Name: frugal imaging technique of capillary flow through three-dimensional polymeric printing powders
Uploaded: 2022-10-04T14:00:00
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1. Preparación de la célula de flujo microfluídico
NOTA: Para este protocolo, se utilizará una celda de flujo microfluídico comercial. Mediante el uso de un producto comercial que está diseñado para la penetración de luz desde un microscopio óptico, se minimizará cualquier desafío relacionado con la iluminación de campo claro de los medios.
<ol><li>Comience a preparar la celda de flujo microfluídico cubriendo la salida con parafilm para sellar un extremo del can...

<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. J., Rajput, F., Tufenkji, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transport+of+two+metal+oxide+nanoparticles+in+saturated+granular+porous+media:+Role+of+water+chemistry+and+particle+coating.">Transport of two metal oxide nanoparticles in saturated granular porous media: Role of water chemistry and particle coating.</a> Water Research. 46 (4), 1273-1285 (2012).</li><li>Giordano, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effective+medium+theory+for+dispersions+of+dielectric+ellipsoids.">Effective medium theory for dispersions of dielectric ellipsoids.</a> Journal of Electrostatics. 58 (1-2), 59-76 (2003).</li><li>Toloni, I., Lehmann, F., Ackerer, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+the+effects+of+water+velocity+on+TiO2+nanoparticles+transport+in+saturated+porous+media.">Modeling the effects of water velocity on TiO2 nanoparticles transport in saturated porous media.</a> Journal of Contaminant Hydrology. 171, 42-48 (2014).</li><li>Dang-Vu, T., Hupka, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+porous+materials+by+capillary+rise+method.">Characterization of porous materials by capillary rise method.</a> Physicochemical Problems of Mineral Processing. 39, 47-65 (2005).</li><li>Huang, W. 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B., Chen, G., Su, C., Li, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transport+and+retention+of+colloids+in+porous+media:+Does+shape+really+matter.">Transport and retention of colloids in porous media: Does shape really matter.</a> Environmental Science and Technology. 47 (15), 8391-8398 (2013).</li><li>Ochiai, N., Kraft, E. L., Selker, J. 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>

El protocolo que se proporciona depende en gran medida de las características materiales de las partículas que se eligen. Las propiedades del material que afectan el flujo incluyen la distribución del tamaño de partícula 2,3,4,5,11,21, la rugosidad de la superficie de las partículas 11, las propiedades químicas en la superficie de la partícula 2,3,4,5,11,16,21,23<su...

La inyección de aglutinante basada en inyección de tinta en medios en polvo representa una tecnología importante en la fabricación aditiva (impresión 3D). El proceso de inyección de aglutinante comienza con la deposición de fluidos funcionales en medios de polvo utilizando un proceso de impresión de inyección de tinta de escaneo. Específicamente, un cabezal de impresión de inyección de tinta se traduce sobre la superficie del polvo, depositando el agente aglutinante líquido sobre una superficie de polvo y, por lo tanto, formando una pieza sólida capa por capa1. Las tecnologías de inyección de aglutinante basadas en inyección de tinta generalmente incluyen arena, polvos metálicos y polvos poliméricos. Sin embargo, para ampliar el espacio de los materiales en el chorro de aglutinante, se requiere un enfoque fundamental para investigar las interacciones fluido-polvo y polvo-polvo, la tribología, la densidad del empaquetamiento de polvo y la agregación de partículas. Específicamente, para las interacciones fluido-polvo, existe una necesidad crítica de la capacidad de obtener imágenes del flujo de fluido a través de lechos de polvo en tiempo real. Esto promete ser una herramienta poderosa para que los investigadores incluyan como técnica de caracterización y potencialmente como un método de detección para diferentes combinaciones de fluidos y polvos 2,3,4, así como sistemas más complejos, como sistemas de impresión 3D de concreto que utilizan métodos de lecho de partículas.
El desarrollo de nuevas técnicas de imagen de transporte molecular y coloidal, incluidas las nanopartículas, es un área activa de investigación en estudios microfluídicos y milifluídicos. Sondear las interacciones intermoleculares mediante técnicas de imagen puede ser un desafío, ya que se ha hecho poco trabajo para sondear este tipo de interacciones en condiciones de flujo de fluido insaturado e inestable. Muchos de los estudios que se reportan en la literatura se han centrado en un medio saturado, prehumedecido y poroso, como la perla de vidrio 5,6,7,8,9,10,11,12 y los suelos 13,14,15,16,17,18 . Esta técnica proporciona un abordaje no invasivo, resultando en una alta resolución temporal y espacial 2,3,4,19. Además, la técnica desarrollada proporciona un método novedoso para caracterizar y cuantificar el transporte de partículas a nanoescala y micrométrica en una variedad de medios porosos, centrándose en polvos poliméricos.
La técnica propuesta utiliza un dispositivo móvil para registrar el transporte fluídico insaturado e inestable a través de medios poliméricos porosos con dimensiones de partículas que son representativas de los polvos utilizados en los sistemas de impresión 3D que utilizan tecnologías de fusión de lecho de polvo fluídico. Esta técnica es ventajosa ya que las células de flujo son rentables, reutilizables, pequeñas y fáciles de manejar, lo que ilustra los aspectos dominantes de la ciencia frugal. La capacidad de implementar estos experimentos simples en un estudio de campo es muy sencilla, eliminando las complicaciones, el costo y el tiempo que se requieren en la microscopía óptica. Dada la facilidad de creación de la configuración, el acceso a resultados rápidos y el número mínimo de requisitos de muestra, esta técnica es una plataforma óptima para la detección de diagnóstico.

