Name: frugal imaging technique of capillary flow through three-dimensional polymeric printing powders
Uploaded: 2022-10-04T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Frugal Imaging Technique of Capillary Flow Through Three-Dimensional Polymeric Printing Powders at JoVE.com

1. マイクロ流体フローセルの準備
注:このプロトコルでは、市販のマイクロ流体フローセルが使用されます。光学顕微鏡からの光透過用に設計された市販製品を使用することにより、媒体の明視野照明に関する課題が最小限に抑えられます。
<ol><li>出口をパラフィルムで覆い、チャネルの一端をシールして、空のフローセルにポリマー粉末を充填できるよう...

<ol>
	<li>Redwood, B., Schoffer, F., Garret, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The 3D Printing Handbook. , (2018).</li><li>. Three dimensional printing, Patent ID: 20210087418 Available from: <a target="_blank" href="https://uspto.report/patent/app/20210087418">https://uspto.report/patent/app/20210087418</a> (2021)</li><li>. Three dimensional printing, Patent ID: 20210095152 Available from: <a target="_blank" href="https://uspto.report/patent/app/2021009515.2">https://uspto.report/patent/app/2021009515.2</a> (2021)</li><li>Three dimensional printing, Patent ID: 20210107216. Available from: <a target="_blank" href="https://uspto.report/patent/app/20210107216#C00011">https://uspto.report/patent/app/20210107216#C00011</a> (2021)</li><li>Petosa, A. R., Brennan, S. 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S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+for+colloid+transport+visualization+in+pore+networks.">Methods for colloid transport visualization in pore networks.</a> Water Resources Research. 42 (12), (2006).</li><li>Rottman, J., Sierra-Alvarez, R., Shadman, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+monitoring+of+nanoparticle+retention+in+porous+media.">Real-time monitoring of nanoparticle retention in porous media.</a> Environmental Chemistry Letters. 11 (1), 71-76 (2013).</li><li>Xing, Y., Chen, X., Chen, X., Zhuang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Colloid-mediated+transport+of+pharmaceutical+and+personal+care+products+through+porous+media.">Colloid-mediated transport of pharmaceutical and personal care products through porous media.</a> Scientific Reports. 6 (1), 1-10 (2016).</li><li>Dathe, 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=Functional+models+for+colloid+retention+in+porous+media+at+the+triple+line.">Functional models for colloid retention in porous media at the triple line.</a> Environmental Science and Pollution Research. 21 (15), 9067-9080 (2014).</li><li>Zhang, T., 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=Investigation+of+nanoparticle+adsorption+during+transport+in+porous+media.">Investigation of nanoparticle adsorption during transport in porous media.</a> SPE Journal. 20 (4), 667-677 (2015).</li><li>Zhang, Q., Karadimitriou, N. K., Hassanizadeh, S. M., Kleingeld, P. J., Imhof, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+of+colloids+transport+during+two-phase+flow+using+a+novel+polydimethylsiloxane+micro-model.">Study of colloids transport during two-phase flow using a novel polydimethylsiloxane micro-model.</a> Journal of Colloid and Interface Science. 401, 141-147 (2013).</li><li>Health and environmental effects of particulate matter (PM). EPA Available from: <a target="_blank" href="https://www.epa.gov/pm-pollution/health-and-environmental-effects-particulate-matter-pm">https://www.epa.gov/pm-pollution/health-and-environmental-effects-particulate-matter-pm</a> (2021)</li><li>Bridge, J. W., Banwart, S. A., Heathwaite, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noninvasive+quantitative+measurement+of+colloid+transport+in+mesoscale+porous+media+using+time+lapse+fluorescence+imaging.">Noninvasive quantitative measurement of colloid transport in mesoscale porous media using time lapse fluorescence imaging.</a> Environmental Science &amp; Technology. 40 (19), 5930-5936 (2006).</li><li>ASTMInternational. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Standard+test+methods+for+determining+loose+and+tapped+bulk+densities+of+powders+using+a+graduated+cylinder.">Standard test methods for determining loose and tapped bulk densities of powders using a graduated cylinder.</a> ASTMInternational. , (2018).</li><li>Donovan, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Microfluidic investigations of capillary flow and surface phenomena in porous polymeric media for 3D printing. , (2019).</li><li>. 34;Try Tracker Online.&amp;#34; Tracker Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education Available from: <a target="_blank" href="https://physlets.org/tracker/">https://physlets.org/tracker/</a> (2022)</li><li>Janssen, P. H. M., Depaifve, S., Neveu, A., Francqui, F., Dickhoff, B. H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+powder+properties+on+the+rheological+behavior+of+excipients.">Impact of powder properties on the rheological behavior of excipients.</a> Pharmaceutics. 13 (8), 1198 (2021).</li><li>Boschini, F., Delaval, V., Traina, K., Vandewalle, N., Lumay, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Linking+flowability+and+granulometry+of+lactose+powders.">Linking flowability and granulometry of lactose powders.</a> International Journal of Pharmaceutics. 494 (1), 312-320 (2015).</li><li>Yablokova, 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=Rheological+behavior+of+&#946;-Ti+and+NiTi+powders+produced+by+atomization+for+SLM+production+of+open+porous+orthopedic+implants.">Rheological behavior of &#946;-Ti and NiTi powders produced by atomization for SLM production of open porous orthopedic implants.</a> Powder Technology. 283, 199-209 (2015).</li><li>Lumay, G., Fiscina, J., Ludewig, F., Vandewalle, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+cohesive+forces+on+the+macroscopic+properties+of+granular+assemblies.">Influence of cohesive forces on the macroscopic properties of granular assemblies.</a> AIP Conference Proceedings. 1542, 995 (2013).</li><li>Lumay, 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=Effect+of+relative+air+humidity+on+the+flowability+of+lactose+powders.">Effect of relative air humidity on the flowability of lactose powders.</a> Journal of Drug Delivery Science and Technology. 35, 207-212 (2016).</li></ol>

