דריל בויד ומייקל א. דניאלה הם עמיתי פוסט דוקטורט במועצת המחקר הלאומית. העבודה נתמכה על ידי יחידות עבודה ONR /NRL 4286 ו- 9899. הדעות הן של המחברים ואינן מייצגות את דעתו או מדיניותו של חיל הים האמריקאי או משרד ההגנה האמריקאי.

פרוטוקול זה מתאר את הייצור של סיב חלול באמצעות כימיה תיול-yne פוטוניזציה קליק. המיקרוצ'נל כולל חריצי שברון או "פסים" כתכונות עיצוב בחלק התחתון והחלק העליון של הערוץ (איור 1). שלושה נוזלים מוצגים ומכוונים בנחלים קונצנטריים; מזרמי הנוזלים הפנימיים והחוציים, אלה מכונים ליבה, חיפוי ונוזל נדן. רק זרימת החיפוי הוא פולימר כדי ליצור את הסיבים החלולים. החומרים שנבחרו הם כדלקמן:
<ol type="a"><li>נוזל ליבה: PEG (M.W. = 400), ~ 100 mPa. שניה (20ºC)</li>
	<li>נוזל חיפוי: תיול-יין פולימר (PETMP + ODY), יוזם (DMPA)</li>
	<li>נוזל נדן: PEG (M.W. = 400), ~ 100 mPa. שניה (20ºC)</li>
</ol>המכשיר המיקרו-ערוצי הורכב מחלקי אלומיניום ופלסטיק שהומצאו על ידי כרסום CNC ויציקת PDMS. זרימה דרך המיקרו-שנל נשלטה על ידי שלוש משאבות מזרק.
1. תכנון וסימולציה של מיקרוצ'נל
בעת חישוב מהירות נוזלים והן הסעה /דיפוזיה בתוך המיקרו-ערוצי, חיוני להקצות את הצמיגות המתאימה לכל נוזל נכנס.
<ol><li>צור מודל ממוחשב של המיקרו-שנל הרצוי לייבוא לתוכנת דינמיקת הנוזלים החישובית (COMSOL). הדוגמה באיור 1 נוצרה באמצעות תוכנת Autodesk Inventor CAD. השלבים הבאים מתייחסים לשימוש במולטי-פיזיקה של COMSOL לחישוב זרימת נוזלים בתוך מיקרו-שנל.</li>
	<li>לאחר ייבוא המיקרו-שנל המתוכנן לתוך COMSOL, ניתן להכניס את קצבי זרימת הנוזלים האיטרטיביים לפותר Navier-Stokes.<ol>
<li>אתחל את הגדרת התוכנית ובחר באפשרות 'זרימה למינארית תלת-ממדית'+משוואות הסעה/דיפוזיה. המספרים הנמוכים של ריינולדס שנוצרו במיקרו-ערוצים מאפשרים זרימה למינארית מלאה בתוך המכשיר.</li>
		<li>עצב רשת שינוי של רכיב סופי שעליה יש לבצע את החישובים המספריים. רשת השינוי צריכה להיות מעודנת יותר (יש חלוקות קטנות) באזורים שבהם המאפיינים משתנים במהירות. מומלץ לחדד את רשת שינוי הן את תכונת העיצוב והן את היציאה <1 מיקרומטר בצד אורך. זה מספק הדמיה "חדה" של ממשק נוזל הליבה-נדן.</li>
		<li>תכונות חומר קלט עבור זרימת נוזלים, כלומר צמיגות, קבוע דיפוזיה, וריכוז. בשלב זה, גם להגדיר את תנאי הגבול עבור זרימת היציאה. אנו מציעים אפס מתח צמיג כדי לדמות שקע פתוח.</li>
		<li>חשב מחקרי מהירות זרימת נוזלים על-ידי רכיבה איטרטיבית על סדרה של קצבי זרימת קלט. לדוגמה, נוזל ליבה = 7.5 μl / min, נוזל נדן = 30 μl / min.</li>
		<li>יבא את פתרונות שדה המהירות כערכים ההתחלתיים לפתרון מאפייני הסעה/דיפוזיה של זרימת המיקרו-ערוצים. הפתרון לבעיות הסעה/דיפוזיה ימחיש את ממשק נוזלי הליבה-נדן ויסייע בחיזוי צורת זרימת הנוזלים הסופית והסיבים המיוצרים.</li>
	</ol>
</li>
</ol>מהתוצאות החישוביות, ניתן לחזות את המספר והסוג הנדרשים של תכונות עיצוב כדי להשיג את צורת הסיבים הרצויה. תשומות קצב זרימת הנוזלים יתואמו גם לקצבי הזרימה הנדרשים ליצירת הסיבים. עם תחזיות אלה, מכשיר microchannel יכול להיות מפוברק עבור שחול של סיבי פולימר.
