Name: an additive manufacturing technique for the facile and rapid fabrication of hydrogel-based micromachines with magnetically responsive components
Uploaded: 2018-07-18T13:00:00
Duration: 8 min 17 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about An Additive Manufacturing Technique for the Facile and Rapid Fabrication of Hydrogel-based Micromachines with Magnetically Responsive Components at JoVE.com

Dit werk werd gesteund door een NSF CAREER award, NIH R01 grant (HL095477-05) en NSF ECCS-1509748 subsidie. S.Y.C. werd gesteund door de National Science beurs (PhD), die werd toegekend door het Agentschap voor wetenschap, technologie en onderzoek (Singapore). Wij danken Keith Yeager voor hulp bij de opbouw van de fabricage set-up, en Cyrus W. Beh voor foto's van de set-up en apparaten.

1. fabricage fase
<ol><li>Monteer de set-up van de fabricage (Figuur 1) bestaande uit een huis gebouwd toneel- en PDMS kamer waarin de hydrogel-onderdelen zijn polymeervorm. De fabricage fase bestaat uit een acryl top, waarin tracks en kanalen waren gefreesd zodat vacuümverbindingen, een houder voor de bevestiging van een micrometer hoofd binnen het werkgebied vacuüm ingeschakelde en schroefdraad stalen palen waarmee het gehele werkgebied vast te stellen op stalen basisstuk voor stabilisatie.</li>
	<li>Het herstellen van het hoofd van de micrometer met een acryl stuk dat is machinaal om tracks voor vacuüm verbinding. Vacuümverbindingen kunnen de gebruiker houdt u het PDMS kamer evenals het flexibele membraan binnen het PDMS kamer verplaatsen.</li>
	<li>Plaats een UV-lichtbron (320-500 nm) boven in het werkgebied van de fabricage, zodanig dat het incident hoek van het licht loodrecht op het horizontale vlak van de etappe (aanvullende figuur 1).</li>
</ol>2. fabricage van PDMS kamer en het bepalen van de "Nul" niveau
<ol><li>Maak een PDMS kamer waarin de hydrogels zal worden polymeervorm (Zie figuur 1A, PDMS kamer). Deze kamer bestaat uit een PDMS goed met een flexibele membraan waarop een dekglaasje glas aan is gebonden. De glas dekglaasje aan die is gebonden aan het flexibele PDMS membraan wordt verder behandeld om te voorkomen dat de hechting van de hydrogels (stap 2.1.7).<ol>
<li>Voorbereiden van een base PDMS 9 deel 1 deel agent mengsel uitharden (in gewicht).</li>
		<li>Roer goed met een roerstaaf om ervoor te zorgen dat de basis en genezen agenten goed vermengd zijn. Centrifugeer bij 1.000 x g luchtbellen te verwijderen.</li>
		<li>Giet zorgvuldig het PDMS mengsel in twee petrischaaltjes van glas tot een dikke laag (~ 3 mm) en een dun laagje (~0.2 mm). Petrischalen PDMS gevulde plaats op een vlakke, vlakke ondergrond en genezen overnachten bij kamertemperatuur of gedurende 30 minuten in een oven met temperatuur ingesteld op een minimum van 75 ° C. Opmerking: Een dun laagje PDMS is vereist voor de basis van het PDMS kamer, aangezien hierdoor de generatie van een flexibele laag die kan gemakkelijk worden verplaatst in de z-richting door de micrometer schroef gauge. De PDMS lagen moeten vlak en niveau om ervoor te zorgen dat de gepolymeriseerde hydrogel lagen van uniforme dikte.</li>
		<li>Nadat de PDMS volledig is uitgehard, snijd een cirkel met een diameter 4 cm in de dikke laag met behulp van een scalpel blad of betekent. De dikke laag PDMS afschilferen van het glas petrischaal. Plaats de dikke PDMS laag (onder-kant naar boven) en de dunne laag van het PDMS (nog steeds in het glas petrischaal) in een oven van plasma.</li>
		<li>Plasma behandeling van de twee PDMS lagen (30 s, lucht plasma) en bond de onderzijde van het PDMS Dickschicht naar de top-kant van de dunne laag van het PDMS. Verwijder de gelijmde stukken uit het glas petrischaal te vormen van een circulaire goed met de dunne laag vormen een flexibele membraan basis. Opmerking: Voorafgaand aan de verwijdering van de gelijmde lagen uit het glas petrischaal, de twee ago-gelijmde lagen kunnen worden geplaatst op een hete plaat bij 95 ° C ter bevordering van de hechting van de lagen.</li>
		<li>Plasma bond een dekglaasje van de glazen aan (nr. 2, 22 x 22 mm) naar de top-kant van de flexibele membraan van de PDMS; Plasma behandelen glas dekglaasje aan zowel de PDMS kamer uit stap 4 voor 30 s (lucht plasma) en plaats het dekglaasje glas aan in contact met de boven-zijkant van het flexibele membraan basis het obligatie aan het membraan.</li>
		<li>Damp van silanize de PDMS kamer met silane trichloor (1H 1U, 2U, 2H - perfluorooctyl) (PFOTS) voor ten minste 30 minuten; plaats de PDMS kamer in een vacuüm exsiccator samen met een kleine petrischaal met 60 µL van PFOTS en de verzegelde exsiccator verbinden met het vacuümsysteem centraal laboratorium. Laat de exsiccator verbonden met het vacuümsysteem gedurende ten minste 30 minuten.<ol>
<li>Ervoor zorgen dat het vacuüm zegel van de exsiccator wordt gegenereerd en dat de druppel van PFOTS "bubbels" na 5-10 minuten. Silanization van de damp van de PDMS kamer kunt facile verwijdering van de gevormde hydrogel lagen en voorkomt sterke hechting van gepolymeriseerde PEG hydrogels tot het glasoppervlak na langdurig gebruik.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>Om te bepalen van de "nul" niveau van de PDMS kamer, plaats u het in een vacuüm ingeschakelde werkgebied (verbonden met laboratorium centraal vacuümsysteem).<ol>
<li>Toepassing onderdruk de PDMS zaal ingedrukt. De PEG hydrogel structuren zal worden polymeervorm in deze vergaderzaal PDMS (figuur 1A, Fabrication gebied).</li>
		<li>Plaats een onbehandelde glas dekglaasje aan op de top van het PDMS kamer zodanig dat het betrekking heeft op de put. De afstand tussen de bovenste glas dekglaasje aan (top substraat) en het dekglaasje aan van bodem, glas (onderkant substraat) definieert de dikte van de laag van de hydrogel die in de vergaderzaal van het PDMS ontstaat.</li>
		<li>Met behulp van het hoofd micrometer, duwen het substraat van de bodem omhoog totdat het in contact met het hoogste substraat. De lezing op de micrometer hoofd als de "nul" niveau van de PDMS kamer en gebruiken als referentie bij het definiëren van de dikte van de gepolymeriseerde hydrogel lagen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Photomask ontwerp voor Photopolymerization van Hydrogel microstructuren
<ol><li>Als u wilt ontwerpen de fotomaskers, CAD-software te gebruiken.</li>
	<li>Het ontwerp van elke unieke laag van de hydrogel-structuur die moet worden vervaardigd. Zie Figuur 2 voor het apparaat van de voorbeeld vervaardigd met behulp van dit protocol. Figuur 2 toont 3D schematische van dit apparaat, de bijbehorende lagen worden vervaardigd en de fotomaskers die zijn ontworpen voor de fabrikatie van deze afzonderlijke lagen.</li>
	<li>Ontwerpen van fotomaskers op donkere gebied; onderdelen die moeten worden polymeervorm moet transparant zijn en de achtergrond is ondoorzichtig (Figuur 2 C, aanvullende figuur 2).</li>
	<li>Nemen uitlijning merken in de photomask ontwerpen ter vergemakkelijking van de aanpassing van de fotomaskers tijdens het fabricageproces.</li>
	<li>De ontwerpen als transparantie fotomaskers bij de hoogste resolutie beschikbaar en hoge pixeldichtheden afdrukken.</li>
</ol>4. behandeling van glas Coverslips om te voorkomen dat de hechting van de Hydrogels
<ol><li>Als u wilt maken van oppervlakken die de gepolymeriseerde PEG hydrogels afstoten, zijn glas coverslips bekleed met een dun laagje PDMS.</li>
	<li>PDMS (9:1 basis om te genezen van de verhouding agent) bereiden samen en centrifugeer bij 1.000 x g luchtbellen te verwijderen.</li>
	<li>Breng een dunne laag van PDMS aan schoongemaakte glazen coverslips en daar laat te genezen op een platte, vlakke oppervlak binnen een oven (> 75 ° C, 30 min).</li>
</ol>5. laag-voor-laag fabricage van Hydrogels: Top afdichting laag en onderkant ondersteunende structuren
<ol><li>Als u wilt maken een hydrogel laag die vervolgens zal worden gebruikt voor het afdichten van de gevormde apparaat, gebruik een onbehandelde stuk glas dekglaasje aan (No.2) als een "deksel" voor de PDMS kamer. Deze "deksel" is het hoogste substraat genoemd.<ol>
<li>Vanaf de "nul" niveau van het apparaat, lager de onderkant substraat met behulp van het hoofd van de micrometer tot de gewenste hoogte. De afstand tussen de boven- en onderkant substraten bepaalt de dikte van de eerste laag van de hydrogel (Z1, figuur 3A).</li>
