att tillverka strukturer fiber som presenteras i detta arbete. </li><li> Variera styrventil doseringstiden från 0,02 sek till 1 sek för att mata lösningar via pneumatisk luft. För denna tillämpning, använd 0,02 sek att tillverka strukturer fiber som presenteras i detta arbete. </li><li> Välj en mätare storlek med hög precision nålspetsar att fördela polymerlösningar. För denna applikation kan du använda en 30 G (innerdiameter (ID) = 152,4 nm) tips för att tillverka strukturer fiber som presenteras i detta arbete. </li><li> Ställ in driftstemperaturområdet mellan 70 ° C till 100 ° C i värmeisolerade rutan för att upprätthålla en konstant avdunstningshastighet av polymerprovet. För denna applikation kan du använda en temperatur av 70 ° C för att tillverka strukturer fiber som presenteras i detta arbete. </li></ol></li><li> Framställning av polymerlösningar. <ol><li> Blandapolymerhartser av polymetylmetakrylat (PMMA, 0,72 g) med lösningsmedlet Klorbensen (2,28 g) under en kemisk flöde huva. </li><li> Beräkna vikten av polymeren (PMMA) och dess lösningsmedel (klorobensen) för att uppnå den önskade koncentrationen av polymer i lösningen. För denna applikation kan du använda en 24% polymetylmetakrylat (PMMA) i klorobensenlösning att tillverka strukturer fiber som presenteras i detta arbete. </li><li> Placera önskad mängd polymer pulver / harts i glasflaska. För denna applikation kan du använda 0,72 g PMMA harts för att uppnå en koncentration 24% av PMMA. </li><li> Överför lösningsmedel på polymeren inom ampullen med pipett tills den totala vikten av 3 g nås. </li><li> Blanda flaskan under 1 minut med användning av en virvel shaker och ultraljud behandla dem i 5 timmar för fullständig upplösning av polymerpulvret / harts. </li><li> Kontrollera insyn i lösningar, om det finns någon grumling eller ogenomskinlighet till provet fortsätter att sonikera tills klar. </li></ol></li><li> Viskositetsmätning av polymerlösningar. <ol><li> Mät lösningsviskositeter via kon-och-plattviskosimeter (t.ex. LVDV-II + och RVDV-II +) 16. </li><li> Ladda 0,5 ml känd viskositet standardprov (en glycerin-baserad och vattenblandning) som tillhandahålls av viskometer tillverkaren att kalibrera viskometern för att minimera fel i mätningarna viskositets. Tillverkaren som en mängd av standardprover för kalibrering av viskosimeter. Använd glycerin-baserade standardprov med en viskositet av 100.000 cP. </li><li> Anslut vatten jacka att viskometer att upprätthålla testfluiden vid en konstant arbetstemperatur. </li><li> Starta testfluidum mätning genom att flytta On / Off-knappen till On position för att inleda rotation av spindeln. När värdet på vridmomentet på displaypanelen har stabiliserats, registrera vridmomentet och beräkna de slutliga viskositeter som använder förhållandet mellan vridmoment, spindel multiplikator konstant och hastigheten hos spindeln 16 <img alt="Ekvation 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> där är viskositeten, är RPM hastigheten på spindeln fäst på kon, är TK vridmomentet (0,09373 för LVDV-II +, en för RVDV-II +), är SMC spindel multiplikatorn konstant som beror på den specifika spindeln används under viskositeten mätning. För denna studie var CP-52 spindel används som har en spindel multiplikator konstant av 9,83. </li></ol></li><li> Ytspänning mätning av polymerlösningar. <ol><li> Mätmetod hänvisar till Wilhelmy tekniken. 