2. ייצור רכיבי מנגנון זרימה נדן
שילוב של מיקרומילינג ישיר, הבלטה חמה ו/או יציקת פולימרים יכול לשמש ליצירת הרכיבים של התקן זרימת הנדן. בהתאם למשאבים, בחר את האסטרטגיה בהתאם. הדוגמה המוצגת היא תהליך כרסום ישיר המשתמש בקוד מספרי של מחשב (CNC). ישנן חמש שכבות שניתן ליצור (מלמעלה למטה), המתוארות באיור 2: 1. צ'אק מפרצון (אלומיניום), 2. צלחת הידוק (אלומיניום), 3. שכבה עליונה מיקרו-ערוצית (קופולימר אולפין מחזורי, COC או PDMS), 4. שכבה תחתונה מיקרו-ערוצית (קטון אתר COC או פוליאטר, PEEK), 5. צלחת הידוק (אלומיניום). (קבצים לדוגמה עבור כרסום ישיר זמינים בתבנית *.stl במידע התומך)
<ol><li>באמצעות תכנון התואם להדמיות COMSOL, פתח מודל תלת-ממדי של המערכת באמצעות שרטוט בעזרת מחשב (CAD). צור קובץ CAD נפרד עבור כל שכבה של ההתקן.</li>
	<li>כאשר שכבה היא להיות מפוברק באמצעות micromilling ישיר, לייבא את דגמי CAD לתוך מחשב עזר יישום עיבוד שבבי כדי ליצור קוד מספרי (NC) כי יתפרשו על ידי מחשב מבוקר מספרית (CNC) טחנה כדי לייצר את המכשיר.</li>
	<li>לרכוש 5 גיליונות של 30.5 ס"מ × 30.5 ס"מ חומרי שכבה הקרבה כי הם מינימום של 3.2 מ"מ עובי.</li>
	<li>לרכוש גיליון אחד של COC, PEEK, אלומיניום, ופולי (מתילמטהקרילט) כי הם 30.5 ס"מ × 30.5 ס"מ ו 3.2 מ"מ עובי.</li>
	<li>לרכוש 1 גיליון של אלומיניום כי הוא 30.5 ס"מ × 30.5 ס"מ ו 9.5 מ"מ עובי.</li>
	<li>הדבק כל אחד מהסדינים בשלבים 2.4-2.5 לגליון של מלאי הקרבה משלב 2.3 עם דבק דו-צדדי. ודא שקיימת לכל היותר גבול חיצוני לא מודבק של 2.5 ס"מ. הקלטת משמשת להחזיק את חומר העבודה במקום תוך כדי טחון ולהגן עליו ברגע שהחלק הטחון נחתך מחומר המלאי בסוף מחזור הטחנה.</li>
	<li>הדק את מלאי ההקרבה של COC + לטבלה של CNC Mill, טען את הכלים המצוטטים בקוד המספרי (NC) וכייל את הכלים והמלאי (עבודה) בחומרים ב- x, y ו- z.</li>
	<li>טען את קוד ה- NC וטחן את שכבת ה- COC.</li>
	<li>הסר את גליון החומר מהטחנה והסר בזהירות את החלק במכונה מהמצע. במהלך תהליך זה, קירור טחנה יהיה להרוות את החלק ואת המניה. יש לשטוף היטב לפני מסירים בעדינות את החלק. לשטוף עם חומר ניקוי קל, ואחריו כביסה עם 70% אלכוהול איזופרופיל. חומר הניקוי המתון יסיר שאריות שמנוניות, והאלכוהול יסיר שאריות דבק. אם burrs לכודים במיקרוארכיטקטורים, sonication עשוי להיות נחוץ כדי לעקור אותם.</li>
	<li>חזור על שלבים 2.7 ו- 2.9 עבור כל אחת מהשכבות האחרות שישמשו ליצירת התקן זרימת המעטפת.</li>
	<li>למעט שכבת PMMA, כל אחת מהשכבות שהוכנו עד לנקודה זו תשמש ישירות בהתקן. PMMA ישמש להכנת שכבת PDMS על ידי שילוב של 10 חלקים בסיס Sylgard 184 עם סוכן ריפוי 1 חלק ערבוב ביסודיות על ידי ערבוב. מידע זה מסופק במקרה אחד מעדיף להחליף את אחת משכבות COC עם חומר PDMS דמוי אטם.</li>
	<li>יוצקים את Sylgard 184 לתוך חלל עובש PMMA שהוכן קודם לכן, להבטיח כי בועות אוויר בוטלו. במידת הצורך, בועות ניתן להסיר בוואקום. PDMS ניתן לרפא בטמפרטורת החדר במשך 48 שעות, 45 דקות ב 100 מעלות צלזיוס, 20 דקות ב 125 מעלות צלזיוס, או 10 דקות ב 150 מעלות צלזיוס.</li>
</ol>3. הרכבת מנגנון זרימה נדן
<ol><li>הרכב את התקן זרימת המעטפת מלמטה למעלה על-ידי הנחת לוח הידוק אחד בתחתית, לאחר מכן את שכבת ה- COC ואחריה את שכבת ה- COC השנייה ואת לוח ההידוק הנותר (איור 2). ודאו שהחריצים המעצבים מתיישרים זה עם זה לאורך קצות הערוץ ושהגאומטריות בעיצוב הנוזלים בשכבות ה-COC חופפות באופן מושלם. מיקרוסקופ ניתוק יכול לשמש כדי לסייע ביישור.</li>
	<li>הכנס ברגים למרכז ההתקן, והדק את האגוזים והברגים כדי להדק את ההתקן יחד.</li>
	<li>לסירוגין משמאל לימין מרכז, חזור על שלב 3.2 מהמרכז החוצה כדי לנעול את היישור ולמנוע דליפות. מוסיפים את צ'אק המפרצון כשמגיעים לחורי ההרכבה שלו וממשיכים להרכיב את הברגים בצורה לסירוגין.</li>
	<li>השתמש באביזרי HPLC סטנדרטיים כדי לממשק את התקן זרימת הנדן לצינורות ומזרקים המכילים נוזל נדן ותמיסת prepolymer. הידוק ידיים מספיק לכל החיבורים.</li>
	<li>התקן את ההתקן אנכית באמצעות מעמד טבעת ומהדק. ודא שההתקן אנכי באמצעות רמה בחלק העליון. אם התקן זרימת הנדן אינו אנכי, הסיבים עלולים לגעת בקיר המיקרו-ערוצי ולגרום ל סתימה.</li>
	<li>מקם את מקור UV בניצב ~ 1 ס"מ מפני COC של התקן זרימת נדן כך האחרון 3-5 ס"מ של microchannel מוקרן. מקור UV צריך להיות מכויל כדי לספק ~ 200 mW / cm2.</li>
</ol>4. הכנת פתרון
כפי שצוין קודם לכן, חומרים רבים יכולים לשמש ליצירת מיקרופייברים באמצעות פרוטוקולים מקבילים ומערכות זרימת נדן, אבל כימיה thiol-yne משמש כאן. הכן את הפתרון prepolymer מיד לפני תחילת תהליך שחול סיבים, כדי למנוע את הגידול צמיגות שעלולה להתרחש לאורך זמן באחסון.