提供されるプロトコルは、選択される粒子の材料特性に大きく依存します。流動に影響を与える材料特性には、粒度分布2、3、4、5、11、21、粒子表面粗さ11、粒子表面2、3、4、5、11、16、<sup class="xre...

粉末媒体に噴射するインクジェットベースのバインダーは、積層造形(3D印刷)における重要な技術を表しています。バインダー噴射プロセスは、走査型インクジェット印刷プロセスを使用して、機能性流体を粉末媒体に堆積させることから始まります。具体的には、インクジェットプリントヘッドが粉末表面上を平行移動し、液体結合剤を粉末表面に付着させ、それによって層ごとに固体部分を形成する1。インクジェットベースのバインダー噴射技術には、一般に、砂、金属粉末、およびポリマー粉末が含まれます。しかし、バインダー噴射における材料のスペースを拡大するには、流体-粉末および粉末-粉末相互作用、トライボロジー、粉末充填密度、および粒子凝集を調べるための基本的なアプローチが必要です。具体的には、流体と粉末の相互作用では、粉末床を通る流体の流れをリアルタイムで画像化する機能が非常に必要です。これは、研究者が特性評価技術として、また流体と粉末のさまざまな組み合わせのスクリーニング方法として含める強力なツールになることを約束します2,3,4、および粒子床法を利用するコンクリート3D印刷システムなどのより複雑なシステム。
ナノ粒子を含む分子およびコロイド輸送の新しいイメージング技術の開発は、マイクロ流体およびミリ流体研究における活発な研究分野です。イメージング技術による分子間相互作用の調査は、不飽和および非定常流体の流れの条件下でこれらのタイプの相互作用を調べるための研究がほとんど行われていないため、困難な場合があります。文献で報告されている研究の多くは、ガラスビーズ5,6,7,8,9,10,11,12および土壌13,14,15,16,17,18などの飽和した、事前に濡れた多孔質媒体に焦点を当てています。.この技術は非侵襲的アプローチを提供し、高い時間的および空間的分解能をもたらす2、3、4、19。さらに、開発した技術は、ポリマー粉末に焦点を当て、さまざまな多孔質媒体中のナノスケールおよびミクロンスケールの粒子輸送を特徴付けおよび定量するための新しい方法を提供します。
提案された技術は、モバイルデバイスを利用して、流体粉末床融合技術を利用する3D印刷システムで使用される粉末を代表する粒子寸法の多孔質高分子媒体を介した不飽和で非定常な流体輸送を記録します。この技術は、フローセルが費用効果が高く、再利用可能で、小型で取り扱いが容易であり、質素な科学の支配的な側面を示しているため、有利です。これらの簡単な実験をフィールドスタディに実装する機能は非常に簡単で、光学顕微鏡で必要とされる複雑さ、コスト、および時間を排除します。セットアップの作成の容易さ、迅速な結果へのアクセス、および最小限のサンプル要件を考えると、この手法は診断スクリーニングに最適なプラットフォームです。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>&#181;-Slide I Luer</td>
			<td>ibidi</td>
			<td>80191</td>
			<td>Microfluidic flow cell</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Beaker</td>
			<td>Southern Labware</td>
			<td>BG1000-800</td>
			<td>Glassware</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CALIBRE 301-58 LT Natural Polycarbonate Resin</td>
			<td>TRINSEO LLC</td>
			<td>CALIBRETM 301-58 LT</td>
			<td>Natural polycarbonate resin</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>1.00983</td>
			<td>Solvent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fume Hood</td>
			<td>Kewaunee</td>
			<td>Supreme Air LV Fume Hoods</td>
			<td>Used with 92 FPM at 18&#34; opening</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>iPhone 7 plus</td>
			<td>Apple</td>
			<td></td>
			<td>Camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Opaque 3D printed material</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>The CAD drawing is provided in the supplemental file</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ORGASOL&#160; 2002 ES 6 NAT 3</td>
			<td>ARKEMA</td>
			<td>A12135</td>
			<td>Polyamide powder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipet</td>
			<td>VWR</td>
			<td>10754-268</td>
			<td>Disposable Transfer Pipet</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette</td>
			<td>Globe Scientific Inc.</td>
			<td>3301-200</td>
			<td>Pipette that can hold 125 &#181;L of fluid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polystyrene</td>
			<td>Advanced Laser Materials, LLC.</td>
			<td>PS200</td>
			<td>Polystyrene for sintering</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tracker</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Video analysis and modeling tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VariQuest 100 White Light Model 3-3700</td>
			<td>FOTODYNE</td>
			<td>&#160;3-3700</td>
			<td>White light</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Distilled water</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