14 </li><li> Placera 1 ml testlösningar i en glasflaska på en hög upplösning balans (skala upplösning = 0,001 g). Doppa en glasstav med känd diameter i testlösningar. </li><li> Styr position staven via en servo eller steg kontrolleras linjärt ställdon att röra ytan och delvis fördjupa i testlösningar med noll kontakt. </li><li> Övervaka och registrera förändringen i massa mätning på balansen näravlägsna stången från lösning yta. </li><li> Beräkna ytspänning med våld förändring, omkrets stav och kontaktvinkel av vätska på stången. <img alt="Ekvation 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> där är den vätta omkretsen av stången (l = 10,05 mm med diametern = 3,2 mm), är θ kontaktvinkel av vätska på stången, är F kraft ändring till följd av ytspänning av testfluid på spetsen av staven. </li></ol></li><li> Massöverföringskoefficient mätning av lösningar. <ol><li> Mät massöverföringskoefficienterna polymerlösningar genom termogravimetrisk analys. 14 </li><li> Belastning 30 pl av 24% (i vikt) PMMA polymerlösningen på en platinaplatta innan tarering av balansen. </li><li> Vent kammaren, programmet enheten att köra vid önskad driftstemperatur (70 ° F) under 2 h för att övervaka massa mål lösningar. </li><li> Beräkna massöverföringskoefficienterna av förändringar i lösningens massa,område i lösning / luftgränssnittet och densitet. <img alt="Ekvation 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> där m (t) är massan av PMMA lösningar, A är arean av lösningen / luftgränssnittet (motsvarande 78,5 mm 2 för standardplatta), är mPOLYMER polymermassan i lösningen och är densiteten hos lösningen. </li></ol></li></ol> 3. Direkt Skriv Experiment ordningen <ol><li> Dispenseringssystem provladdning protokoll. <ol><li> Load 3 ml polymerlösning i sprutan fat, placera kolven i sprutans behållare för att eliminera inkonsekvent pneumatiska tryckfördelning. </li><li> Vrid inloppsledningen adaptern på sprutcylindern, anslut den till källinjen luftröret. </li><li> Välj önskad mätare storlek precision nålspets för att utföra experiment. </li><li> På fördelningsansvarige panelen, byta till rena tillstånd och klicka på &quot;cykeln&quot; knapp för att fylla dispenseringsventil med polymer sålution tills ut från kanylspetsen. </li><li> Torka restpolymerlösning från spetsen för att förbereda en programmerad fiberskriftligt förfarande. </li></ol></li><li> Direktskrivpolymerfibrer med 3-axlig robot och dispenseringssystem. <ol><li> Bestäm roboten scenen offset att flytta spetsen på doseringsnålen från standardutgångsläget till initieringspunkten den föreskrivna mikro / sub-micron fiberstruktur som kan dras. Montera ett USB-mikroskop (förstoring = 200X) till ventilfästet utmatningssystem, som översätter längs Z-axeln. Manuellt fokusera på fördelartoppen genom att justera fokuseringsknappen på USB mikroskop som hjälper till exakt positionering av ventilspetsen till önskad plats, förfabricerat substrat eller anordning. </li><li> Skapa / utforma den önskade fiberstrukturen mönster (fig 3A, 4A och 5A) med hjälp av en CAD-programpaketet. Input de spatiala koordinaterna (x, y, z) i robot JR-C kontrollerande programvara för alla initierings- och termineringspunkter i ordningsföljd med avseende på det önskade mönstret skapas i CAD-program (figur 3B, 4B och 5B). 