<ol><li>הכן aliquot של פוליאתילן גליקול 400 (PEG 400) לשמש נוזל נדן.</li>
	<li>ממלאים מזרק 1 מ"ל מצופה לואר עם PEG 400 כדי לשמש נוזל ליבה שאינו ניתן למימוש, וממלאים מזרק 30 מ"ל מצופה לואר עם PEG 400 לשמש נוזל נדן.</li>
	<li>הכן פתרון prepolymer המכיל 0.01 מול pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate (PETMP) ו 0.01 מול 1,7-octadiyne (ODY). ודא כי שני המרכיבים מעורבבים היטב לאורך כל הניסוי, למזער את החשיפה של כל ריאגנטים prepolymer למקורות של אור UV, כולל אור הסביבה(למשל לעטוף מזרקים עם רדיד אלומיניום).</li>
	<li>להשלים את הפתרון PETMP / ODY עם 4 x10 -4 מול 2,2-דימטוקסי-2-פנילקטופנון (DMPA) פוטוניטיטור. המשך להבטיח כי הפתרונות מעורבבים היטב, וכי הם אינם חשופים לאור UV על ידי כיסוי המכולות עם רדיד אלומיניום.</li>
	<li>טען מזרק אלומיניום 5 מ"ל עטוף בנייר אלומיניום עם תמיסת prepolymer.</li>
</ol>5. הפקת מיקרופייבר (מוקד וידאו)
<ol><li>ודאו שהשקע של הערוץ המיקרופלואידי נמצא במגע עם פתרון באמבטיית האיסוף(איור 3). עבור מבנים מורכבים, הפתרון באמבט האיסוף צריך להיות צמיגות תואמת לליבה ונוזלים נדן, אבל עבור סיבים חלולים פשוטים, מים מספיקים.</li>
	<li>הגדר את הליבה, חיפוי, ומשאבות מזרק נוזל נדן להחדיר ב 1, 30, ו 120 μl / min, בהתאמה. ודא כי קטרים מזרק בהתאמה הוזנו כראוי לתוך משאבות מזרק.</li>
	<li>הר את המזרקים לתוך משאבות המזרק המקביל שלהם ולחבר אותם למכשיר זרימת נדן עם צינורות טייגון מגן UV.</li>
	<li>הפעל את נוזל הנדן כדי להניע את התקן זרימת הנדן ולחסל את האוויר מהמערכת. בדוק ויזואלית את המיקרו-שנל, כדי להבטיח שלא יישארו בועות אוויר במיקרו-שנל לפני שימשיך לשלב הבא. שים לב במיוחד לפסים. מיקרוסקופ ניתוח עשוי לשמש כדי לסייע בבדיקה מיקרו-ערוצית. אם בועות אוויר קיימות, הסעיר את ההתקן על-ידי סיבוב ו/או הקשה בעדינות בזמן הזרימה כדי לשטוף בועות אוויר מהמכשיר.</li>
	<li>התחל את נוזל החיפוי, גם מאפשר את הזרימה להתייצב. ודא כי אין בועות אוויר להישאר microchannel לפני הולך לשלב הבא. שימו לב במיוחד לחריצים המעצבים. אם בועות אוויר קיימות, להתסיס את המכשיר בזמן תחת זרימה כדי לשטוף את בועות האוויר מתוך המכשיר.</li>
	<li>לבסוף, להתחיל את נוזל הליבה; שוב, ודא כי בועות אינן קיימות במערכת.</li>
	<li>הפעל את מקור ה- UV והתבונן באמבט האיסוף לייצור רציף של המיקרופייבר החלול(איור 4A)כשהוא נפלט עם נוזל הנדן. אחזרו את הסיבים מאמבטיית הקולקציה באמצעות מרית שונה או לולאת חיסון, ואפשרו לאסוף את הסיבים הרציפים על סליל ממונע(איור 3).</li>
</ol>

<ol>
	<li>Khademhosseini, A., Langer, R., Borenstein, J., Vacanti, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microscale+technologies+for+tissue+engineering+and+biology.">Microscale technologies for tissue engineering and biology.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 2480-2487 (2006).</li><li>Blond, D., McCarthy, D. N., Blau, W. J., Coleman, 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=Toughening+of+artificial+silk+by+incorporation+of+carbon+nanotubes.">Toughening of artificial silk by incorporation of carbon nanotubes.</a> Biomacromolecules. 8, 3973-3976 (2007).</li><li>Aykut, Y., Saquing, C. D., Pourdeyhimi, B., Parsons, G. N., Khan, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Templating+quantum+dot+to+phase-transformed+electrospun+TiO(2)+nanofibers+for+enhanced+photo-excited+electron+injection.">Templating quantum dot to phase-transformed electrospun TiO(2) nanofibers for enhanced photo-excited electron injection.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 3837-3845 (2012).</li><li>Puigmarti-Luis, J., Schaffhauser, D., Burg, B. R., Dittrich, P. S. <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+Approach+for+the+Formation+of+Conductive+Nanowires+and+Hollow+Hybrid+Structures.">A Microfluidic Approach for the Formation of Conductive Nanowires and Hollow Hybrid Structures.</a> Adv. Mater. 22, 2255-22 (2010).</li><li>Edie, D. D., Fox, N. K., Barnett, B. C., Fain, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Melt-spun+noncircular+carbon-fibers.">Melt-spun noncircular carbon-fibers.</a> Carbon. 24, 477-482 (1986).</li><li>Park, S. J., Seo, M. K., Shim, H. B. <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+fiber+shapes+on+physical+characteristics+of+non-circular+carbon+fibers-reinforced+composites.">Effect of fiber shapes on physical characteristics of non-circular carbon fibers-reinforced composites.</a> Mater. Sci. Eng. A Struct. 352, 34-39 (2003).</li><li>Haile, W. A., Phillips, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+grooved+polyester+fiber+for+wet+lay+applications.">Deep grooved polyester fiber for wet lay applications.</a> Tappi. 78, 139-142 (1995).</li><li>Yamada, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Radiative+properties+of+fibers+with+non-circular+cross+sectional+shapes.">Radiative properties of fibers with non-circular cross sectional shapes.</a> J. Quant. Spectrosc. Ra. 73, 261-272 (2002).</li><li>Kopp, V. I., 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=Chiral+fiber+gratings.">Chiral fiber gratings.</a> Science. 305, 74-75 (2004).