		<li>Storten van een klein volume van de PEGDA-prepolymeren (bijvoorbeeld, een mengsel van 400Da PEGDA met 1% Darocur 1173), voldoende voor het substraat van de bodem.</li>
		<li>Plaats het bovenste substraat op de PDMS kamer. Opmerking: Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat er geen luchtbellen opgesloten tussen de boven- en onderkant substraten.</li>
		<li>Plaats een photomask met gewenste ontwerp op de top van de hoogste substraat (figuur 2C (i)). Zorg ervoor dat het masker in volledige contact met het hoogste substraat en uitgelijnd op de onderkant ondergrond.</li>
		<li>Bloot de hydrogel prepolymeren aan UV-licht door de photomask (stap 1, figuur 3A). Zorgen dat de blootstelling wordt gedaan binnen een gesloten ruimte waardoor verdwaalde UV licht blootstelling aan de omgeving. Let op: Draag UV-bescherming (bijvoorbeeld UV bril) wanneer het besturingssysteem. Opmerking: De kracht en de duur van de blootstelling is afhankelijk van het soort UV-systeem en PEGDA prepolymeren gebruikt.</li>
		<li>Bijvoorbeeld voor een 200 W UV-lamp en 99% PEGDA (400 Da PEGDA met 1% photoinitiator (v/v)) prepolymer oplossing, de macht van de lamp ingesteld op 16% (overeenkomend met ~2.3 W/cm2) en volledig genezen de hydrogels binnen 4 seconden. De duur van de blootstelling moet worden verhoogd met de afnemende macht van de lamp en het vergroten van PEG ketenlengte van de prepolymeren gebruikt.</li>
		<li>Nadat de hydrogel laag heeft zijn polymeervorm, til het bovenste substraat van het PDMS kamer. De gepolymeriseerde laag moet worden nageleefd op het bovenste substraat (inzet voor stap 1, figuur 3A). Reserveren deze zelfklevend laag voor gebruik later te verzegelen het gemonteerde apparaat. Deze gepolymeriseerde laag tegen licht te beschermen. Opmerking: Houd deze gepolymeriseerde laag weg van licht en nat met overtollige uncrosslinked prepolymeren om te voorkomen dat de laag van uitdrogen en kraken.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Als wilt maken de bodem ondersteunende structuren, PDMS beklede glas coverslips als het bovenste substraat van het PDMS kamer te gebruiken.<ol>
<li>Stort meer hydrogel prepolymeren op het substraat van de bodem en dekking van het PDMS goed met een dekglaasje PDMS beklede glas aan. Dit is om ervoor te zorgen dat de gepolymeriseerde lagen op de bodem drager vervagen, waardoor de gebruiker om te bouwen van lagen naar boven (stap 2, figuur 3A blijven).</li>
		<li>Herhaal stap 5.1.4 en 5.1.5 met het ontwerp van de gewenste photomask (Figuur 2 c (iii)).</li>
		<li>Verwijderen van de bovenste substraat en voeg meer PEGDA prepolymeren en lager de onderkant substraat met behulp van de micrometer hoofd naar het gewenste niveau. Dit niveau moet overeenkomen met de dikte van de laag 2nd hydrogel gepolymeriseerde (Z2, stap 3, figuur 3A).</li>
		<li>De PDMS goed met het hoogste substraat (PDMS beklede glas) en herhaal stap 5.1.4 en 5.1.5.</li>
		<li>Voortdurend lagen hydrogel opbouwen als 5.2.1 en 5.2.2 met behulp van de gewenste stappen totdat de gewenste ondersteunende structuren worden gevormd.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. monteren en afdichten van de Hydrogel-apparaat
<ol><li>Om te assembleren en verzegel het apparaat, eerst verwijderen van de bovenste substraat (PDMS beklede glas) en pre-gevormde hydrogel onderdelen (bijvoorbeeld gears, ijzer-doped onderdelen) op de ondersteunende structuren (deel (i), stap 4, figuur 3A plaats met een paar pincet ). Opmerking: Een permanente magneet kan worden gebruikt voor het uitlijnen van alle ijzer-doped onderdelen (Zie ijzeroxide doping van hydrogel componenten voor fabricage stappen).</li>
	<li>Gewenste hoogte van het gemonteerde apparaat met behulp van de micrometer schroef gauge zegel van het apparaat, eerst brengen het substraat van de bodem naar de finale. Dit moet de uiteindelijke hoogte van de inrichting, rekening houdend met de dikte van de lagen, inwendige onderdelen en eventuele verklaringen gegeven voor het verplaatsen van componenten (Z4en stap 5, figuur 3A)<ol>
<li>Plaats de pre-gevormde hydrogel laag gehouden op de onbehandelde glas dekglaasje aan van 5.1 op het gedeeltelijk gemonteerde apparaat (onderdeel (ii), stap 4, figuur 3A). Zorgvuldig plaatst de pre-gevormde laag zodanig dat het correct is uitgelijnd met de structuren eronder.</li>
		<li>Plaats een photomask die zorgt voor de afdichting van het apparaat, maar beschermt de bewegende onderdelen van UV blootstelling interieur. Ervoor zorgen dat de bewegende onderdelen zijn niet polymeervorm aan de randen van het apparaat, voorkomen van hun verkeer tijdens bediening.</li>
		<li>De structuur van de gehele aan UV-licht (deel (i), stap 5, figuur 3A).</li>
		<li>Heffen het glas dekglaasje aan vanaf het stadium van de fabricage. De verzegelde apparaat moet voldoen aan de hoogste substraat ((onderdeel (ii), stap 5, figuur 3A). Opmerking: Als het apparaat aan de onderkant ondergrond gekleefd blijft, Trek voorzichtig het apparaat met een paar flat-tipped (niet-gekarteld) pincet of een platte spatel.</li>
		<li>Verwijder voorzichtig de overtollige Ongepolymeriseerd PEGDA met behulp van vacuüm zuig en trek voorzichtig het apparaat uit het glas dekglaasje aan met behulp van een paar platte pincet of platte spatel.</li>
		<li>Plaats het apparaat in zoutoplossing of DI-water. Hydrogels zwellen in oplossing. Laat het apparaat in de oplossing gedurende ten minste 30 minuten voor stabilisatie en uitbreiding van het apparaat en de inwendige onderdelen. Opmerking: Als het apparaat moet worden gebruikt voor in-vivo -implantatie, het is belangrijk te spoelen en leach uit elke uncrosslinked prepolymeren. Dit kan worden gedaan door het veranderen van de oplossing waarin het apparaat is geïncubeerd in elk uur (ten minste 3 spoelen) en het verlaten van het apparaat in oplossing overnachting en spoeldouche af met meer oplossing.</li>
		<li>Lucht in het apparaat verwijderen door het plaatsen van het apparaat in een petrischaal gevuld met DI water of zoutoplossing binnen een vacuuemcel (verbonden met Centraal Laboratorium vacuüm-systemen) gedurende ten minste 30 minuten. Dit zal resulteren in het ontgassen van het apparaat en het apparaat zal worden gevuld met oplossing zodra negatieve druk wordt verwijderd. Opmerking: Houd het apparaat gehydrateerd/in oplossing te allen tijde. Het apparaat kan kraken moet het worden overgelaten om te drogen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>7. ijzeroxide Doping Hydrogel onderdelen
<ol><li>Bereid een oplossing PEGDA prepolymer met 1% photoinitiator (bijvoorbeeld 99% (v/v) PEGDA (400 Da) met 1% Darocur 1173).<ol>
<li>Met behulp van deze prepolymer oplossing, maken een oplossing van 5% (m/v) van ijzeroxide (II, III) nanoparticle oplossing. Weeg 5 mg van ijzeroxide nanodeeltjes en voeg 100 µL van PEGDA prepolymeren. Pipetteer omhoog en omlaag en vortex om uniforme mengen.</li>
		<li>Zorg ervoor dat de nanodeeltjes zijn homogeen verspreid binnen de PEGDA prepolymeren vóór elk gebruik zoals nanoparticles sediment zal na verloop van tijd.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Pipetteer een klein volume van de ijzeroxide - PEGDA prepolymer mengsel op het substraat van de bodem van de PDMS kamer.</li>
	<li>Dekking van het PDMS goed met het hoogste substraat (PDMS beklede glas) om ervoor te zorgen dat de gevormde hydrogels op het substraat van de bodem blijven.</li>
	<li>Het substraat van de bodem naar de gewenste hoogte met behulp van de micrometer hoofd brengen. Opmerking: Dunne lagen (200 µm) van ijzeroxide-doped PEGDA moeten worden polymeervorm met elke eenmalige blootstelling. Dit is te wijten aan de daling in de diepte van de penetratie van de UV-licht als de ijzeroxide nanodeeltjes zijn ondoorzichtig en zijn in staat om te absorberen en blokkeren UV-licht.</li>
	<li>Met behulp van een photomask die definieert de vorm van het segment te worden doped met ijzeroxide binnen de bewegende component, bloot de dunne laag van ijzeroxide gedoopt prepolymeren aan UV-licht (Figuur 4(i)). Opmerking: UV blootstellingstijd moet worden verhoogd om ervoor te zorgen dat het ijzer-doped segment is volledig kruislings gekoppelde (~ 10 seconden).</li>