15 </li><li> Överför den färdiga fiberstrukturen designprogram från datorn till roboten genom att klicka på &quot;Skicka C &amp; T Data&quot; under Robot-menyn i JR-C program 15. </li><li> Belastning 3 ml av PMMA-lösning prov av känd koncentration (24%) in i sprutcylindern, avluftningsventilen och nål, ställa in alla doseringsparametrarna för ventilregulatorn och robot kontrollerande mjukvara. </li><li> Placera förfabricerat substrat på robotsteget formbordet, stäng de termiska kammarens dörrar för att förhindra omgivande luft flöde, vilket kan inducera instabilt indunstning av polymerlösningen. </li><li> Börja skriva fibrerna på underlaget genom att klicka på robot menyn från JR-C program och välja &quot;testköra&quot; 15. </li><li> DC sputter belägga ett ledande guldmetallskikt för 2 min tills en 2 nm tjockt skikt av guld deponeras på de dragna fibrerna för att möjliggöra visualisering av fibrerna i svepelektronmikroskopet. </li><li> Mät diametern och struktur av fibrer via svepelektronmikroskop 17. Mikroskop parametrar: hög spänningsnivå: 2,00 kV; Mål: InLens, Arbetsavstånd (9,0 mm). </li></ol></li><li> Utför doseringssystem rengöringsförfarandet enligt en kemisk flöde huva. <ol><li> Placera dispenseringssystemet i en kemisk flöde huva för att utföra rengöringsproceduren. </li><li> Ta isär nålventil enligt tillverkarens protokoll. </li><li> Placera alla metalldelar i en bägare, häll aceton i bägaren tills alla delar är nedsänkta. </li><li> Placera bägaren i ett ultraljudsbad under 30 minuter för att avlägsna alla polymer rester. </li><li> Skölj alla delar under rinnande avjoniserat vatten och sedan använda luftpistol att blåsa dem torra. </li></ol></<html> li&gt; </ol><img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" /> Figur 3. (A) Exempel på design &quot;quad&quot; banstrukturen på en 10 mm x 10 mm ram (B) sekventiella punkt-till-punkt rumsliga instruktioner som ska matas in i JR-C punkt programvara. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> <img alt="Figur 4" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> Figur 4. (A) Exempel på design &quot;symmetrisk&quot; banstrukturen på en 10 mm x 10 mm ram (B) sekventiella punkt-till-punkt rumsliga instruktioner som ska matas in JR-C punkt programvara.blank &quot;&gt; Klicka här för att se en större version av denna siffra. <img alt="Figur 5" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" /> Figur 5. (A) Exempel på design &quot;dual Chevron&quot; banstrukturen på en 10 mm x 10 mm ram (B) sekventiella punkt-till-punkt rumsliga instruktioner som ska matas in JR-C punkt programvara. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna 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.