</li><li>Thangawng, A. L., Howell, P. B., Richards, J. J., Erickson, J. S., Ligler, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+sheath-flow+microfluidic+device+for+micro/nanomanufacturing:+fabrication+of+hydrodynamically+shaped+polymer+fibers.">A simple sheath-flow microfluidic device for micro/nanomanufacturing: fabrication of hydrodynamically shaped polymer fibers.</a> Lab Chip. 9, 3126-3130 (2009).</li><li>Thangawng, A. L., Howell, P. B., Spillmann, C. M., Naciri, J., Ligler, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=UV+polymerization+of+hydrodynamically+shaped+fibers.">UV polymerization of hydrodynamically shaped fibers.</a> Lab Chip. 11, 1157-1160 (2011).</li><li>Thangawng, A. L., 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=A+hard+microflow+cytometer+using+groove-generated+sheath+flow+for+multiplexed+bead+and+cell+assays.">A hard microflow cytometer using groove-generated sheath flow for multiplexed bead and cell assays.</a> Anal. Bioanal. Chem. 398, 1871-1881 (2010).</li><li>Mott, D. R., Howell Jr, ., B, P., Obenschain, K. S., Oran, E. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Numerical+Toolbox:+An+approach+for+modeling+and+optimizing+microfluidic+components.">The Numerical Toolbox: An approach for modeling and optimizing microfluidic components.</a> Mech. Res. Commun. 36, 104-109 (2009).</li><li>Mott, D. 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=Toolbox+for+the+design+of+optimized+microfluidic+components.">Toolbox for the design of optimized microfluidic components.</a> Lab Chip. 6, 540-549 (2006).</li><li>Howell Jr, ., B, P., Ligler, F. S., Shields, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sheath+fow+device+and+method.">Sheath fow device and method.</a> United States patent US20110193259. , (2011).</li><li>Howell, P. B., Ligler, F. S., Shields, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Creating+sheathed+flow+for+applications+e.g.+particle+counting,+by+introducing+sheath+and+core+streams+at+proximal+end+of+channel+that+creates+multiple+sheathed+flows,+and+polymerizing+multiple+sheathed+flows+to+form+multiple+fibers.">Creating sheathed flow for applications e.g. particle counting, by introducing sheath and core streams at proximal end of channel that creates multiple sheathed flows, and polymerizing multiple sheathed flows to form multiple fibers.</a> United States patent US2011193259-A1. , (2009).</li><li>Mott, D., Howell Jr, ., B, P., Ligler, F. S., Fertig, S., Bobrowski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sheath+flow+device+and+method.">Sheath flow device and method.</a> United States patent US20090208372. , (2009).</li><li>Daniele, M. 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+and+continuous+hydrodynamically+controlled+fabrication+of+biohybrid+microfibers.">Rapid and continuous hydrodynamically controlled fabrication of biohybrid microfibers.</a> Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2012).</li><li>Howell, P. B., Mott, D., Golden, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Numerical+toolbox+for+design+of+fluidic+components+and+systems.">Numerical toolbox for design of fluidic components and systems.</a> United States patent US20080221844. , (2008).</li><li>Shields, A. 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=Hydrodynamically+directed+multiscale+assembly+of+shaped+polymer+fibers.">Hydrodynamically directed multiscale assembly of shaped polymer fibers.</a> Soft Matter. 8, 6656-6660 (2012).</li><li>Boyd, D. A., Shields, A. R., Naciri, J., Ligler, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrodynamic+shaping,+polymerization,+and+subsequent+modification+of+thiol+click+fibers.">Hydrodynamic shaping, polymerization, and subsequent modification of thiol click fibers.</a> ACS Appl. Mater. Inter. 5, 114-119 (2012).</li><li>Daniele, M. 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+and+Continuous+Hydrodynamically+Controlled+Fabrication+of+Biohybrid+Microfibers.">Rapid and Continuous Hydrodynamically Controlled Fabrication of Biohybrid Microfibers.</a> Adv. Funct. Mater. 23, 698-704 (2013).</li><li>Boyd, D. A., Shields, A. R., Howell, P. B., Ligler, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+fabrication+of+uniquely+shaped+thiol-ene+microfibers+using+a+two-stage+hydrodynamic+focusing+design.">Design and fabrication of uniquely shaped thiol-ene microfibers using a two-stage hydrodynamic focusing design.</a> Lab Chip. 13, 3105-3110 (2013).</li></ol>

הפטנטים המפורטים בהתייחסויות זמינים לרישיון ממחלקת הצי<a href="http://www.nrl.navy.mil/doing-business/tech-transfer/">(http://www.nrl.navy.mil/doing-business/tech-transfer/).</a>

ייצור סיבי פולימר באמצעות גישת זרימת נדן יש יתרונות רבים בהשוואה לטכניקות ייצור סיבים אחרים. אחד היתרונות הללו הוא היכולת לפברק סיבים באמצעות שילובים ריאגנטיים שונים. למרות שילוב תיול-yne ספציפי הוצג כאן, כמה לחץ תיול אחרים (כולל תיול-ene) שילובי כימיה לעבוד באותה מידה. מגוון רחב של שילובים אחרים ניתן להעסיק כדי לייצר סיבים כל עוד פתרון נדן הוא miscible עם חומר הליבה להיות פולימריזציה. תכלילים כגון nanofibers, חלקיקים, ותאים אפשריים גם כל עוד התרומות של תוספים אלה צמיגות של הפתרון prepolymer נלקחים בחשבון.