	<li>Het substraat van de bodem lager en herhaal stap 6, gebouw de ijzer-doped segment in dunne lagen telkens naar de gewenste hoogte (Figuur 4(ii)). Een totaal van 5 lagen moet worden polymeervorm zodanig dat deze een 1mm hoog ijzer-doped segment.</li>
	<li>Nadat het IJzeren-doped segment is voltooid (Figuur 4(iii)), verwijder alle overtollige ijzer-doped prepolymeren met behulp van vacuüm zuigkracht. Verwijder niet het ijzer-doped segment uit de fase van de fabricage.</li>
	<li>Stort de PEGDA prepolymeren (ongedoopt) op de gepolymeriseerde ijzer-doped segment. Breng het substraat van de bodem aan de uiteindelijke hoogte van de component die moet worden voltooid. Dekking van het PDMS goed met het hoogste substraat (PDMS beklede glas).</li>
	<li>Met behulp van een photomask die de hele shape van de bewegende component definieert, bloot de PEGDA prepolymeren, evenals het ijzer-doped segment, UV-licht (Figuur 4(iv)).</li>
	<li>Verwijder het bovenste substraat en overtollige Ongepolymeriseerd PEGDA prepolymeren met behulp van vacuüm zuigkracht. Een PEG-component met een gedoopt ijzeroxide segment moet blijven op het substraat van de bodem. Zachtjes til dit onderdeel met behulp van een pincet.</li>
	<li>Reserveren van deze ijzer-doped component voor montage op ondersteunende structuren van een PEG-apparaat (deel (i), stap 4, figuur 3A). Dit onderdeel van licht schild en zorgen dat het wordt bevochtigd met uncrosslinked prepolymeren vóór gebruik blijft.</li>
</ol>8. inwerkingstelling van het gemonteerde apparaat
Let op: De ijzer-doped componenten binnen het gemonteerde apparaat kunnen worden bediend als wilt verplaatsen met behulp van een sterke permanente magneet zoals neodymium (N52 sterkte). Wees voorzichtig om te voorkomen dat knijpen gevaren zoals deze magneten zeer sterk aangetrokken tot Ferromagnetische materialen zijn.
<ol><li>Plaats een neodymium magneet onder of boven het apparaat binnen 1-2 cm uit de buurt van het apparaat. Terwijl het bewegen van de magneet, moet het verkeer van de ijzer-oxide gedoopt onderdelen schaduw de beweging van de magneet. Opmerking: Een actuator kan worden gebouwd met behulp van een motor die is aangesloten met een magneet. De rotatie van de motor ruimte laten voor roterende aandrijving van de ijzeren gedoopt component.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Elman, N. M., Ho Duc, H. L., Cima, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+implantable+MEMS+drug+delivery+device+for+rapid+delivery+in+ambulatory+emergency+care.">An implantable MEMS drug delivery device for rapid delivery in ambulatory emergency care.</a> Biomedical Microdevices. 11 (3), 625-631 (2009).</li><li>Gensler, H., Sheybani, R., Li, P. Y., Mann, R. L., Meng, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+implantable+MEMS+micropump+system+for+drug+delivery+in+small+animals.">An implantable MEMS micropump system for drug delivery in small animals.</a> Biomedical Microdevices. 14 (3), 483-496 (2012).</li><li>Grayson, A. C. R., 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=BioMEMS+review:+MEMS+technology+for+physiologically+integrated+devices.">BioMEMS review: MEMS technology for physiologically integrated devices.</a> Proceedings of the IEEE. 92 (1), 6-21 (2004).</li><li>Frost, M., Meyerhoff, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+chemical+sensors:+tackling+biocompatibility.">In vivo chemical sensors: tackling biocompatibility.</a> Analytical Chemistry. 78 (21), 7370-7377 (2006).</li><li>Voskerician, G., 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=Biocompatibility+and+biofouling+of+MEMS+drug+delivery+devices.">Biocompatibility and biofouling of MEMS drug delivery devices.</a> Biomaterials. 24 (11), 1959-1967 (2003).</li><li>Ainslie, K. M., Desai, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfabricated+implants+for+applications+in+therapeutic+delivery,+tissue+engineering,+and+biosensing.">Microfabricated implants for applications in therapeutic delivery, tissue engineering, and biosensing.</a> Lab Chip. 8 (11), 1864-1878 (2008).</li><li>Burdick, J. A., Anseth, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoencapsulation+of+osteoblasts+in+injectable+RGD-modified+PEG+hydrogels+for+bone+tissue+engineering.">Photoencapsulation of osteoblasts in injectable RGD-modified PEG hydrogels for bone tissue engineering.</a> Biomaterials. 23 (22), 4315-4323 (2002).</li><li>Drury, J. L., Mooney, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogels+for+tissue+engineering:+scaffold+design+variables+and+applications.">Hydrogels for tissue engineering: scaffold design variables and applications.</a> Biomaterials. 24 (24), 4337-4351 (2003).</li><li>Alcantar, N. A., Aydil, E. S., Israelachvili, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polyethylene+glycol-coated+biocompatible+surfaces.">Polyethylene glycol-coated biocompatible surfaces.</a> Journal of Biomedical Materials Research Part A. 51 (3), 343-351 (2000).</li><li>Cruise, G. M., 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=In+vitro+and+in+vivo+performance+of+porcine+islets+encapsulated+in+interfacially+photopolymerized+poly(ethylene+glycol)+diacrylate+membranes.">In vitro and in vivo performance of porcine islets encapsulated in interfacially photopolymerized poly(ethylene glycol) diacrylate membranes.</a> Cell Transplantation. 8 (3), 293-306 (1999).</li><li>Hoare, T. R., Kohane, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogels+in+drug+delivery:+Progress+and+challenges.">Hydrogels in drug delivery: Progress and challenges.</a> Polymer. 49 (8), 1993-2007 (2008).</li><li>Ryu, W., Huang, Z., Prinz, F. B., Goodman, S. B., Fasching, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biodegradable+micro-osmotic+pump+for+long-term+and+controlled+release+of+basic+fibroblast+growth+factor.">Biodegradable micro-osmotic pump for long-term and controlled release of basic fibroblast growth factor.</a> Journal of Controlled Release. 124 (1-2), 98-105 (2007).</li><li>Lee, J. W., Park, J. H., Prausnitz, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dissolving+microneedles+for+transdermal+drug+delivery.">Dissolving microneedles for transdermal drug delivery.</a> Biomaterials. 29 (13), 2113-2124 (2008).</li><li>Hinton, T. J., 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=Three-dimensional+printing+of+complex+biological+structures+by+freeform+reversible+embedding+of+suspended+hydrogels.">Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels.</a> Science Advances. 1 (9), e1500758 (2015).</li><li>Tseng, H., 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=Fabrication+and+mechanical+evaluation+of+anatomically-inspired+quasilaminate+hydrogel+structures+with+layer-specific+formulations.">Fabrication and mechanical evaluation of anatomically-inspired quasilaminate hydrogel structures with layer-specific formulations.</a> Annals of Biomedical Engineering. 41 (2), 398-407 (2013).</li><li>Grogan, S. P., 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=Digital+micromirror+device+projection+printing+system+for+meniscus+tissue+engineering.">Digital micromirror device projection printing system for meniscus tissue engineering.</a> Acta Biomaterialia. 9 (7), 7218-7226 (2013).</li><li>Chin, S. Y., 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=Additive+manufacturing+of+hydrogel-based+materials+for+next-generation+implantable+medical+devices.">Additive manufacturing of hydrogel-based materials for next-generation implantable medical devices.</a> Science Robotics. 2 (2), (2017).</li><li>Diogo, G. S., Gaspar, V. M., Serra, I. R., Fradique, R., Correia, I. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Manufacture+of+beta-TCP/alginate+scaffolds+through+a+Fab@home+model+for+application+in+bone+tissue+engineering.">Manufacture of beta-TCP/alginate scaffolds through a Fab@home model for application in bone tissue engineering.</a> Biofabrication. 6 (2), 025001 (2014).</li><li>Hockaday, L. 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=Rapid+3D+printing+of+anatomically+accurate+and+mechanically+heterogeneous+aortic+valve+hydrogel+scaffolds.">Rapid 3D printing of anatomically accurate and mechanically heterogeneous aortic valve hydrogel scaffolds.</a> Biofabrication. 4 (3), 035005 (2012).</li></ol>

