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

עבודה זו נתמכה על ידי NSF הקריירה פרס, גרנט NIH R01 (HL095477-05), גרנט NSF מרכזים לגיל הרך-1509748. S.Y.C. נתמכה על ידי הלאומית למדע המלגה (PhD), אשר הוענק על ידי הסוכנות למדע, טכנולוגיה ומחקר (סינגפור). אנו מודים קית ייגר לעזרה עם בנייה של ייצור, הקמה סיירוס וו חוף לצילום של הגדרת וההתקנים.

<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>

המחברים אין לחשוף

טכניקה זו היא שיטה נתיישב ומהירה פוטוליתוגרפיה שכבה אחרי שכבה של הידרוג מזערים. באמצעות תוסף של ייצור גישה, אנו יכולים לבנות בקלות מגוון רחב של מבנים תלת-ממד מחומרים מסתיימים, אפילו לשלב חלקים נעים. זה ובכך תאפשר היווצרות של microdevices מסתיימים לחלוטין. הטכניקה מבוססת על החזרה פשוטה על צעדים ליתוגרפיה, אשר מופעל על ידי שליטה מדויקת של גובה המצע התחתון דרך ראש מיקרומטר. טכניקות ייצור מסורתיים המשמשים את תעשיית MEMS, מעורבים קשים עיבוד טכניקות וחומרים ההקרבה, הוא לעתים קרובות לא תואם עם העיבוד של hydrogels רך. שיטות נוספות hydrogels הדפסת תלת-ממד, כגון שיטות מבוססות שחול, מוגבלים רזולוציות המרחבי מעל 200 מיקרומטר ולהדפיס מהירויות של מ מ/s למבני פשוטות שאינן כוללות העברת חלקים18,19. Stereolithography (SLA) ואת המיזם הדיגיטלי אור (DLP) המבוסס על bioprinters אולי תהיה אפשרות להשגת החלטות טוב יותר אך גם הרבה costlier ההתקנה. אסטרטגיות אלו פבריקציה נוספת גם שלא מסוגלים בקלות להדפיס המסוכך בלי תמיכה המצע חומרים, אשר יכול להיות קשה כדי להציג ולהסיר ההתקן הושלמה. נוכל לעקוף את זה יישור ופיזור polymerizing שכבת איטום הקבועים מראש למבנה תמיכה מפוברק כשלב הסופי כדי ליצור את התקן הושלמה. העיצוב של הסידור פבריקציה נוספת מעניקה למשתמש גישה קלה אל המבנים מפוברק ומאפשר יישור קל של רכיבים שונים עם השימוש של סימני יישור.
האסטרטגיה המובאת כאן היא גם הרבה יותר מהר מאשר טכניקות אחרות של החלטות דומות; הזמן הכולל נלקח הזיוף והפגינו של המכשיר עם מסע הוא כ-15 דקות. עוד הוסיף היתרון של אסטרטגיה זו פבריקציה נוספת, אבל לא הפגינו פרוטוקול זה אלא שמוצג שלנו הקודם עבודה17, היא היכולת של המשתמש כדי במהירות, בקלות לשנות את הסוג של פולימר המשמש בין השלבים ניתן לעשות זאת בכמויות קטנות . בדרך זו, באפשרותך ליצור התקנים ללא הפרדות צבע של סוגים שונים של hydrogels. המכשיר מפוברק באמצעות אסטרטגיה זו גם יש יתרון נוסף של הופעה ללא מגע כמו הציוד מכיל מקטע הוא מסטול עם חלקיקי תחמוצת ברזל, עיבוד של הציוד רגיש הופעה מגנטי והוא יכול ובכך להיות actuated שימוש חיצוני מגנט. בנוסף, המכשיר כולו מסתיימים, ומכאן וייתכן שהוא מושתל בבטחה ויוו.
תכונה חשובה של טכניקה זו היא הטיפול של מצעים זכוכית שונים, אשר מאפשר למשתמש מעדיפים לדבוק, או להדוף את הידרוג polymerized התחתון או העליון זכוכית המצע. כאשר נעשה שימוש בשילוב של זכוכית ללא טיפול עם משטח זכוכית שטופלו PFOTS (המצע התחתון), בנוי hydrogels מעדיפים לדבוק זכוכית ללא טיפול, כפי שהם דוחים מפני השטח fluorinated של זכוכית שטופלו PFOTS. לעומת זאת, כאשר הזכוכית מצופה PDMS משמשת עם המצע התחתון שטופלו PFOTS, hydrogels נוטים להישאר על פני שטופלו PFOTS כפי PDMS משטחים בצורה חזקה יותר להדוף את hydrogels בנוי. תכונה זו מאפשרת לבנות כלפי מעלה, לדבוק hydrogels כך הם נמצאים ותשמרו על מצעים זכוכית, ניתן לשריין עבור יישור מבנים אחרים בשלב מאוחר יותר בזמן, או אפילו לבנות כלפי מטה. זה מוסיף הגמישות של טכניקה, סוגים של עיצובים זה יכול להיות מפוברק, כמו גם מאפשר שיתוף איטום של הידרוג עצמאית, חינם-מעביר רכיבים.
במהלך ייצור שכבה אחרי שכבה, חשוב לייעל את הזמן הפילמור בשימוש. Hydrogels צריך להיות בצורה אופטימלית צולבים כזה כי הם יוצרים-עובי מלא כמו גם דיוק גבוה בהשוואה לצורות שהוגדרו על-ידי photomask. . זה תלוי בכוח את המנורה ואת הסוג של הידרוג בשימוש. אמנם לא שמוצג פרוטוקול זה, בזמן הפילמור יורד עם הגדלת כוח המנורה ומגביר עם אורך שרשרת פג ולהקטנה ריכוזי PEGDA בשימוש. גורמים אחרים המשפיעים על כמות האנרגיה הזמינה עבור photopolymerization, כגון שינוי אטימות prepolymer בשל התוספת של חלקיקי תחמוצת ברזל (איור 4), ישפיעו גם על הזמן הפילמור. אופטימיזציה עבור cross-linking התנאים עבור קומפוזיציות שונות הידרוג נדרש ולכן לפני תחילת תהליך ייצור של התקנים.
השימוש של יישור הסימנים על photomasks היישור הנכון של השכבות הידרוג, בעיקר לאטימת בשכבה, חשובים להבטיח אטימה נכונה מבוצע הרכיבים הפנימיים אינם צולבים בשוגג סביב מבני תמיכה בתהליך ייצור. זה למנוע רכיבים אלה לנוע בחופשיות במהלך הופעה מגנטי. כמוצג באיור5, מלמעלה לא מיושרים איטום שכבת ו photomask התוצאה crosslinking את עיגון של חלק הציוד לחומר בצובר של המכשיר עצמו. כתוצאה מכך, הציוד הזה לא סובב כאשר actuated עם מגנט.
יכול להיות actuated ההתקנים באמצעות מגנטים קבועים חזק כמו מגנטים ניאודימיום. המגנטים לייצר כוחות מגנטיים חזקים כאשר בטווח קרוב לחומרי פרומגנטי, להקפיד למנוע פגיעה. המכשיר יכול להיות actuated לעבור בלי המגנט במגע עם המכשיר; המגנט יכול להיות מחזיקים או מניחים אותה ~ 1 ס מ מן המכשיר. התנועה של הרכיבים מסטול-ברזל צריך לשקף את תנועת המגנט ולא ניתן actuated להעביר באופן רציף או מונחה לסירוגין לפי הצורך. המכשיר יכול להיות actuated באופן ידני או הגדרת הופעה יכול לשמש. המגנט ניתן לחבר כל בוכנה (למשל, מנוע סרוו) לתנועה סיבובית. מהירות הסיבוב של המגנט, ומכאן מהירות הסיבוב של הרכיב מסטול-ברזל, יכול להיות נשלט באמצעות של מיקרו-בקר. זה מספק שיטה מדויקת יותר של הופעה.
איור 8 מראה התרשימים והתמונות של עיצובים שונים מהעבודה הקודמת זוייפו באותה שיטה, להדגים צדדיות של שיטה זו. טווח עיצובים אלה ממכשירים פשוטים הדומים שסתומים (איור 8A) כדי מסובך ומתוחכם יותר עיצובים השואבים את השראתם מעיצוב נסיעה ז'נבה (איור 8D) המרכיבים של 2 הילוכים עוסקת המייצרים לסירוגין תנועה. התכונות הקטן ביותר יכול להיווצר בעזרת טכניקה זו היו בדרך כלל כ-100 מיקרומטר, לכל עיצוב מורכב שכבות מרובות (3 עד 6 שכבות). סוגים שונים של יצירות הידרוג (עם הכוחות מכני, נקבוביות) יכול להיות גם polymerized, בונדד אחד לשני. לפיכך, אחד בקלות ניתן לשלב סוגי hydrogels כדי לשמש בתוך התקן בהתאם לפונקציה הנדרשת של הרכיבים השונים בתוך המכשיר.