כימיה ת'יול קליק היא תת קבוצה של משפחת הכימיה קליק שבו קומפלקס עם קבוצת תיול יכול להיות מחובר covalently למתחם עם או אלקין (קשר כפול) או אלקין (קשר משולש) קבוצה פונקציונלית על ידי פוטופוליזציה אור UV. תגובות המערבות אלקנס נקראות תגובות תיול-ene, ותגובות המערבות אלקינים נקראות תגובות תיול-יין. קשר פאי אחד (מאלקין או אלקין) יתחבר לקבוצת תיול אחת עם הקרנת אור UV. התהליך משתלב היטב במשפחת התגובות הקליקות ומשמש ביעילות בערוץ המיקרופלואידי שלנו לייצור סיבים בצורות שונות(למשל עגול, בצורת סרט, עוגן כפול) מרכיבי התחלה רבים של קליקים על תיול.
יתרון ספציפי לשיטה המתוארת כאן בהשוואה לרוב התהליכים הדומים האחרים הוא היכולת לשלוט הן בצורה והן בגודל הסיבים המיוצרים (איורים 4A-H). על-ידי עיצוב ערוץ בעל פסים, סוגריים זוויתיים או עצמות הרינג, לסיבים המיוצרים תהיה צורת חתך שונה. באופן כללי, הפסים שימושיים לייצור צורות עגולות או להכנסת זרמי נדן נוספים כדי לכתר לחלוטין נחלים בצורת הקודם ולהרחיק אותם מקירות התעלה לפני הפולימור. הסוגריים הזוויתיים מפחיתים את הממד האנכי במרכז הזרם המעוצב ושומרים על הסימטריה האופקית. עצמות הרינג מפחיתות את הממד האנכי של צד אחד של הזרם המעוצב, ויוצרות אסימטריה. ניתן לערבב כלי עיצוב אלה באינספור שילובים. מספר התכונות המקבילות (כלומר 7 סוגריים זוויתיים לעומת 10 סוגריים זוויתיים) יכול לשמש גם לייצור סיבים עם פרופילים חתך שונים.
בנוסף ליכולת לשלוט בצורת הסיבים, מתודולוגיית ייצור הסיבים המוצגת מאפשרת גם את היכולת לשלוט בגודל הסיבים המפוברקים, אפילו באמצעות מכלול זרם נדן יחיד (למשל איור 1). התאמת יחס קצב הזרימה של הנדן:הליבה היא אמצעי אחד לייצור סיבים עם אזורים חתוכים שונים. ניתן גם לשלוט בגודל הסיבים על ידי התאמת עיצוב הערוץ כדי לקבל שלבי נדן נוספים. בין אם העיצוב מתרחש בשלב אחד או יותר, ניתן להשתמש בשלב סופי פשוט כדי להקטין את גודל הליבה מבלי לשנות את הצורה.
הקלות שבה ניתן להשתמש במגוון שילובים ריאגנטיים כדי לייצר סיבים בצורות וגדלים שונים באמצעות עיצוב ערוץ מיקרופלואידי זה תוכיח שימושית במגוון רחב של יישומים, מהנדסת רקמות לתקשורת אופטית ועד טקסטיל חכם.

פיגומיםרקמה 1, חומרים מרוכבים2, תקשורת אופטית3, וחומרים היברידיים מוליך4 הם תחומי מחקר ניצול סיבי פולימר מיוחדים. שיטות קונבנציונליות לייצור סיבים כוללות הבלטה נמסה, ספינינג, ציור, יציקה ואלקטרוספינינג. רוב סיבי הפולימר המיוצרים בשיטות אלה מציגים חתכים עגולים שנוצרו על ידי מתח פנים בין הפולימר לאוויר במהלך הייצור. עם זאת, סיבים עם חתכים nonround עשוי לשפר את המאפיינים המכאניים של חומרים מרוכבים5,6, להגדיל את יחסי שטח הפנים לנפח, הרטבת בקרה או פתיל7, ולהיות מנוצל כמו waveguides8 או קיטובים9.
ייצור סיבי פולימר מיוחדים על ידי מערכות מיקרופלואידיות המשתמשות בזרם אחד (זרימת נדן) כדי להקיף ולעצב זרם אחר (זרימת ליבה) מושכים בגלל התנאים המתונים והיכולת לייצור מתמשך של סיבים הניתנים לשחזור. ניסויים ראשוניים ייצרו סיבים עגולים בגדלים התלויים בקצבי הזרימה היחסיים של נוזלי הקדם-דם והמעטפת10-12. הגילוי כי חריצים בחלק העליון והתחתון של הערוץ microfluidic יכול להסיט את הנדן כדי לייצר צורה קבועה מראש עבור זרם הליבה13,14 הוביל טכנולוגיה ליצירת צורות סיבים מורכבים יותר10-12,15-17.