De auteurs hebben niets te onthullen

Deze techniek is een facile en snelle methode voor laag-voor-laag fotolithografie van hydrogel microstructuren. Met behulp van een additief manufacturing aanpak, kunnen we gemakkelijk bouwen een scala aan 3D-structuren uit biocompatibel materiaal en zelfs het nemen van bewegende delen. Hierdoor zouden dus de vorming van volledig biocompatibel microdevices. De techniek is gebaseerd op eenvoudige herhaling van lithografie stappen, die is ingeschakeld door de nauwkeurige controle van de hoogte van het substraat van de bodem via een micrometer hoofd. Traditionele fabrication technieken die worden gebruikt in de MEMS-industrie, waarbij harde verwerking technieken en opofferende materialen, is vaak niet compatibel is met de verwerking van zachte hydrogels. Andere methoden voor 3D printing hydrogels, zoals extrusie gebaseerde methoden, zijn beperkt tot ruimtelijke resoluties boven 200 µm en afdruksnelheden van mm/s voor eenvoudige structuren die bevatten geen bewegende onderdelen18,19. Stereolithografie (SLA) en digitale lichte project (DLP) gebaseerd bioprinters misschien kunnen bereiken van betere resoluties maar zijn ook een stuk duurder te installeren. Deze fabricage-strategieën zijn ook niet kundig voor prent gemakkelijk overhangen zonder substraat ondersteuningsmaterialen, die moeilijk in te voeren en het verwijderen van het afgesloten apparaat zou kunnen zijn. We omzeilen dit door uitlijnen en actinemonomeren van een pre-gevormde afdichtende laag verzonnen ondersteunende structuur als een definitieve stap naar de vormen van het afgesloten apparaat. Het ontwerp van de fabricage set-up geeft de gebruiker gemakkelijk toegang tot de verzonnen structuren en zorgt voor de gemakkelijke uitlijning van verschillende onderdelen met het gebruik van uitlijning merken.
De strategie die hier gepresenteerd is ook een stuk sneller dan andere technieken van soortgelijke resoluties; de totale tijd genomen voor de bewezen vervaardiging van het apparaat met een roterende is ongeveer 15 minuten. Een ander voordeel van deze strategie van de fabricage, hoewel niet aangetoond in dit protocol maar weergegeven in onze eerdere werk17, is de mogelijkheid voor de gebruiker snel en gemakkelijk veranderen de soort polymeer dat wordt gebruikt tussen stappen die kunnen worden gedaan in kleine hoeveelheden toegevoegd . Op deze manier kan men apparaten die een samenstelling van verschillende soorten hydrogels dit creëren. Het apparaat vervaardigd gebruikend deze strategie ook heeft het toegevoegde voordeel van contactloze aandrijving zoals de versnelling een segment dat is doped met ijzeroxide nanodeeltjes bevat, waardoor de versnelling gevoelig voor magnetische aandrijving en dus kan worden bediend met behulp van een externe magneet. Bovendien, kan het apparaat is heel biocompatibel en vandaar veilig geïmplanteerde in vivo.
Een belangrijk kenmerk van deze techniek is de behandeling van de verschillende glazen substraten, waarmee de gebruiker bij voorkeur houden of afstoten van de gepolymeriseerde hydrogel aan de onderste of bovenste glas substraat. Wanneer een combinatie van onbehandelde glas wordt gebruikt met een PFOTS-behandelde glazen oppervlak (onderkant substraat), zal bij voorkeur gevormde hydrogels voldoen aan onbehandelde glas, zoals ze afgeslagen van het gefluoreerde oppervlak van glas PFOTS-behandeld zijn. Omgekeerd, wanneer PDMS beklede glas wordt gebruikt met een PFOTS-behandelde bodem substraat, hydrogels zal neiging om blijven op het oppervlak van PFOTS-behandeld zoals PDMS oppervlakken sterker af te de gevormde hydrogels weren. Deze functie maakt het mogelijk om te bouwen naar boven, hydrogels houden zodat ze zijn geïmmobiliseerd op glazen substraten en gereserveerd kunnen worden voor aanpassing aan andere structuren op een later moment in de tijd, of zelfs de bouw van naar beneden. Dit wordt toegevoegd aan de flexibiliteit van de techniek en de soorten ontwerpen die kunnen worden vervaardigd, alsmede in staat stelt de opneming en de afdichting in voor onafhankelijke, vrije voortbewegende hydrogel onderdelen.
Tijdens de fabricage van laag-voor-laag is het belangrijk voor het optimaliseren van de polymerisatie-tijd gebruikt. Hydrogels mag optimaal kruislings gekoppelde vormen ze op volledige dikte en high-fidelity in vergelijking met de shapes die zijn gedefinieerd door de photomask. Dit is afhankelijk van de kracht van de lamp en het type hydrogel gebruikt. Hoewel in dit protocol niet wordt weergegeven, wordt de tijd van de polymerisatie afneemt met toenemende macht van de lamp en neemt toe met toenemende PEG ketenlengte en PM10 PEGDA gebruikt. Andere factoren die invloed hebben op de hoeveelheid energie beschikbaar voor photopolymerization, zoals de verandering in de dekking van de prepolymeren als gevolg van de toevoeging van ijzeroxide nanodeeltjes (Figuur 4), zal ook van invloed op de tijd van de polymerisatie. Optimalisatie voor voorwaarden voor verschillende hydrogel composities dwarsbinding is dus vereist vóór het begin van het fabricageproces van apparaten.
Uitlijning merken op de fotomaskers gebruikt en de juiste uitlijning van de hydrogel lagen, met name de laatste afdichtende laag, zijn belangrijk om ervoor te zorgen dat goede afdichting wordt uitgevoerd, en de inwendige onderdelen niet per ongeluk kruislings op de omliggende ondersteuningsstructuren tijdens het fabricageproces. Dit zou voorkomen dat deze onderdelen vrij bewegen tijdens magnetische aandrijving. Zoals afgebeeld in Figuur 5, resulteert een uitgelijnd top afdichten van laag- en photomask in het crosslinking en verankering van een gedeelte van de versnelling aan het bulkmateriaal van het apparaat zelf. Deze versnelling doet dientengevolge niet draaien wanneer bediend met een magneet.
De apparaten kunnen worden bediend met behulp van sterke permanente magneten zoals neodymium-magneten. Deze magneten genereren van sterke magnetische krachten bij korte afstand tot Ferromagnetische materialen en zorg moet worden genomen ter voorkoming van schade. Het apparaat kan worden bediend als wilt verplaatsen zonder de magneet komt in contact met het apparaat; de magneet kan worden gehouden of ~ 1cm afstand van het apparaat. De bewegingen van de ijzer-doped componenten kan moeten voldoen aan de beweging van de magneet en worden bediend ga continu of met tussenpozen zo gewenste georiënteerde. Het apparaat kan handmatig worden bediend of een frontale opstelling kan worden gebruikt. De magneet kan worden aangesloten op een actuator (bijvoorbeeld servomotor) aan roterende beweging. De snelheid van de rotatie van de magneet, en dus de snelheid van de rotatie van de ijzer-doped component, kan worden gecontroleerd met behulp van een microcontroller. Dit biedt een nauwkeuriger methode van aandrijving.
Figuur 8 toont schema's en beelden van verschillende ontwerpen van eerdere werkzaamheden die waren vervaardigd gebruikend deze zelfde techniek en tonen van de veelzijdigheid van deze methode. Deze ontwerpen variëren van eenvoudige apparaten die vergelijkbaar zijn met kleppen (figuur 8A) naar meer gecompliceerde en geavanceerde ontwerpen die inspiratie kunnen putten uit de Genève station ontwerp (figuur 8D) die bestaan uit 2 betrokken versnellingen die intermitterende produceren verkeer. De kleinste functies die kunnen worden gegenereerd met behulp van deze techniek waren meestal ongeveer 100 µm en elk ontwerp bestaat uit meerdere lagen (3 tot 6 lagen). Verschillende soorten hydrogel composities (met verschillende mechanische sterke en porositeit) kunnen ook worden polymeervorm en verbonden met elkaar. Vandaar, een gemakkelijk is te combineren de soorten hydrogels binnen een apparaat afhankelijk van de vereiste functie van de verschillende onderdelen binnen het apparaat moet worden gebruikt.