MEMS התקנים מצאו מספר רב של יישומים בעיקר בתחום של מכשור רפואי. למרות שהם להלוות הרבה פונקציות הוסיף הטבע ולמחקר של התקנים אלה לגרום להם אטרקטיבי לשימוש להפריה מלאכותית1,2,3, התקנים אלה בדרך כלל יש הביו ובטיחות הטבועה פתרון בעיות, כפי הם מורכבים של חומרים מזיקים לגוף (למשל, מתכות, סוללות, וכו ')4,5,6. Hydrogels מבוססי פג רשתות פולימר נוזלי נפוחות, שימשו לעתים קרובות עבור יישומים כגון פיגומים הנדסת רקמות בעיקר בחלקו עקב שלהם גבוהה הביו7,8. Hydrogels מבוססי פג היו גם באישור ה-FDA לשימוש בני אדם9,10,11. עם זאת, בשל מאפייני הידרוג גשמי, הם לא בקלות לעמוד תהליכי ייצור רגיל כגון טכניקות בשימוש מיקרו-מלאכותית מבוססי סיליקון טיפוסי. לפיכך, בונה מבוססי הידרוג מוגבלים בדרך כלל פשוט לארכיטקטורות מונוליטי. המאמצים הנוכחיים-מיקרו-מלאכותית של hydrogels גרמו במבנים עם תכונות בגודל מיקרון; עם זאת, מבנים אלה לעיתים קרובות של שכבה אחת, גשמי יחידה12,13 , חוסר הזזת רכיבים14,15,16.
בעבודה קודמת, נתאר אסטרטגיה בדיית המכונות הקטנות שיש מורכבים לחלוטין הידרוג מבוססי פג מסתיימים גשמי17פה. תכונות בגודל מיקרון יכול להיות מפוברק בקלות באמצעות שיטה פוטוליתוגרפיה, מבנים אלה יכול להיות בנוי כלפי מעלה באמצעות שיטה שכבה אחרי שכבה, מופעל על-ידי תנועת ציר z מדויק של המצע שעליו הם polymerized את hydrogels. Hydrogels של יצירות שונות יכול להיות מפוברק סמוכים זה לזה. בנוסף, התקנים אלה כוללים רכיבים נעים יכול להיות actuated באמצעות מגנט חיצוני. טכניקה זו תכליתי מתאים גם לעיבוד כל חומר רך או הידרוג זה צילום-polymerizable. לכן, טכניקה זו הוא מתאים היטב בדיית מכשירים מתוחכמים כמו MEMS המורכב כולו 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