<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

El desarrollo de nuevas técnicas de imagen de transporte molecular y coloidal, incluidas las nanopartículas, es un área de investigación activa en estudios microfluídicos y milifluídicos. Con el advenimiento de la impresión tridimensional (3D), ha surgido un nuevo dominio de materiales, lo que aumenta la demanda de nuevos polímeros. Específicamente, los polvos poliméricos, con tamaños de partícula promedio del orden de una micra, están experimentando un creciente interés de las comunidades académicas e industriales. El control de la sintonizabilidad del material en las escalas de longitud mesoscópica a microscópica crea oportunidades para desarrollar materiales innovadores, como los materiales de gradiente. Recientemente, la necesidad de polvos poliméricos de tamaño micrométrico ha ido creciendo, a medida que se desarrollan aplicaciones claras para el material. La impresión tridimensional proporciona un proceso de alto rendimiento con un vínculo directo con nuevas aplicaciones, impulsando investigaciones sobre las interacciones fisicoquímicas y de transporte en una mesoescala. El protocolo que se discute en este artículo proporciona una técnica no invasiva para obtener imágenes del flujo de fluidos en lechos de polvo empaquetados, proporcionando una alta resolución temporal y espacial al tiempo que aprovecha la tecnología móvil que está fácilmente disponible desde dispositivos móviles, como teléfonos inteligentes. Al utilizar un dispositivo móvil común, se eliminan los costos de imagen que normalmente se asociarían con un microscopio óptico, lo que resulta en un enfoque de ciencia frugal. El protocolo propuesto ha caracterizado con éxito una variedad de combinaciones de fluidos y polvos, creando una plataforma de diagnóstico para obtener imágenes rápidamente e identificar una combinación óptima de fluido y polvo.

En la sección sobre análisis de datos, los datos de las imágenes de lapso de tiempo en la Figura 3 ilustran la solución de etanol al 75% en peso que se infiltra en el polvo de policarbonato (PC). La fluoresceína se agregó a la solución para mejorar la calidad de imagen de esta publicación. En las imágenes de lapso de tiempo, el proceso de resolución temporal comienza cuando se agrega el líquido a la entrada. El tiempo, t, comienza tan pronto como el fluido comienza a pene...

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

La técnica propuesta proporcionará un enfoque novedoso, eficiente, frugal y no invasivo para obtener imágenes del flujo fluídico a través de un lecho de polvo empaquetado, produciendo una alta resolución espacial y temporal.