MEMS devices gevonden een veelheid van toepassingen met name op het gebied van medische hulpmiddelen. Hoewel ze lenen veel toegevoegde functionaliteiten en de verkleinde aard van deze apparaten maken hen aantrekkelijk voor gebruik als implantables1,2,3, deze apparaten vaak hebben inherente veiligheid en biocompatibiliteit problemen, zoals ze zijn samengesteld uit materialen die schadelijk voor het menselijk lichaam (bijvoorbeeld metalen, batterijen, enz.)4,5,6 zijn kunnen. PEG gebaseerde hydrogels zijn gezwollen polymeer vloeistof netwerken en zijn vaak gebruikt voor toepassingen zoals weefsel engineering steigers grotendeels ten dele te wijten aan hun hoge biocompatibiliteit7,8. PEG gebaseerde hydrogels geweest ook FDA-goedgekeurd voor gebruik in mens9,10,11. Echter, als gevolg van de eigenschappen van het materiaal hydrogel, ze doen niet gemakkelijk weerstaan normale productieprocessen zoals technieken die worden gebruikt in typische silicium gebaseerde microfabrication. Dus, hydrogel gebaseerde constructies zijn meestal beperkt tot eenvoudige monolithische platforms. Huidige inspanningen op microfabrication van hydrogels hebben geresulteerd in structuren met micron middelgrote functies; deze structuren zijn echter vaak van een enkellaags en een enkele materiële12,13 en ontbreken bewegende onderdelen14,15,16.
In een eerdere werk beschrijven we een strategie voor het fabriceren van micromachines dat geheel uit een biocompatibele PEG gebaseerde hydrogel materiaal17 bestaat. Micron en middelgrote functies kunnen worden vervaardigd gemakkelijk met behulp van een methode fotolithografie en deze structuren kunnen worden gebouwd naar boven met een laag-voor-laag methode, ingeschakeld door de beweging van de precieze z-as van het substraat waarop de hydrogels zijn polymeervorm. Hydrogels van verschillende composities kunnen naast elkaar worden vervaardigd. Daarnaast hebben deze apparaten bewegende onderdelen die kunnen worden bediend met behulp van een externe magneet. Deze veelzijdige techniek is ook geschikt voor verwerking van zacht materiaal of hydrogel thats foto-polymerizable. Deze techniek is dus zeer geschikt voor het fabriceren van geavanceerde MEMS-achtige apparaten bestaan geheel uit hydrogels.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:952px;" width="952">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:264px;">Poly(ethylene glycol) (n) diacrylate [MW 400Da]</td>
			<td style="width:177px;">Polysciences, Inc</td>
			<td style="width:107px;">01871-250</td>
			<td style="width:404px;">PEGDA reagent for prepolymer</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:264px;">Darocur 1173</td>
			<td style="width:177px;">Ciba Specialty Chemicals, Inc</td>
			<td style="width:107px;">-</td>
			<td>Photoinitiator</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:264px;">Iron oxide (II, III)</td>
			<td style="width:177px;">Sigma Aldrich</td>
			<td>637106-25G&#160;</td>
			<td>Iron oxide nanoparticles</td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;">Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane</td>
			<td style="width:177px;">Sigma Aldrich</td>
			<td>448931</td>
			<td style="width:404px;">Fluorinated compound that is used to vapor silanize the PDMS chamber to prevent adhesion of hydrogel to the glass coverslip that is bonded to the flexible PDMS membrane with prolonged use of the PDMS chamber</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Petri dish, glass</td>
			<td style="width:177px;">Sigma Aldrich</td>
			<td>BR455743</td>
			<td>Glass petri dishes for casting PDMS layers for forming PDMS chamber</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:264px;">Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit (PDMS)</td>
			<td style="width:177px;">Dow Corning</td>
			<td style="width:107px;">240-4019862</td>
			<td>PDMS for fabrication chamber</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:264px;">Glass coverslips (No. 2), 50 x 45 mm</td>
			<td style="width:177px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:107px;">FIS#12-543F</td>
			<td>Glass substrates that cover the fabrication chamber</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Fisherbrand Straight Flat Tip Forceps 4.75in</td>
			<td style="width:177px;">Fisher Scientific</td>
			<td>FIS#16-100-112</td>
			<td>Tweezers for handling polymerized hydrogel layers/devices</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:264px;">Omnicure S2000</td>
			<td style="width:177px;">Cadence Technologies Pte Ltd</td>
			<td>010-00148R</td>
			<td>UV lamp</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">5 mm Adjustable Collimating Adaptor</td>
			<td style="width:177px;">Cadence Technologies Pte Ltd</td>
			<td>810-00042</td>
			<td>Collimator for UV lightsource</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:264px;">Photomasks</td>
			<td style="width:177px;">CAD/Art Services Inc</td>
			<td style="width:107px;">-</td>
			<td>Photomasks used to define hydrogel microstructures</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Adobe Illustrator</td>
			<td style="width:177px;">Adobe</td>
			<td style="width:107px;">-</td>
			<td>Designing of photomasks</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an additive manufacturing technique for the facile and rapid fabrication of hydrogel-based micromachines with magnetically responsive components

Polyethyleenglycol (PEG)-gebaseerde hydrogels zijn biocompatibel hydrogels die zijn goedgekeurd voor gebruik bij de mens door de FDA. Typische PEG gebaseerde hydrogels hebben eenvoudige monolithische architecturen en vaak een functie als steigers materialen voor weefsel technische toepassingen. Meer geavanceerde structuren nemen meestal een lange tijd te fabriceren en te doen geen bewegende onderdelen bevatten. Dit protocol beschrijft een fotolithografie methode waarmee voor facile en snelle microfabrication van PEG structuren en apparaten. Deze strategie omvat een in-house ontwikkelde fabricage stadium dat voorziet in de snelle fabricage van 3D structuren door te bouwen naar boven in een laag-voor-laag-mode. Onafhankelijk bewegende onderdelen kan ook worden uitgelijnd en gemonteerd op ondersteunende structuren om te vormen van de geïntegreerde apparaten. Deze onafhankelijke componenten zijn doped met superparamagnetische ijzeroxide nanodeeltjes die gevoelig voor magnetische aandrijving zijn. Op deze manier kunnen de gefabriceerde apparaten worden bediend met behulp van externe magneten opleveren van de bewegingen van de componenten binnen. Vandaar, deze techniek maakt het mogelijk voor de fabrikatie van verfijnde MEMS-achtige apparaten (micromachines) die bestaan volledig uit een biocompatibele hydrogel, kunnen functioneren zonder een onboard energiebron, en te reageren op een contact-minder methode van aandrijving. Dit manuscript beschrijft de fabricage van zowel de fabricage set-up evenals de stapsgewijze methode voor de microfabrication van deze MEMS-achtige hydrogels gebaseerde apparaten.