פוליאתילן גליקול (PEG)-hydrogels מבוסס הם מסתיימים hydrogels אושרו לשימוש בבני אדם על ידי ה-FDA. Hydrogels מבוססי פג טיפוסי ארכיטקטורות מונוליטי פשוטה ויש לעיתים קרובות לתפקד פיגומים חומרים עבור יישומי הנדסה רקמות. מבנים מתוחכמים יותר כלל לוקח זמן רב כדי להמציא את לא מכילים רכיבים נע. פרוטוקול זה מתאר שיטה פוטוליתוגרפיה המאפשר מיקרו-מלאכותית נתיישב ומהירה של פג מבנים ומכשירים. אסטרטגיה זו כרוכה שלב ייצור שפותחו שבאתר המאפשרת הזיוף מהירה של מבנים תלת-ממד על-ידי בניית כלפי מעלה בצורה שכבה אחרי שכבה. עצמאית לעבור רכיבים יכולים להיות גם מיושר, המורכבים על מבנים תמיכה כדי ליצור התקנים משולבים. רכיבים עצמאיים אלה הם מסטול עם חלקיקי תחמוצת ברזל פאראמגנטי הרגישים הופעה מגנטי. באופן זה, המכשירים מפוברק יכול להיות actuated באמצעות מגנטים חיצוני להניב תנועת הרכיבים בתוך. לפיכך, טכניקה זו מאפשרת הזיוף של MEMS כמו מכשירים מתוחכמים (micromachines) אשר מורכבים ומאריחי הידרוג מסתיימים, מסוגל לתפקד ללא מקור כוח על הסיפון, ולהגיב שיטה פחות מגע של הופעה. כתב יד זה מתאר את הזיוף של הן את הסידור פבריקציה נוספת, כמו גם שיטת צעד אחר צעד מיקרו-מלאכותית של התקנים MEMS דמוי אלה מבוססות על hydrogels.