frugal imaging technique of capillary flow through three-dimensional polymeric printing powders

ナノ粒子を含む分子およびコロイド輸送の新しいイメージング技術の開発は、マイクロ流体およびミリ流体研究において活発な研究の分野です。3次元(3D)印刷の出現により、材料の新しい領域が出現し、それによって新しいポリマーの需要が高まっています。具体的には、平均粒径がミクロンオーダーの高分子粉末は、学界や産業界から関心が高まっています。メゾスコピックから微視的な長さスケールで材料の調整性を制御することで、グラジエント材料などの革新的な材料を開発する機会が生まれます。近年、ミクロンサイズの高分子粉末のニーズが高まり、明確な用途が広がっています。3次元印刷は、新しいアプリケーションに直接リンクする高スループットプロセスを提供し、メソスケールでの物理化学的および輸送相互作用の調査を推進します。この記事で説明するプロトコルは、充填された粉末床内の流体の流れを画像化する非侵襲的な手法を提供し、スマートフォンなどのモバイルデバイスからすぐに利用できるモバイルテクノロジーを活用しながら、高い時間的および空間的解像度を提供します。一般的なモバイルデバイスを利用することで、通常光学顕微鏡に関連するイメージングコストが排除され、質素な科学的アプローチが実現します。提案されたプロトコルは、流体と粉末のさまざまな組み合わせの特性評価に成功し、流体と粉末の最適な組み合わせを迅速にイメージングおよび特定するための診断プラットフォームを作成しました。

データの分析に関するセクションでは、 図3 のタイムラプス画像のデータは、ポリカーボネート(PC)粉末に浸透した75重量%エタノール溶液を示しています。フルオレセインを溶液に添加し、この出版物の画質を向上させた。タイムラプス画像では、流体が入口に追加されると、時間分解プロセスが開始されます。時間 tは、流体がチャネルに浸透し始めるとすぐに?...

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Frugal Imaging Technique of Capillary Flow Through Three-Dimensional Polymeric Printing Powders

提案された技術は、充填された粉末床を通る流体の流れをイメージングするための斬新で効率的で質素で非侵襲的なアプローチを提供し、高い空間的および時間的分解能をもたらします。

三次元高分子印刷用粉末を通る毛細管流の倹約イメージング技術

The development of novel imaging techniques of molecular and colloidal transport, including nanoparticles, is an area of active investigation in ...