Figuur 3B toont beelden van de lagen van polymeervorm met behulp van de fabricage set-up hydrogels. Figuur 3B (i) toont een verzonnen 400 µm dik basislaag met een 600 µm diafragma. Figuur 3B (ii) toont nog eens twee lagen die werden extra boven op de basislaag; een hoog omtrek van 500 µm en een 800 µm lang as in het midden. De totale productie tijd voor deze drie lagen was minder dan 3 minuten, rekening houdend met 4 seconden van de blootstelling voor elke laag en de termijnen voor het aanpassen van de hoogte van het substraat van de bodem en de uitlijning van fotomaskers. Vorige werk uitgevoerd op de dezelfde fabricage set-up toont aan dat een verscheidenheid aan ontwerpen kan worden vervaardigd met resoluties maar liefst 100 µm.
De hydrogel componenten kunnen ook gemakkelijk worden doped met ijzeroxide nanodeeltjes. De belichtingstijden werden geoptimaliseerd om ervoor te zorgen van dunne lagen (200 µm) van PEGDA prepolymeren doped met ijzeroxide nanodeeltjes volledig kunnen worden polymeervorm. Figuur 5A toont de photomask gebruikt voor het definiëren van de vorm van het segment van de ijzeroxide moet worden polymeervorm. De un-gedoopt PEGDA prepolymeren kan volledig worden polymeervorm binnen 4 seconden van de blootstelling van UV. Echter, wanneer de ijzeroxide gedoopt prepolymeren was blootgesteld gedurende 4 seconden UV-, de resulterende hydrogel was niet volledig polymeervorm, zoals te zien is in figuur 5C. Het segment dat gegenereerd werd dunner (in vergelijking met een volledig kruislings gekoppelde segment dat is weergegeven in figuur 5B), en de randen waren ongelijk verdeeld met gecompromitteerde trouw ten opzichte van de shape die is gedefinieerd door de photomask. UV blootstelling van 10 seconden moest volledig Kruis koppeling het segment ijzeroxide en figuur 5B toont het ijzeroxide segment dat werd gegenereerd; de gepolymeriseerde ijzeroxide segment is van volledige dikte (200 µm) met rechte randen en vorm trouw nauw wordt gehandhaafd ten opzichte van de photomask (figuur 5A). Omgekeerd, overbelichting (> 15 seconden) aan UV-licht gegenereerd ijzeroxide segmenten die waren meer dan polymeervorm. Figuur 5D toont een segment dat heeft slechte vorm trouw en groter is dan de vorm gedefinieerd door de photomask polymeervorm.
Figuur 6A toont een complete inrichting na verzegeling met juiste groepering met behulp van fotomaskers met uitlijning merken. De versnelling binnen het apparaat is volledig binnen de centrale leegte van het apparaat en dus inspelen op magnetische aandrijving. Figuur 6B toont een apparaat met een uitgelijnd afdichtende laag. Figuur 6 c toont de onderste lagen van hydrogel en het vistuig zelf toegelicht met zwarte lijnen en cijfer 6D toont de uitgelijnd verzegeling van de laag van de bovenste hydrogel toegelicht in witte omtrekken. Zoals blijkt uit figuur 6D, gedeelten van de versnelling die vallen binnen de regio's waar polymerisatie zou plaatsvinden tijdens de verzegeling (getoond in rode vulling) resultaten in gedeelten van het vistuig wordt verankerd aan het grootste deel van het materiaal hydrogel. Hiermee voorkomt u dat de versnelling bewegen tijdens bediening.
Afbeelding 7 toont een functionele interne versnelling apparaat dat werd vervaardigd (totale fabricage tijd ~ 15 minuten). De totale dikte van het apparaat is 2 mm en de langste dimensie van de apparaat is 13 mm. De lagen van het boven- en onderkant van het apparaat is 400 µm dik en de versnelling heeft een hoogte van 1 mm. Dit ontwerp zorgt voor een afstand van 100 µm op het oppervlak van het boven- en onderkant van het vistuig om beweging mogelijk te maken. De meeste toplaag van het apparaat heeft een 600 µm diafragma en de as voor de versnelling is 400 µm in diameter. Figuur 5B toont beelden van het apparaat wanneer het in werking wordt gesteld met een magneet zodat de versnelling een volledige omwenteling voert als kunnen worden waargenomen vanuit de verandering in de positie van het segment van de ijzeroxide van (i) door (vi).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig1.jpg"> Figuur 1 . Fabricage set-up voor hydrogel gebaseerde micromachines. A) schema van fabricage fase. Dit schema ziet u de verschillende onderdelen van de set-up van de fabricage met inbegrip van het PDMS kamer waarin de hydrogels worden gevormd binnen het gebied van de fabricage, een vacuüm ingeschakelde fase die ingedrukt de PDMS kamer houdt evenals hecht het flexibele membraan om een micrometer hoofd ter hoogte van verontreiniging en boven substraat dat bestaat uit een glas dekglaasje aan dat is onbehandeld of bekleed met PDMS. B) Schematische voorstelling van het bovenaanzicht van de fase van de fabricage (zonder PDMS kamer). De UV-lichtbron bevindt dan zodanig dat het incident hoek van het licht loodrecht op het horizontale vlak van de fase van de fabricage (niet afgebeeld in figuur). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig2.jpg"> Figuur 2 . Schematische van single-gear hydrogel gebaseerde apparaat en gebruikt voor elke laag fotomaskers. A) schema van de top - en oblique-view van een typische hydrogel-gebaseerd apparaat dat kan worden vervaardigd met behulp van deze strategie. Dit apparaat bestaat uit een enkele versnelling waarin een ijzeren-doped segment die voor magnetische controle zorgt. B) Schematische voorstelling van de afzonderlijke lagen en componenten binnen het apparaat. Deze single-gear-apparaat bestaat uit een top verzegeling laag (i), ondersteunende structuren zoals de post voor de ijzer-doped versnelling en de muren van het apparaat (ii) evenals een onderste laag (iii). C) Photomask ontwerpen gebruikt voor het fabriceren van het single-gear-apparaat. De fotomaskers zijn ontworpen dark field; gewenste functies zitten transparant zijn, terwijl de achtergrond donker is. Dit paneel toont de ontwerpen van de photomask overeenkomt met de bovenkant verzegelen laag (i), ondersteunende structuren (ii) en onderste laag (iii). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig3.jpg"> Figuur 3 . Laag-voor-laag fotolithografie van hydrogel gebaseerde micromachines. A) schema van stapsgewijze proces voor apparaat fabricage binnen het gebied van de fabricage van de PDMS kamer. 