איור 3B מראה תמונות של השכבות של hydrogels polymerized באמצעות את הסידור פבריקציה נוספת. איור 3B (i) מראה מפוברק 400 מיקרומטר בסיס בשכבה עבה עם צוהר מיקרומטר 600. איור 3B (ii) מראה נוספים שתי שכבות היו שכבות על גבי שכבת הבסיס; היקף גבוה מיקרומטר 500, ציר גבוה מיקרומטר 800 באמצע. הזמן שופצו שלוש שכבות אלה היה פחות מ 3 דקות לוקח בחשבון 4 שניות של חשיפה לכל שכבה או זמן הצילום כדי להתאים את הגובה של המצע התחתון ואת היישור של photomasks. העבודות הקודמות לבצע את הסידור פבריקציה נוספת באותו מדגים כי יכול להיות מפוברק מגוון של עיצובים עם רזולוציות גבוה ככל 100 מיקרומטר.
הרכיבים הידרוג יכול גם להיות בקלות מסטול עם חלקיקי תחמוצת ברזל. טיימס חשיפה אופטימציה כדי להבטיח שכבות דק (200 מיקרומטר) של prepolymers PEGDA מסטול עם תחמוצת ברזל חלקיקים יכול להיות polymerized באופן מלא. איור 5A מציגה את photomask להשתמש כדי להגדיר את הצורה של המקטע תחמוצת ברזל כדי להיות polymerized. Prepolymer PEGDA בלתי מסומם מונומר באופן מלא תוך 4 שניות של חשיפה UV. עם זאת, כאשר prepolymer מסומם תחמוצת ברזל נחשף במשך 4 שניות כדי UV, הידרוג הנובעת היה לא מלא polymerized, כפי שניתן לראות באיור 5C. קטע שנוצר היה רזה (לעומת קטע מלא צולבים שמוצג באיור 5B), ולא הקצוות אחיד עם פרוץ נאמנות לעומת הצורה שהוגדרו על-ידי photomask. חשיפה UV של 10 שניות נדרש באופן מלא קרוס קישור על קטע תחמוצת ברזל ומציג איור 5B על קטע תחמוצת ברזל שנוצר; קטע תחמוצת ברזל polymerized של עובי מלא (200 מיקרומטר) עם קצוות ישרים, נאמנות הצורה נשמרת היטב לעומת photomask (איור 5A). לעומת זאת, במהלך החשיפה (> 15 שניות) לאור UV נוצר מקטעים תחמוצת ברזל זה היו מעל polymerized. איור 5D מראה מעל קטע יש נאמנות צורה המסכן, הוא גדול יותר הצורה שהוגדרו על-ידי photomask polymerized.
איור 6A מראה התקן המלא לאחר איטום עם יישור תקין על-ידי ניצול photomasks עם סימני יישור. הציוד בתוך המכשיר הוא לחלוטין בתוך החלל המרכזי של המכשיר, והוא לפיכך מגיבים הופעה מגנטי. איור 6B מציגה מכשיר עם שכבת איטום לא מיושרים. איור 6C מראה השכבות התחתון של הידרוג והציוד עצמו מבואר עם קווי מתאר שחור ומראה דמות 6D אטימה misaligned של השכבה העליונה הידרוג מבואר בחלוקות לבן. כפי שניתן לראות מן דמות 6D, חלקים של הציוד שנופל בתוך אזורים בו הפילמור מתקיימים במהלך איטום (מילוי אדום באיור) תוצאות בחלקים של הציוד להיות מעוגנת עיקר החומר הידרוג. פעולה זו מונעת את הציוד לזוז במהלך הופעה.
איור 7 מציגה מכשיר פונקציונלי הילוך בודד היה מפוברק (סה כ זמן ייצור ~ 15 דקות). עובי המכשיר הכולל הוא 2 מ מ והוא המימד הארוך של המכשיר 13 מ מ. הרבדים העליונים והתחתונים של המכשיר הוא עבה 400 מיקרומטר ויש הציוד בגובה של 1 מ מ. עיצוב זה מאפשר סיווג 100 מיקרומטר על המשטח העליון והתחתון של הציוד כדי לאפשר לתנועה. השכבה העליונה ביותר של המכשיר יש צוהר מיקרומטר 600 והוא הסרן שציוד מיקרומטר 400 בקוטר. איור 5B מראה תמונות של המכשיר כאשר זה הוא actuated עם מגנט כזה כי הציוד מבצע סיבוב מלא כפי יכול להיות שנצפו משינוי במצב של המקטע תחמוצת ברזל מ (i) דרך (vi).