提案された技術は、充填された粉末床を通る流体の流れをイメージングするための斬新で効率的で質素で非侵襲的なアプローチであり、高い空間的および時間的分解能をもたらします。この技術は、フローセルが費用効果が高く、再利用可能で、小さく、取り扱いが容易であり、質素な科学の支配的な側面を示すため、有利です。粉末をたたき、粉末の締固めを確認することは、再現性のある診断ツールを作成するための鍵です。出口をペラフォームで覆い、空のフローセルがポリマー粉末で充填され得るようにチャネルの一端を密封することによってマイクロ流体フローセルを調製し始める。メートル法の用紙定規を流路の真下にテープで留めます。ペラフォームと定規を取り付けた状態でマイクロ流体フローセルを振る。フローセルの質量は、開梱されたフローセルの質量です。プラスチックピペットを使用して粉末を移します。粉末をチャネルに導入しながら、フローセルを少なくとも5回タップして粉末を圧縮します。粉末が流路の開口部の先頭に達するまで梱包を続けます。フローセルの外面に存在する粉末をアルコールに浸したワイプで取り除きます。粉末が充填されたら、フローセルに緩く充填された粉末がないか目視検査します。フローセル内の粉末がゆるく詰まっているように見える場合は、フローセルをさらに5回タップします。粉末充填剤が一貫してコンパクトに見える場合は、フローセルの重量を量ってポリマー粉末の質量を測定します。カメラ検出器があまりにも多くの光であふれるのを防ぐために、黒いポリ乳酸フィラメントの3Dプリントカバーなどの不透明な材料でライトテーブルを覆います。材料に、光が粉末を照らすことを可能にするマイクロチャネルのサイズの開口部があることを確認してください。モバイルデバイスのカメラがウェットパウダーとドライパウダーのコントラストを確実にキャプチャできるようにするには、ライトテーブルを低から中程度の光強度で使用します。モバイルデバイスのカメラをライトテーブルの真上に合わせます。カメラがライトテーブルの上部に垂直であることを確認します。モバイルデバイスにカメラの焦点を合わせた後、録画ボタンを選択します。ピペットを使用して、マイクロチャネルの開いた入口に125マイクロリットルの液体を追加します。2分間、またはすべての粉末が目に見えて濡れるまで流れを記録します。簡単にアクセスできるように、モバイルデバイスからコンピューターにビデオファイルを転送します。ソフトウェアがインストールされたら、トラッカーソフトウェアを開きます。[ファイル]メニューから[ファイルを開く]を選択して、転送されたビデオファイルをコンピューターのデスクトップにロードします。開始フレームとステップサイズを定義するには、クリップ設定アイコンをクリックします。次に、キャリブレーションツールをクリックしてから[新規]をクリックし、キャリブレーションスティックを選択します。ビデオのルーラーを拡大するには、拡大する領域を右クリックして、リストからズームインを選択します。適切に拡大したら、マイクロチャネルにテープで固定された定規の1ミリメートルの開始と終了を定義し、1mmと入力して距離を定義します。座標アクセスツールをクリックします。ステップの実行中に開始フレームを使用してx軸とy軸の原点を設定します。点質量を作成するには、[作成]をクリックします。次に、ポイントマウスを選択します。シフトとコントロールを使用して、長方形のサイズを変更します。最初のポイントは、入口とチャネルが接続する場所です。次に検索を数回クリックして、ソフトウェアが正しい領域を分析していることを確認します。ソフトウェアが正常に機能している場合は、検索をクリックして、ソフトウェアがビデオの分析を完了するのを待ちます。プロット上の白い赤い円は、コンパイルされた情報の正確な時間と距離を表します。1秒から2秒の間に、流体の移動距離は2倍になりました。2〜5秒の間に、流体が移動した距離も2倍になりました。5〜10秒の間、流体はまだ速く動いています。ただし、15秒後、流量は5秒ごとに約2ミリメートルの速度に減速しています。この手順に参加するときに覚えておくべき最も重要なことは、粉末を圧縮することです。この手順は、セラミックおよび金属粉末に対して実行でき、パックパターンシステムの流れを追跡するための地質学的フィールド調査の可能性が高いです。この技術は、研究者が化学的に修飾された表面やナノ粒子を積んだ流体を探索して粒子の付着を観察する道を開いた。

Research

JoVE Journal

Engineering

Determining 3D Flow Fields via Multi-camera Light Field Imaging

マルチカメラライトフィールドイメージングを介して3D流れ場の決定

In the field of fluid mechanics, the resolution of computational schemes has outpaced experimental methods and widened the gap between predicted and ...

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

デジタル干渉縞投影技術と高分解能、高速、三次元ビデオ画像

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Process of Making Three-dimensional Microstructures using Vaporization of a Sacrificial Component

犠牲成分の蒸発を用いた三次元微細構造を作る過程

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material ...

Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation

色素の実験とシミュレーションを使用したベッドフォームを通じてHyporheicフローの可視化

Advective exchange between the pore space of sediments and the overlying water column, called hyporheic exchange in fluvial environments, drives solute ...

Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

マルチスケール三次元マイクロエレクト​​ロニクスパッケージを調査するために放射光マイクロトモグラフィーを用いて、

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow

ジェット流の場合：乱流のアプリケーションのための3次元粒子追跡流速

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Wicking Tests for Unidirectional Fabrics: Measurements of Capillary Parameters to Evaluate Capillary Pressure in Liquid Composite Molding Processes

単方向生地のためのテストをウィッキング：キャピラリーパラメータの測定を液体複合成形プロセスに毛細管圧力を評価します

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Three-Dimensional Ultrasonic Needle Tip Tracking with a Fiber-Optic Ultrasound Receiver

三次元超音波針の先端光ファイバー超音波受信機と追跡

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Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

フロー イメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定

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