1: een klein volume van PEGDA prepolymeren is afgepipetteerde op het glas dekglaasje aan gebonden aan de flexibele membraan van de PDMS kamer (onderkant substraat). Een stuk van onbehandelde glas dekglaasje aan wordt gebruikt als het bovenste substraat en een photomask is geplaatst op de top van dit top substraat. De hoogte van het substraat van de bodem wordt naar de gewenste hoogte (Z1) met de micrometer hoofd gebracht. De hydrogel prepolymeren wordt vervolgens blootgesteld aan UV-licht door de photomask. Het bovenste substraat kan vervolgens worden getild het PDMS kamer en de hydrogel blijft in acht de bovenste substraat (inzet genomen). Deze laag is dan gereserveerd voor later gebruik. 2: stap 1 wordt herhaald, maar het bovenste substraat wordt nu vervangen door PDMS-gecoat glas. De gepolymeriseerde hydrogel blijft aan de onderkant ondergrond gekleefd. 3: de hoogte van het substraat van de bodem wordt verlaagd (Z2> Z1) en meer prepolymeren kan worden toegevoegd aan het gebied van de fabricage. Een tweede photomask wordt gebruikt en de prepolymeren is blootgesteld aan UV-licht nogmaals. 4: stap 3 kan worden herhaald (Z3 > Z2) totdat de gewenste ondersteunende structuren zijn gemaakt. (i) zodra de ondersteunende structuren zijn voltooid, kan het bovenste substraat worden verwijderd als u wilt toestaan voor toegang tot de fabricage gebied voor invoering van voorgevormde hydrogel onderdelen (bijvoorbeeld ijzer-doped versnelling). (ii) zodra de voorgevormde onderdelen zijn geplaatst en correct wordt uitgelijnd, kan de hydrogel laag vanaf stap 1 worden geplaatst op de top van de gefabriceerde structuur en uitgelijnd. 5: alle lagen zijn vervolgens blootgesteld aan UV-licht door middel van een photomask dat de zeehonden van de randen van het apparaat. (i) de afdichting stap bezegelt het hele apparaat terwijl de inwendige onderdelen zijn beschermd tegen verdere blootstelling van UV. (ii) het verzegelde apparaat kan vervolgens worden opgeheven uit de kamer van de fabricage zoals hij bij voorkeur de bovenste substraat zal naleven. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig4.jpg"> Figuur 4 . Stappen voor ijzer-oxide nanoparticle doping van hydrogel componenten. (i) UV-licht wordt blootgesteld door middel van een photomask definiëren het ijzeroxide-doped segment binnen de hydrogel versnelling. (ii) dun (200 µm) lagen van ijzeroxide-doped hydrogel is polymeervorm elke keer en op elkaar gestapeld. (iii) de laag van dunne lagen een segment gemaakt met de totale hoogte van 1 mm. Dit segment is links in de fabricage-laag. (iv) niet-gedoopt prepolymeren is vervolgens gestort op het gebied van fabricage en een photomask waarin de volledige vorm van het vistuig wordt dan gebruikt tijdens dwarsbinding. Hierdoor is de vorming van de volledige uitrusting met een ijzeroxide-doped segment. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig4large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig5.jpg"> Figuur 5 . Photopolymerization van ijzeroxide-doped hydrogel componenten. A) Photomask van vistuig segment te worden doped met ijzeroxide nanodeeltjes. B) ijzeroxide-doped hydrogel die optimaal is geweest polymeervorm (10 s blootstelling). C) ijzeroxide-doped hydrogel die al onder-polymeervorm (4 s blootstelling). D) ijzeroxide-doped hydrogel die is geweest polymeervorm overdreven (20 s blootstelling). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig5large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig6.jpg"> Figuur 6 . Uitlijning hydrogel lagen tijdens afdichting van apparaat. A) afbeelding toont de juiste uitlijning van hydrogel lagen met gratis voortbewegende vistuig dat is volledig binnen de leegte van het apparaat. B) weergegeven: beeldapparaat met uitgelijnd hydrogel lagen (B, C en D zijn beelden van hetzelfde apparaat maar met verschillende lagen gemarkeerd). C) hetzelfde beeld zoals in (B) maar met zwarte lijnen ophelderen van de onderste lagen die correct zijn uitgelijnd. De versnelling is correct geplaatst binnen de onderste lagen. D) hetzelfde beeld zoals in (B) maar met witte omtrekken tonen de uitgelijnd toplaag hydrogel. De versnelling heeft gedeeltelijk zijn polymeervorm tijdens de verzegeling stap en gedeelten van het vistuig (rode vulling) heeft zijn verankerd aan het bulkmateriaal van het apparaat. Dit maakt het apparaat niet-functioneel. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig6large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig7.jpg"> Figuur 7 . Bediening van een één-versnelling hydrogel gebaseerde micromachine. A) afbeelding toont het verzonnen apparaat. B) afbeeldingen tonen de verschillende richtsnoeren van de versnelling op de bediening. (i) van de oorspronkelijke oriëntatie (0°), wordt de versnelling door (ii) 60°, (iii) 120°, (iv) 180°, (v) 240° en 300° gedraaid. De bar van de schaal is 1 mm <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig7large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig8.jpg"> Figuur 8 . Veelzijdige fabricage van diverse ontwerpen voor hydrogel gebaseerde micromachines. A) een eenvoudige poort-klep die de vrijlating van drugs uit een enkele reservoir onder controle. De lineaire beweging van de ijzeroxide-doped hydrogel component gates de verspreiding van een hypothetische drug uit via en uitlaat. B) A gated lineaire variëteit die het vrijkomen van drugs uit meerdere reservoirs onder controle. Elke reservoir bevat hypothetische drugs en het verkeer van de poorten van ijzeroxide-doped component het verkeer van geneesmiddelen uit deze reservoirs door een raam hydrogel die het mogelijk voor de verspreiding van deze drugs uit aan de buitenkant maakt. C) A eenvoudige rotor die om te draaien om een as kan worden bediend. D) een verfijnde ontwerp op basis van het station van Genève. Een drijvende versnelling met een speld vermag voeren een grotere gedreven versnelling en produceren van intermitterende verkeer; een volledige omwenteling van de drijvende versnelling draait de gedreven versnelling door 60°. Alle schaal balken zijn 1 mm. Van kin, S. Y. et al. Additive manufacturing van hydrogel gebaseerde materialen voor volgende-generatie implanteerbare medische hulpmiddelen. Science-Robotics. 2 (2), (2017). Overgenomen met toestemming van AAAS17. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig8large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>