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig1.jpg"> איור 1 . מה השטויות פבריקציה נוספת micromachines מבוססי הידרוג- א) תיאור סכמטי של הבמה פבריקציה נוספת. הסכמות מציגה את רכיבי שונים הסידור פבריקציה נוספת כולל תא PDMS בו hydrogels נוצרות בתוך אזור פבריקציה נוספת, שלב מאופשר ואקום אשר מחזיקה למטה תא PDMS, כמו גם מצרף את הממברנה גמיש מיקרומטר ראש ומערכת בקרת גובה המצע העליונה המורכבת coverslip זכוכית או לא מטופל או מצופה PDMS. B) תיאור סכמטי של זווית ישרה של השלב פבריקציה נוספת (ללא PDMS קאמרית). מקור האור UV ממוקם אז כך הזווית התקרית של האור היא בניצב למישור האופקי של השלב פבריקציה נוספת (לא מוצג באיור). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig2.jpg"> איור 2 . סכמטי של המכשיר מבוסס הידרוג יחיד-הילוך, photomasks משמש עבור כל שכבת. א) מפרטים טכניים של העליון - ואת אלכסוני-התצוגה של התקן מבוסס הידרוג טיפוסי יכול להיות מפוברק באמצעות אסטרטגיה זו. מכשיר זה כולל הילוך בודד המכיל מקטע מסטול-ברזל, מה שמאפשר עבור פקד מגנטי. B) מפרטים טכניים של שכבות בודדות והרכיבים בתוך המכשיר. זה מכשיר יחיד-ציוד מורכב מלמעלה איטום שכבה (i), תמיכה מבנים כגון ה-post עבור הציוד מסטול-ברזל ואת הקירות של המכשיר (ii) וכן על התחתון שכבה (iii). עיצובים ג) Photomask נהגה לפברק את ההתקן יחיד-הילוך. Photomasks הם כהה מעוצב שדה; התכונות הרצויות נשארים שקוף אמנם הרקע כהה. לוח זה מראה את העיצובים photomask המתאים לחלק העליון איטום שכבה (i), תמיכה מבנים (ii), השכבה התחתונה (iii). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig3.jpg"> איור 3 . פוטוליתוגרפיה שכבה אחרי שכבה של הידרוג מבוסס micromachines. א) תיאור סכמטי של התהליך צעד אחר צעד עבור ייצור המכשיר בתוך אזור ייצור של תא PDMS. 1: נפח קטן של PEGDA prepolymer הוא pipetted על גבי coverslip זכוכית מלטשים את הקרום גמיש לשכת PDMS (המצע התחתון). חתיכת זכוכית לא מטופל coverslip משמש את המצע העליונה, photomask מונחת על גבי המצע העליונה הזאת. גובה המצע התחתון הוא הביא את הגובה הרצוי (ז1) באמצעות הראש מיקרומטר. Prepolymer הידרוג ואז נחשף לאור אולטרא סגול דרך photomask. ניתן להעלות את המצע העליונה ואז תא PDMS, את הידרוג שרידים דבקה המצע העליונה (פנימי). שכבה זו שמורה אז לשימוש מאוחר יותר. 2: שלב 1 חוזר על עצמו אבל המצע העליונה מוחלף כעת עם זכוכית מצופים PDMS. הידרוג polymerized יישאר מודבקת על המצע התחתון. 3: גובה המצע התחתון הוא הוריד (Z2> Z1) וניתן להוסיף עוד prepolymer אל אזור פבריקציה נוספת. Photomask השני משמש, prepolymer חשוף לאור UV פעם נוספת. 4: ניתן לחזור על שלב 3 (Z3 > Z2) עד המבנים התמיכה הרצויה נוצרים. (i) לאחר השלמת המבנים תמיכה, ניתן להסיר את המצע העליונה כדי לאפשר גישה לאזור פבריקציה נוספת על ההקדמה של כל הרכיבים הידרוג preformed (למשל, מסטול-ברזל ציוד). (ii) לאחר הרכיבים preformed להציב, מיושר כראוי, השכבה הידרוג בין שלב 1 ניתן להציב על גבי המבנה מפוברק ו מיושר. 5: כל השכבות ואז נחשפים לאור אולטרא סגול דרך photomask שמשמר את הקצוות של המכשיר. (i) השלב איטום חותמות המכשיר כולו בזמן הרכיבים הפנימיים מוגנים מפני חשיפה UV נוספים. (ii) המכשיר אטום יכול אח את החדר פבריקציה נוספת כמו זה מעדיפים לדבוק המצע העליונה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig4.jpg"> איור 4 . שלבי תחמוצת ברזל nanoparticle סימום של רכיבים הידרוג- (i) אור UV נחשף דרך photomask הגדרת המקטע מסטול-תחמוצת ברזל בתוך הציוד הידרוג. (ii) דק שכבות (200 מיקרומטר) של הידרוג מסטול-תחמוצת ברזל polymerized בכל פעם, על גבי אחד את השני. (iii) השכבה של שכבות דק יוצר מקטע עם הגובה הכולל של 1 מ מ. קטע זה נשאר ברובד פבריקציה נוספת. (iv) prepolymer בלתי מסומם ואז להפקיד לאזור פבריקציה נוספת, photomask המגדיר את הצורה מלאה של הציוד משמש לאחר מכן במהלך cross-linking. פעולה זו מאפשרת היווצרות של הציוד מלאה עם קטע מסטול-תחמוצת ברזל. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig5.jpg"> איור 5 . Photopolymerization של רכיבים הידרוג מסטול-תחמוצת ברזל. A) Photomask של ציוד קטע כדי להיות מסטול עם חלקיקי תחמוצת ברזל. B) תחמוצת ברזל-מסטול הידרוג כי כבר בצורה אופטימלית polymerized (חשיפה של 10). ג) הידרוג תחמוצת ברזל-מסטול כי כבר תחת polymerized (4 s חשיפה). ד) הידרוג תחמוצת ברזל-מסטול כי כבר polymerized יתר על המידה (חשיפה של 20). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig6.jpg"> איור 6 . היישור של הידרוג שכבות במהלך איטום של המכשיר- א) תמונת מראה היישור הנכון של הידרוג שכבות עם חינם-העברת ציוד זה לחלוטין בתוך הריק של המכשיר. ב') תמונה בסה כ מציג המכשיר עם שכבות הידרוג misaligned (B, C ו- D הם תמונות של אותו התקן, אבל עם שכבות שונות מודגש). ג) אותה תמונה כמו (B), אבל עם קווי מתאר שחור שחקרתי התחתון שכבות אשר, מיושרים כהלכה. הציוד ממוקם כראוי בתוך הרבדים התחתון. ד) אותה תמונה כמו (B) אבל עם הלבן מתאר מראה misaligned לשכבה העליונה של הידרוג. הציוד יש כבר polymerized חלקית במהלך השלב איטום, חלקים של הציוד (מילוי אדום) ועוגנת בו לחומר בצובר של המכשיר. זה הופך את המכשיר פונקציונלי. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig7.jpg"> איור 7 . הופעה של micromachine מבוססי הידרוג יחיד-הילוך. א) תמונת מראה המכשיר מפוברק. B) תמונות מציג את נטיות שונות של הציוד על הופעה. (i) מן הכיוון הראשוני שלה (0°), מסובבים את הציוד על ידי (ii) 60° ° 120 (ג), (iv) 180°, ° (v) 240, 300°. סולם בר הוא 1 מ <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig7large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56727/56727fig8.jpg"> איור 8 . ייצור רב תכליתי של עיצובים שונים עבור מבוסס הידרוג micromachines. A) שסתום שער פשוטה אשר שולטת על שחרורו של סמים מתוך מאגר יחיד. התנועה הליניארית של הרכיב הידרוג מסטול-תחמוצת ברזל שערים פעפוע של הסם היפותטי החוצה דרך וכן עודפים. B) מגודרת ליניארי יריעה אשר שולטת על שחרורו של סמים ממאגרים מרובים. כל המאגר מכיל סמים היפותטי, התנועה של השערים רכיב מסטול-תחמוצת ברזל התנועה של סמים אלה מאגרים דרך חלון של הידרוג המאפשרת פעפוע של תרופות אלו החוצה אל החוץ. ג) רוטור פשוט כי יכולים להיות actuated לסובב על ציר. ד) עיצוב מתוחכם מבוסס על הכונן ז'נבה. הילוך נהיגה עם סיכה היא היכולת לעסוק הילוך מונחה גדול יותר ולייצר תנועה לסירוגין; סיבוב מלא של הציוד המניע מסובב את הציוד מונע על ידי 60 ° צלזיוס. כל קווי מידה הם 1 מ מ. מן הסנטר, ס י' ואח כתוסף בייצור חומרים מבוססי הידרוג עבור מכשירים רפואיים להשתלה הדור הבא. רובוטיקה המדע. 2 (2), (2017). הודפס מחדש באישור מ AAAS17. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56727/56727fig8large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</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