Innan varje försök, är det kritiskt att viskositeten, massöverföringskoefficienterna och ytspänning test av polymerlösningarna noggrant mätas för att avgöra om roboten och utlämningssystemet kan behandla den önskade polymeren. Som tidigare beskrivits av vår grupp, måste polymerlösningar behålla tillräcklig: 1) ytspänning för att möjliggöra bildandet av vätskefilament i micron / submikrona strukturer; 2) viskositet för att motstå kapillär bryta upp; och 3) avdunstningshastigheten för att öka fiberstel 18. Synergin mellan dessa parametrar är nyckeln till ett framgångsrikt producera fibrer över ett angivet intervall av diametrar. Samtidigt, instabilitet i någon av dessa parametrar förhindrar bildandet av mikron / submikrona skala fibrer. För att upprätthålla synergin mellan dessa parametrar under fibertillverkning, är det viktigt att se till att nålen och nålventilen är noggrant rengöras efter en direktskriv session att förhindra: 1) kontaminering av lösningen; 2) en minskning i polymerlösningen flödeshastigheten genom nålen; och, 3) överdriven tillväxt i polymerpärla vid spetsen av nålen. Dessutom måste den temperatur-regulator på värmaren sättas till den önskade temperaturen för att bibehålla en konstant avdunstningshastighet av polymerlösningen. De förgrenade gren fibrerna var 59%, 41% och 24% större i diameter än den hos stödstrukturerna i figurerna 6-8, respektive, med användning av PMMA-lösning 24%. Detta beror främst på det avstånd vid vilken fibrerna dras. Närmare bestämt är stödstrukturerna dras tvärs över hela bredden av substratet (10,0 mm i X- och Y-riktningarna; 14,4 mm diagonalt). Som ett resultat av detta är de längsta fibrerna i övergripande svävande strukturer. De förgrenade branschstrukturer är betydligt kortare, från 7 mm maximala längd ner till 2,5 mm. Denna kortare fiberdragning längd gör ingent effektivt inducera fiber stammen krävs under fiber gallring processen för att producera fibrer med liten diameter. Å andra sidan, är trådar med större diameter som krävs för att tjäna som stödfibrerna för att effektivt upprätthålla rycka och deformation induceras under den förgrenade grendragningsprocessen. Som bifurkationen grenarna dras tvärs stödfibrerna, kan en ombyggnad av stödfibergeometri uppstå på grund av ritningskrafter samt en lokaliserad upplösning av PMMA polymeren vid gränsytan mellan bäraren och grenade fibrer från det lösningsmedel som föreligger i polymerlösningen. Således, i vissa fall kan stödfibrerna måste vara tillverkade av en polymerlösning bestående av en högre koncentration av polymer för att producera större diameter och mekaniskt starkare fibrer. Det är främst tre effektiva metoder för att ändra det befintliga protokollet att generera ett bredare spektrum av stöd och grenade fiberdiametrar: 1) initialt avstå polymeren från en större nålspets (t.ex. 25 g; ID = 254 nm) för att generera stödfibrerna och sedan byta till en mindre nålspets (t.ex. 32 G, ID = 101,6 nm) för att tillverka de mindre grenade fibrer; 2) som nämnts ovan, använda flera polymerkoncentrationer; och / eller, 3) justera matningshastigheten, dvs den hastighet med vilken det stadium passerar, där ökning av matningshastigheten ger fibrer med mindre diameter och minskning av matningshastigheten skapar fibrer med större diameter. Hittills har vi lyckats med att tillverka fibrer så små som 90 nm; dock låg fiber avkastningen på denna dimension på grund av kapillär upplösning. En begränsning hos den automatiserade direktskrivprocess är att endast en koncentration av polymerlösningen kan dispenseras samtidigt. Detta begränsar graden av komplexitet hos de suspenderade strukturerna som skall utvecklas utan att behöva: 1) lägga till en andra utmatningsventil till roboten;eller, 2) ta bort den befintliga ventilen och utför rengöringsprotokoll (avsnitt 3.4) innan dispense den andra polymerlösningen, som tar extra tid. En andra begränsning är matningshastigheten (eller utskriftshastighet), där den maximala matningshastigheten som systemet kan uppnå är 500 mm / sek. Det finns dock en kompromiss mellan matningshastighet och fiberbildning. Om närmare bestämt tröghetskrafterna (krafterna på grund av matningshastigheten) är större än ytspänningskrafterna och avdunstningshastigheten av polymerlösningen, inte fiberbildning förekommer inte. Å andra sidan, om matningshastigheten är för låg, kommer fibrer fraktur på grund av överdriven avdunstning före och under töjning processen. För det tredje, är fiber och strukturdimensioner begränsas till arbetsområdet på scenen av roboten, det vill säga 200 mm, 200 mm och 25 mm (med 10 um lägesnoggrannhet) i x, y och z-riktningarna, respektive. Ändå gör denna process gör det möjligt för bildandet av högt sidoförhållande (fiber lä ngd: diameter) fibrer. Strategiskt variera doseringsspetsen storlek och polymerlösningen koncentrationen skulle göra det möjligt för ett bredare spektrum fiberdiameter, vilket skapar möjligheten att generera fritt svävande strukturer av högre komplexitet. Genom att följa de protokoll som anges ovan, kan Micron och submikron diameter polymerfibrer genereras med en hög nivå av fysisk kontroll genom att utnyttja ytspänning drivna strömningsmekanik av polymerlösningar, som inte kan kontrolleras med andra våta, torra eller electro processer . Från tidigare arbete 8,19, vi vet att denna teknik kan användas för att tillverka komplicerade mikro / submikrona fluidanordningar 19 och bioengineered ställningar 8. Denna billig och enkel teknik har sina fördelar jämfört med traditionella hyvel tillverkningsmetoder på många sätt.