חוקרי NRL הדגימו את התכונות הטכניות הקריטיות הבאות13-21:
<ol><li>ניתן להשתמש במגוון תכונות עיצוב כדי לכוון את נוזל הנדן לעיצוב זרם הליבה: חריצים או רכסים ניתנים להגדרה ופסים, סוגריים זוויתיים או עצמות הרינג.</li>
	<li>ניתן למפות ארגז כלים של תכונות אלה לתוצאת הזרימה הרצויה.</li>
	<li>ניתן ליצור מיקרו-ערוצים באמצעות טכניקות ליתוגרפיה, דפוס, כרסום או הדפסה. אסור לחומרי המצע להתמוסס או לשחוק בפתרונות prepolymer או נדן, ועבור פולמריזציות פוטו-סיניות, השכבות החיצוניות חייבות להיות שקופות לאור אולטרה סגול.</li>
	<li>ניתן לשנות את הצורה שנוצרה על-ידי ערכה אחת של תכונות עיצוב על-ידי שינוי קצבי הזרימה דרך הערוץ. סימולציות COMSOL Multiphysics של זרימת נוזלים במיקרו-ערוצים מסוגלות לחזות את צורות הנוזלים והסיבים הנובעות מכך.</li>
	<li>התאמת הצמיגות והשלב (הידרופיליות) של הנדן ונוזלי הליבה היא קריטית כדי למנוע חוסר יציבות סוג קריסה, הנובע וריאציה בזן גזירה על פני ממשק הנוזל. אם יש צמיגות גדולה או אי התאמה שלב קריסה צמיג יכול להתרחש, אולי מעוות את צורת הסיבים הסופית או אפילו סתימת microchannel.</li>
	<li>סיבים יכולים להיווצר על ידי יציקה או פולמור, אבל פולמור מספק שליטה רבה יותר על הצורה.</li>
	<li>פילינג (התגבשות נוזל הליבה) חייב להתרחש לפני היציאה מהמיקרו-שנל. עם זאת, פולמור איטי יותר בתוך הערוץ עלול לגרום לעלייה בצמיגות, להשפיע על צורת הסיבים או אפילו סתימת הערוץ. יש לשלוט בקפידה בזמן ובמיקום של אירועי פולמור.</li>
	<li>בשל קינטיקה התגובה המהירה שלהם, פולמריזציות רדיקלים חופשיים הנגרמת על ידי צילום, במיוחד כימאים קליקים מבוססי תיול, מתאימים במיוחד לייצור סיבים.</li>
	<li>ניתן לשנות את קצבי הזרימה היחסיים במהלך הייצור כדי ליצור קטרים סיבים שאינם אחידים.</li>
	<li>ניתן לשלב קבוצות מרובות של תכונות עיצוב בערוץ יחיד מהסיבות הבאות:<ol type="a">
<li>כדי להפריד בין פונקציות העיצוב והגודל</li>
		<li>כדי ליצור סיבים רב שכבתיים או חלולים</li>
		<li>כדי לייצר סיבים מרובים מערוץ מיקרופלואידי יחיד</li>
	</ol>
</li>
	<li>מזוזות גביש נוזלי המשולבות בפולימר בריכוזים נמוכים מאוד מפגינות בירפרינגנס תחת אור מקוטב, דבר המצביע על כך שניתן ליישר מולקולות פולימר לאורך ציר הסיבים.</li>
	<li>תאים יכולים להיות משולבים prepolymers הידרוג'ל תאימות ביולוגית ולשרוד את תהליך הייצור עם כדאיות גבוהה22.</li>
</ol>בעת ייצור סיבי פולימר באמצעות התמקדות הידרודינמית על ידי זרם נדן לעצב זרם prepolymer, מבחר של חומרים פולימריים הוא צעד ראשון מעשי. יש לזהות את הפולימרים המתאימים, כימאים יוזמים מתאימים ונוזלי נדן במסגרת ההנחיות הבאות:
<ol><li>נוזלי פולימר ומעטפת הם מוטעים והם בעלי צמיגות דומה. לדוגמה, פתרון מונומר מימי יכול לנצל מים כמו נוזל נדן קיימא, אבל לא יכול להעסיק הקסאן כמו נוזל נדן.</li>
	<li>מנגנון הפולמליזציה חייב להיות מהיר מספיק קינטיקה קצב כדי לחזק את נוזל הליבה לאחר עיצוב ומיד לפני הסיבים יוצא הערוץ.</li>
</ol>לאחר בחירת החומרים, יש לעצב מיקרו-שנל ליצירת צורת הסיבים והגודל הרצויים. כדי לקבוע את תכונות העיצוב הנדרשות (פסים, עצמות הרינג, סוגריים זוויתיים), ניתן להשתמש בתוכנת דינמיקת נוזלים חישובית כדי לחזות את דפוסי זרימת הנוזלים. תכונות העיצוב מעבירות את נוזל הנדן סביב נוזל הליבה. באופן כללי, פסים מזיזים את נוזל הנדן לרוחב החלק העליון והתחתון של הערוץ מצד לצד, ואילו עצמות הרינג ושברונים מזיזים את הנוזל מהצדדים לכיוון החלק העליון ו/או התחתון של הערוץ ואז חוזרים לכיוון מרכז הערוץ ישירות מתחת לנקודת המבנה. מספר החריצים החוזרים על עצמו בחלק העליון והתחתון של הערוץ משפיע על המידה שבה נוזל הנדן מופנה. היחס בין קצבי הזרימה של הליבה ונוזל הנדן גם לתווך את האפקט. סימולציות באמצעות תוכנת COMSOL Multiphysics הוכיחו אמינות בהערכת האינטראקציות של תכונות העיצוב ויחסי קצב הזרימה כדי לחזות את הצורה החתך. סימולציות אלה מספקות גם תובנה שימושית על דיפוזיה של מסיסות בין הליבה למעטפת עם גודל הערוץ, צמיגות וקצבי זרימה המוצעים.
אם רצויה צורה מורכבת, כגון "העוגן הכפול" המתואר ב- Boyd et al. 23, כדאי להפריד את הפונקציות של עיצוב וגודל. צורה מורכבת יכולה להיווצר עם קבוצה אחת של תכונות ולאחר מכן מבנה בעל חריץ יחיד הממוקם אסטרטגית בכניסה לזרם נדן שני יכול לשמש להקטנת האזור החתך של הזרם הניתן לפולימריז מבלי לשנות באופן משמעותי את צורתו.
דוגמה נוספת לתכנון מיקרו-ערוצי מורכב יכולה ליצור סיבים רב שכבתיים. בעיצוב זה, ערכות רציפות של תכונות עיצוב ונוזלי חיפוי נוספים מוצגים. זרימות קונצנטריות אלה יכולות להתגבש לסיבים מוצקים לחיפוי ליבה או לצינורות חלולים. דוגמה של התקן זה תוצג להלן.