Watch this Scientific Journal Video about An Additive Manufacturing Technique for the Facile and Rapid Fabrication of Hydrogel-based Micromachines with Magnetically Responsive Components at JoVE.com

An Additive Manufacturing Technique for the Facile and Rapid Fabrication of Hydrogel-based Micromachines with Magnetically Responsive Components

Een additief productie-strategie voor de verwerking van UV-crosslinkable hydrogels heeft ontwikkeld. Deze strategie voorziet in de vergadering van de laag-voor-laag van de microfabricated hydrogel structuren, alsook de vergadering van onafhankelijke onderdelen, levert geïntegreerde apparaten met bewegende onderdelen die inspelen op de magnetische aandrijving.

Additief fabricage techniek voor de Facile en snelle fabricage van Hydrogel gebaseerde Micromachines met magnetisch responsieve onderdelen

Polyethylene glycol (PEG)-based hydrogels are biocompatible hydrogels that have been approved for use in humans by the FDA. Typical PEG-based hydrogels ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Simultaneous Synthesis of Single-walled Carbon Nanotubes and Graphene in a Magnetically-enhanced Arc Plasma

Gelijktijdig Synthese van enkelwandige koolstof nanobuisjes en grafeen in een magnetisch-enhanced Arc Plasma

Carbon nanostructures such as single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and graphene attract a deluge of interest of scholars nowadays due to their very ...

Time-lapse Fluorescence Imaging of Arabidopsis Root Growth with Rapid Manipulation of The Root Environment Using The RootChip

Time-lapse fluorescentie beeldvorming van Arabidopsis wortelgroei met Rapid Manipulatie van het wortelmilieu Het gebruik van de RootChip

The root functions as the physical anchor of the plant and is the organ responsible for uptake of water and mineral nutrients such as nitrogen, ...

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

Het ontwerpen van een Bio-responsieve Robot van DNA Origami

Nucleic acids are astonishingly versatile. In addition to their natural role as storage medium for biological information1, they can be utilized in ...

Microfluidic Fabrication of Polymeric and Biohybrid Fibers with Predesigned Size and Shape

Microfluïdische fabricage van polymere en biohybridevezels met vooraf ontworpen grootte en vorm

A &#8220;sheath&#8221; fluid passing through a microfluidic channel at low Reynolds number can be directed around another &#8220;core&#8221; stream and ...

Preparation of Light-responsive Membranes by a Combined Surface Grafting and Postmodification Process

Voorbereiding van de Light-responsieve membranen door een gecombineerde oppervlakte-enting en Postmodification Proces

In order to modify the surface tension of commercial available track-edged polymer membranes, a procedure of surface-initiated polymerization is ...

Design and Fabrication of an Elastomeric Unit for Soft Modular Robots in Minimally Invasive Surgery

Ontwerp en de fabricage van een elastomeer Unit voor Soft Modulaire Robots bij minimaal invasieve chirurgie

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in ...

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(&#949;-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional PolyÃƒÆ’Ã…Â½Ãƒâ€šÃ‚Âµ-caprolactone Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

Electrospinning schrijven van driedimensionale Poly(ε-caprolactone) steigers met controleerbare Morphologies voor Tissue Engineering toepassingen smelten

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology ...

Fabrication and Validation of an Organ-on-chip System with Integrated Electrodes to Directly Quantify Transendothelial Electrical Resistance

Fabricage en validatie van een orgel-on-chip systeem met geïntegreerde elektroden te kwantificeren direct signaalcomplexen elektrische weerstand

Organs-on-chips, in vitro models involving the culture of (human) tissues inside microfluidic devices, are rapidly emerging and promise to provide useful ...

Optimized Setup and Protocol for Magnetic Domain Imaging with In Situ Hysteresis Measurement

Optimized Setup and Protocol for Magnetic Domain Imaging with In Situ Hysteresis Measurement

Geoptimaliseerde Setup en Protocol voor magnetische domein Imaging met In Situ Hysteresis meting

This paper elaborates the sample preparation protocols required to obtain optimal domain patterns using the Bitter method, focusing on the extra steps ...