Under de senaste decennierna, en mängd olika tillverkningstekniker, såsom våtspinning, torrspinning och elektrospinning, har använts för att skapa nya polymerfiberstrukturer med olika och robusta biologiska, kemiska, elektriska och mekaniska egenskaper 1-12. Även om dessa spinning tekniker är i stånd att alstra suspenderades tredimensionella fibrer, är de begränsade i sin förmåga att exakt styra fiberorienteringen i tre dimensioner eftersom fiberavsättning via dessa processer är slumpmässiga till sin natur. Dessutom är dessa tekniker begränsade i sin dimensionsområde för fibertillverkning; specifikt, fibrer framställda genom våt och torrspinning varierar i diameter från tiotals till hundratals mikron, medan elektrospinning ger fibrer med diametrar som sträcker sig från tiotals nanometer till en enda mikron 13. För att ge mer exakt kontroll av fiberorienteringen i 3-D utrymme, vår grupp utvecklat en själv-assemble eller &quot;direkt-skriv&quot; fiber tillverkningsprocessen som direkt matas ett polymermaterial av en ihålig kapillär och sedan drar enskilda filament som tunn och stelnar till förutsägbara fiberdiametrar genom att utnyttja ytspänning drivna strömningsmekanik 14. Vår initiala direktskrivsystemet för att öka graden av kontroll av fiber position och diameter bestod av en specialtillverkade fjäderbelastad spruta dispenseringssystem som finns på huvudet av en skräddarsydd Ultra-High Precision Micromilling Machine (Figur 1). Den UHPMM hade en scen med en positions upplösning på 1,25 nm i X- och Y-riktningarna och 20 nm i Z-riktningen som programmatiskt kontrollerades för att skapa mikron och submikrona skala kablar och strukturer. En begränsning hos denna särskilt direkt skrivsystemet var avsaknaden av flödeskontroll av polymerlösningen genom nålspetsen. Även den fjäderbelastade doseringssystem framgångsrikt genererat konstant flow genom spetsen, var en kontinuerligt expanderande sfärisk sträng av polymerlösning skapas vid utloppet av sprutspetsen, som varierade i storlek och volym beroende på miljöförhållanden. <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> Figur 1. Bild av Ultra High Precision Micromilling Machine:. Den första direkta skrivsystem som används vid tillverkning av micron / submikrona skala strukturer <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> Inkonsekvensen av denna källa pärla påverkat systemets förmåga att upprepade gånger tillverka trådar av en föreskriven diameter. Om än, strukturer framgångsrikt alstras med användning av denna direkta skrivprocess, skulle förbättring av processen genom att öka kontrollen av flödet av polymerlösningen möjliggöra fler precise, föreskrivna fiberdiametrar genom reglering av pärlstorlek vid sprutspetsen. Således detta arbete beskriver genomförandet av en 3-axlig automatiserad dispenseringssystem med pneumatiskt dispenser ventil för att exakt kontrollera polymerlösningen flödeshastigheten och dricks pärlstorlek att skapa skriven, micron / submikrona svävande 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 av de faktiska strukturer producerade via tre-axlig robot och direkt skrivmetod för var och en av de respektive mönster och JR C-Point algoritmer som definieras i figurerna 3-5A &amp; B ovan visas i fig 6A, 7A &amp; 8A. Som kan ses i de resulterande bilderna har tredimensionella, fritt svävande fibrer varit framgångsrikt &quot;skrivit&quot; på substraten genom att exakt manipulera fördelartoppen föreskrivna rumsliga platser inbegripet initiativtagaren / avslutande poäng samt skärningspunkter. De inläggningar av dessa siffror tora skärningspunkterna av suspenderade fibrer, som visar systemets förmåga att exakt styra fiberorientering (figur 6B, 7B och 8B) i 3-D utrymme. <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> Figur 6. (A) Op<html> tisk bild av fabricerade &quot;quad&quot; svävande banstruktur med 2 stödfibrer (diagonaler) och 12 förgrenade förgrenade PMMA fibrer (15X optisk förstoring, skala bar = 1 mm), (B) SEM-bild av en enda förgrenade fiber (289x förstoring; skala bar = 100 nm). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> <img alt="Figur 7" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> Figur 7. (A) Optisk bild av fabricerade &quot;symmetrisk&quot; svävande banstruktur med 1 stöd fiber (horisontellt) och 11 förgrenade förgrenade PMMA fibrer (15X optisk förstoring, skala bar = 1 mm), (B) SEM-bild av en enda förgrenad fiber (107X förstoring, skala bar = 100 nm).52834fig7large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Klicka här för att se en större version av denna siffra. <img alt="Figur 8" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> Figur 8. (A) Optisk bild av fabricerade &quot;dubbla Chevron&quot; svävande banstruktur med 1 stöd fiber (horisontellt) och 22 förgrenade förgrenade PMMA fibrer (15X optisk förstoring, skala bar = 1 mm), (B) SEM-bild av en enda förgrenad fiber. (80X förstoring, skala bar = 100 nm) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> Figur 9 visar närbild av den sekventiella punkt-till-punkt-ordning av fibertillverkning, vid vilken 3-axlig robot och avgivningssystem kan generera de fritt upphängda banliknande strukturer. P<html> olymer kontaktpunkter som visas med siffror motsvarar den programmerade initiera och avsluta punkter i JR-C program hänvisas till i figur 3B ovan. Pilarna representerar robotbana. Figur 10 visar mikron och submikrona polymerfibrer, som visar den direkta skriv systemets förmåga att tillverka trådar av varierande storlek. <img alt="Figur 9" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> Figur 9. SEM-bild som illustrerar den sekventiella punkt-till-punkt tillverkning för att dra micron och submikrona polymerfibrer (29x förstoring, skala bar = 200 pm). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> 2834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; Figur 10. SEM-bild av mikron (6,5 pm) och sub-mikron (555 nm) fibrer dras med hjälp av en 20% koncentration PMMA polymerlösning. (2,270X förstoring, skala bar = 2 um) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> Polymerfiberlängd och diameter mättes med användning av svepelektronmikroskopi. Tabell 1 visar den genomsnittliga tråddiametern för varje unik struktur presenteras i figurerna 6-8 ovan motsvarar den förgrenade grenfibrerna och stödfibrerna. Tabell 2 visar polymerparametrar som mättes från 24% PMMA lösningar som används för att tillverka de strukturer som angivits ovan. <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> Stödfibrer </td><td> 8,65 ± 1,43 | j, m </td><td> 9,39 ± 1,23 | j, m </td><td> 9,31 ± 1,65 | j, m </td></tr><tr><td> Branch fibrer </td><td> 20,96 ± 3,35 | j, m </td><td> 15,92 ± 1,44 | j, m </td><td> 12,24 ± 5,42 | j, m </td></tr></tbody></table> Tabell 1. Genomsnittliga diametrarna hos de suspenderade stöd- och gren fibrer som visas i figurerna 6-8 för en 24% PMMA-lösning. <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> Ytspänning (mN / m) </td><td> 262,01 </td></tr><tr><td&gt; massöverföringskoefficient (m / sek) </td><td> 8,59 X 10 -8 </td></tr></tbody></table> Tabell 2. Polymer parametrar för 24% PMMA lösningar som används för att tillverka strukturer fiber som presenteras i detta arbete.

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

Här presenterar vi ett protokoll för att tillverka fritt svävande, micron / submikrona skala polymerfibrer och &quot;web-liknande&quot; strukturer som genereras via automatiserad direktritning förfarande med hjälp av en 3-axlig dispenseringssystem.

Skriven 3-D Direkt Skriva av Upphängda Micron / Sub-micron Skala fiberstrukturer via en Robotic dispenseringssystem

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

Tillverkning av enhetliga håligheter i nanoskala 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

Skriva och låg temperatur 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

Skriva Bragg-gitter i multicore Fibrer

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 Robotic plattform för att studera Foreflipper i Kalifornien sjölejon

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

Tredimensionellt ultraljud nål spets spårning med en fiberoptisk ultraljud mottagare

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

Bedriva förhöjd temperatur Normal och kombinerad tryck-skjuvning plattan inverkan experiment Via en sätesbjudning-end Sabot värmesystem

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 slumpmässig deplacement mätning genom att kombinera en magnetisk skala och två fiber Bragg galler

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 och implementering av en skräddarsydd Robotic Manipulator för extra kroppsliga ultraljud

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 snabb metod för modellering av en variabel cykel 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-integrerade optiska fasader på en teststation i waferskala

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