לאחר העיצוב של המכשיר microfluidic נבחר, תהליך ייצור microchannel יכול להתחיל. כלי הייצור שניתן להשתמש בהם כוללים ליתוגרפיה רכה, כרסום CNC, הבלטה חמה והדפסה בתלת-ממד. ללא קשר לכלים המשמשים, חשוב להבין כי תכונות שהוכנסו בטעות לתוך הקיר של הערוץ microfluidic גם לכוון את זרימת הנדן ועלול לגרום סטיות לשחזור מאוד בצורה חתך של כל הסיבים שנעשו באמצעות מכשיר זה. חומרים מצע Microchannel צריך גם להיבחר בקפידה להיות חזק פיזית, אינרטי מבחינה כימית, ועמיד בפני נזק UV. לדוגמה, polydimethylsiloxane (PDMS) ניתן ללהק בקלות, מספק אטמים דמויי אטם, והוא UV שקוף; PDMS שימושי לחלק העליון השקוף של הערוץ, אך לא לצדדים ולתחתית הערוץ, הזקוקים לנוקשות רבה יותר.
בסופו של דבר, על ידי החדרת נוזלי הליבה והמעטפת שנבחרו כראוי בקצבי הזרימה החזויים על ידי סימולציות דינמיקת הנוזלים, תכונות העיצוב ייצרו את פרופיל הנוזל המתאים ומנורת הריפוי UV במורד הזרם תחזק את סיבי הפולימר המעוצבים. שחול מתמשך של סיבים פולימריים מהערוץ יכול לספק סיבים לשחזור באורכים מוגבלים רק על ידי נפח מאגרי הנוזלים.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="685">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:197px;">Pentaerythritol tetrakis 3-mercaptopropionate</td>
			<td style="width:99px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:139px;">381462</td>
			<td style="width:251px;">See references</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:197px;">1.7-Octadiyne</td>
			<td style="width:99px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:139px;">161292</td>
			<td style="width:251px;">See references</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:197px;">2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone</td>
			<td style="width:99px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:139px;">196118</td>
			<td style="width:251px;">See references</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:197px;">Polyethylene glycol 400</td>
			<td style="width:99px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:139px;">202398</td>
			<td style="width:251px;">Polyethylene glycol 200 or 600, dextrose, or glycerol may be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:197px;">Sylgard 184&#160;</td>
			<td style="width:99px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:139px;">761036</td>
			<td style="width:251px;">QSIL 216, OptiTec 7020, or GS RTV 615 may be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td colspan="2" height="22" style="height:22px;">Table of Specific Equipment</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:197px;">Equipment</td>
			<td style="width:99px;">Company</td>
			<td style="width:139px;">Catalogue number</td>
			<td style="width:251px;">Comments</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:197px;">MiniMill</td>
			<td style="width:99px;">Haas</td>
			<td style="width:139px;">MINIMILL</td>
			<td style="width:251px;">Any NC code interpreting 2.5 axis (or higher) mill may be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="85">
			<td height="85" style="height:85px;width:197px;">Syringe pumps (3)</td>
			<td style="width:99px;">Harvard Apparatus</td>
			<td style="width:139px;">702212</td>
			<td style="width:251px;">Syringe pumps that can be programmed to deliver the desired volume flow rates may be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:197px;">Tygon tubing (3 m)</td>
			<td style="width:99px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:139px;">14-169-13A</td>
			<td style="width:251px;">NA</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:197px;">PEEK tubing</td>
			<td style="width:99px;">Upchurch Scientific</td>
			<td style="width:139px;">1435</td>
			<td style="width:251px;">NA</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:197px;">HPLC fittings</td>
			<td style="width:99px;">Upchurch Scientific</td>
			<td style="width:139px;">1457</td>
			<td style="width:251px;">NA</td>
		</tr>
		<tr height="67">
			<td height="67" style="height:67px;width:197px;">BlueWave 200 UV lamp with stand and light guides</td>
			<td style="width:99px;">Dymax</td>
			<td style="width:139px;">38905; 38477; 39700</td>
			<td style="width:251px;">Any guided UV source that delivers 300-450 nm, &#62;200 mW/cm2 may be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:197px;">500 ml beaker</td>
			<td style="width:99px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:139px;">FB-100-600</td>
			<td style="width:251px;">Any vessel of approximately the same size and shape may be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="85">
			<td height="85" style="height:85px;width:197px;">Ring stand</td>
			<td style="width:99px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:139px;">S47807</td>
			<td style="width:251px;">Any ring stand capable of mounting a clamped sheath flow apparatus above the level of the syringe pumps may be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:197px;">Ring stand clamp holder (2)</td>
			<td style="width:99px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:139px;">S02625</td>
			<td style="width:251px;">Any ring stand clamp holder capable of holding the clamps may be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="85">
			<td height="85" style="height:85px;width:197px;">Ring stand clamps (2)</td>
			<td style="width:99px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:139px;">02-216-352</td>
			<td style="width:251px;">Any ring stand clamp capable of holding the clamped sheath flow apparatus and light guides may be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:197px;">1, 5, and 60 ml Syringes</td>
			<td style="width:99px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:139px;">14-823-16H; 14-823-16D; 14-820-11</td>
			<td style="width:251px;">Any syringe with known inner diameter and sufficient volume may be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:197px;">Poly(methylmethacrylate) (3.2 mm)</td>
			<td style="width:99px;">McMaster-Carr</td>
			<td style="width:139px;">8560K239</td>
			<td style="width:251px;">Polycarbonate and cyclic olefin copolymer may be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:197px;">Polyether ether ketone (3.2 mm)</td>
			<td style="width:99px;">McMaster-Carr</td>
			<td style="width:139px;">8504K25</td>
			<td style="width:251px;">Solvent resistant machinable materials may be substituted</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:197px;">Aluminum (3.2, 9.5 mm)</td>
			<td style="width:99px;">McMaster-Carr</td>
			<td style="width:139px;">1651T41; 9246K23</td>
			<td style="width:251px;">Substitute other materials as needed</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

microfluidic fabrication of polymeric and biohybrid fibers with predesigned size and shape

נוזל "נדן" העובר דרך ערוץ מיקרופלואידי במספר ריינולדס נמוך יכול להיות מופנה סביב זרם "ליבה" אחר ומשמש להכתיב את הצורה, כמו גם את הקוטר של זרם הליבה. חריצים בחלק העליון והתחתון של ערוץ מיקרופלואידי תוכננו לכוון את נוזל הנדן ולעצב את נוזל הליבה. על ידי התאמת הצמיגות וההידרופיליות של הנדן ונוזלי הליבה, ההשפעות הבין-גזעיות ממוזערות וניתן להיווצר צורות נוזל מורכבות. שליטה בקצבי הזרימה היחסיים של הנדן ונוזלי הליבה קובעת את האזור החתך של נוזל הליבה. סיבים יוצרו בגדלים הנעים בין 300 ננומטר ל - ~ 1 מ"מ, וחתכים סיבים יכולים להיות עגולים, שטוחים, מרובעים או מורכבים כמו במקרה של סיבי עוגן כפולים. פילינג של נוזל הליבה במורד הזרם מאזור העיצוב מחזק את הסיבים. כימאים קליק Photoinitiated מתאימים היטב עבור פולמור מהיר של נוזל הליבה על ידי הקרנה עם אור אולטרה סגול. סיבים עם מגוון רחב של צורות הופקו מרשימה של פולימרים כולל גבישים נוזליים, פולי (מתילמתאקרילאט), תיול-ene ותיול-יין שרפים, פוליאתילן גליקול ונגזרות הידרוג'ל. גזירה מינימלית במהלך תהליך העיצוב ותנאי פולמור מתון גם עושה את תהליך הייצור מתאים היטב אנקפסולציה של תאים ורכיבים ביולוגיים אחרים.