Técnica de imagen frugal del flujo capilar a través de polvos de impresión polimérica tridimensionales

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

La técnica propuesta es un enfoque novedoso, eficiente, frugal y no invasivo para obtener imágenes del flujo fluídico a través de un lecho de polvo empaquetado que produce una alta resolución espacial y temporal. Esta técnica es ventajosa ya que las células de flujo son rentables, reutilizables, pequeñas y fáciles de manejar, lo que ilustra el aspecto dominante de la ciencia frugal. Aprovechar los polvos y confirmar la compactación del polvo es clave para producir una herramienta de diagnóstico reproducible.Para comenzar, prepare la celda de flujo microfluídico cubriendo la salida con espuma de pera para sellar un extremo del canal para que la celda de flujo vacía pueda llenarse con polvo polimérico. Pegue la regla de papel métrico directamente debajo del canal de flujo. Agite la celda de flujo microfluídico con la espuma de pera y la regla conectadas.La masa de la celda de flujo es la masa de celda de flujo desempaquetada. Utilice una pipeta de plástico para transferir el polvo. Mientras introduce el polvo en el canal, golpee la celda de flujo al menos cinco veces para compactar el polvo.Continúe empacando hasta que el polvo llegue al comienzo de la apertura del canal de flujo. Retire el polvo presente en la superficie exterior de la celda de flujo con una toallita empapada en alcohol. Una vez que los polvos estén empacados, inspeccione visualmente la celda de flujo en busca de polvo poco empaquetado.Si el polvo dentro de la celda de flujo aparece poco empaquetado, golpee la celda de flujo cinco veces más. Si el empaque de polvo parece consistente y compacto, pese la celda de flujo para medir la masa del polvo polimérico. Para evitar inundar el detector de la cámara con demasiada luz, cubra la mesa de luz con un material opaco, como una cubierta impresa en 3D en un filamento negro de ácido poliláctico.Asegúrese de que el material tenga una abertura del tamaño del microcanal para permitir que la luz ilumine el polvo. Para asegurarse de que la cámara del dispositivo móvil pueda capturar el contraste entre el polvo húmedo y seco, utilice la mesa de luz a una intensidad de luz baja a media. Alinee la cámara en el dispositivo móvil directamente encima de la mesa de luz.Confirme que la cámara es perpendicular a la parte superior de la mesa de luz. Después de enfocar la cámara en el dispositivo móvil, seleccione el botón de grabación. Añadir 125 microlitros de líquido a la entrada abierta del microcanal con una pipeta.Registre el flujo durante dos minutos o hasta que todo el polvo esté visiblemente humedecido. Transfiera el archivo de video desde el dispositivo móvil a la computadora para facilitar el acceso. Una vez instalado el software, abra el software del rastreador.En el menú de archivos, seleccione abrir archivo para cargar el archivo de video transferido en el escritorio de la computadora. Para definir el fotograma inicial y el tamaño del paso, haga clic en el icono de configuración del clip. Luego haga clic en la herramienta de calibración seguida de nueva y seleccione la palanca de calibración.Para acercar la regla en el video, haga clic derecho en el área para ampliar y seleccione acercar de la lista. Una vez que se haya ampliado adecuadamente, defina el principio y el final de un milímetro en la regla pegada al microcanal y escriba 1 mm para definir la distancia. Haga clic en la herramienta de acceso de coordenadas.Establezca el origen de los ejes x e y utilizando el fotograma inicial mientras realiza el paso. Para crear una masa de puntos, haga clic en crear. A continuación, seleccione el ratón de punto.Utilice Mayús más control para cambiar el tamaño del rectángulo. El punto inicial es donde la entrada y el canal se conectan. Haga clic en buscar a continuación un par de veces para verificar que el software está analizando el área correcta.Si el software funciona correctamente, haga clic en buscar y espere a que el software termine de analizar el video. Los círculos rojos abiertos en la gráfica representan el tiempo exacto y la distancia de la información compilada. En el intervalo de uno a dos segundos, la distancia recorrida por el fluido se ha duplicado.Durante el intervalo de dos a cinco segundos, la distancia que el fluido ha recorrido también se duplicó. De cinco a 10 segundos, el fluido sigue moviéndose rápidamente. Sin embargo, después de 15 segundos, el caudal disminuye a una velocidad de aproximadamente dos milímetros cada cinco segundos.Lo más importante que debe recordar al asistir a este procedimiento es compactar sus polvos. El procedimiento se puede realizar para polvos cerámicos y metálicos y tiene un alto potencial para estudios de campo geológicos para rastrear el flujo en sistemas de patrones de paquete. Esta técnica allanó el camino para que los investigadores exploraran superficies modificadas químicamente, así como fluidos cargados con nanopartículas para observar la adhesión de partículas.

Research

JoVE Journal

Engineering

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Investigación

Ingeniería

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