אסטרטגיית הייצור מוספים לעיבוד UV-crosslinkable hydrogels פותחה. אסטרטגיה זו מאפשרת הרכבה שכבה אחרי שכבה של מבנים הידרוג microfabricated, כמו גם ההרכבה של רכיבים עצמאיים, מניב מכשירים משולבים המכילים רכיבים לזוז כי הם מגיבים הופעה מגנטי.

תוסף טכניקת הייצור עבור הזיוף נתיישב ומהירה של מבוססי הידרוג Micromachines עם רכיבים תגובה מגנטית

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

סינתזה סימולטני של יחיד חומה פחמן ו גרפן פלזמה ארק מגנטית מוגברת

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

זמן לשגות דימות פלואורסצנטי של צמיחה רוט ארבידופסיס עם מניפולציה מהירה של הסביבה רוט שימוש 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

עיצוב רובוט ביו תגובה מ-DNA אוריגמי

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

ייצור מיקרופלואידי של סיבים פולימריים וביוהיברידים עם גודל וצורה מעוצבים מראש

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

הכנה של ממברנות אור תגובה על ידי הארכת משטח משולבת ותהליך Postmodification

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

עיצוב וייצור של יחידת אלסטומרי לרובוטים מודולרי רך בכירורגיה פולשנית

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

להמיס Electrospinning הכתיבה של פיגומים Poly(ε-caprolactone) תלת מימדי עם מורפולוגיות לשליטה עבור יישומי הנדסת רקמות

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

ייצור ואימות מערכת איברים על שבב עם אלקטרודות משולבת ישירות לכמת התנגדות חשמלית Transendothelial

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

פרוטוקול עבור הדמיה מגנטית תחום עם בחיי עיר היסטרזיס מדידת וההתקנה ממוטבת

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