עיצוב דו-שלבי פשוט, תוך שימוש בעיצוב חריצים ושלוש כניסות לפתרון, שימש ליצירת סיבים חלולים (איור 1). סימולציות COMSOL שימשו לקביעת יחסי קצב הזרימה המתאימים כדי להשיג את הגודל החתך הרצוי (איור 1, וידאו ESI). שילוב של כרסום ויציקת ייצר את הרכיבים למכלול זרימת הנדן כדי לייצר את הסיבים (איור 2). ההרכבה המלאה כללה את התקן הזרימה נדן, לייזר UV מצמד סיבים אופטיים, שלוש משאבות מזרק, אמבט איסוף (beaker), סליל איסוף סיבים (איור 3).
פולמור של חומר החיפוי היה ביוזמת מקור אור UV, וסיבים חלולים הוצאו מהמיקרוצ'נל לאמבטיית האיסוף. הסיב נוצר ונאסף ברציפות עד שאור ה- UV כבה. ייצור הסיבים נמשך דקות ויצר סיב בודד באורך של מטר. סיבים שנעשו בתנאים אלה היו כ 200 מיקרומטר קוטר. מבנה הסיבים המחיש באמצעות מיקרוסקופ אופטי ואלקטרון. לסיבים הייתה צורה אליפטית עם ליבה חלולה. פעולה נימי שימשה להחדרת נוזלים ובועות לפנים הסיבים ואישרה כי המבנה החלול היה רציף לאורך הסיבים(איור 4A).
<img alt="Figure 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50958/50958fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig1.jpg"> איור 1. תכנון התקן זרימה נדן ונתוני COMSOL. התקן הייצור בן שני החלקים עם חריצים ישרים נבחר לייצר סיב חלול (מסובב על ציר x 45°). סימולציות COMSOL משמאל ממחישות כיצד יחסי הליבה:חיפוי:קצב זרימה של מעטפת (מספרים מתחת לכל סימולציה) משפיעים על הגודל הסופי של הסיבים החלולים. חתך המיקרו-ערוצי הוא 1 מ"מ x 0.75 מ"מ, והפסים ברוחב 0.38 מ"מ ובעומק של 250 מיקרומטר. הפסים הם ב ∠45° יחסית לערוץ.
<img alt="Figure 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig2highres.jpg" width="500"> איור 2. תצוגה מופרדת של מכלול זרימת נדן. מלמעלה למטה, (A) צ'אק מפרצון, (B) צלחת הידוק, (C) כיסוי microchannel, (D) בסיס מיקרו-ערוצי, (E) צלחת הידוק. הרכיבים מיוצרים מאלומיניום, אלומיניום, COC (או PDMS), COC (או PEEK) ואלומיניום, בהתאמה. החורים במרווחים קבועים מתאימים לברגים להרכבה.
<img alt="Figure 3" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50958/50958fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig3.jpg"> איור 3. תמונה של פריסה ו מבט כולל על סכמטי. ההתקנה כוללת מכלול זרימת נדן מאובטח אנכית מעל הכומתה המכילה אמבט מים, לייזר סיבים אופטיים לצילום, שלוש משאבות מזרק, ציר לאיסוף סיבי פולימר. Inset מראה הרכבה ייצור עם תאורת UV. (A) נדן ומפרצוני ליבה, (B) ערוץ מיקרופלואידי, (C) אור UV, (D) מאגר איסוף, (E) סיבים פולימריים שנאספים.
<img alt="Figure 4" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50958/50958fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig4.jpg"> איור 4. תמונות מיקרוגרף אלקטרונים אופטי וסורק של סיבים שנעשו באמצעות התמקדות הידרודינמית. סיבים כבר מפוברק בצורות הבאות באמצעות התמקדות הידרודינמית: (A) צינורות חלולים, (B) סרטים מלבניים, (C) סרטים אלסטיים דקים, (D) משולשים, (E) שעועית כליות, (F) מחרוזת פנינים, (G) סיבים עגולים עם nanofiber פחמן מוטבע, ו - (H) עוגן כפול בצורת. הסיבים עשויים מחומרים שונים כולל אקרילאטים, מתאקרילאטים ותיל-enes.
 <a href="/files/ftp_upload/50958/ESI_Video.mp4" target="_blank">וידאו ESI.</a> חלקת פרוסה המיוצרת במולטי-פיזיקה של COMSOL המתארת מחצית אחת של מיקרו-שנל עם נוזלי ליבה, חיפוי ומעטפת הנכנסים להתקן וחוצים את חריצי הפס האלכסוניים בעלי שני השלבים. הליבה, החיפוי וקצבי הזרימה המדומים הם 1, 28 ו- 256 μl/min, בהתאמה. הסרטון מייצג ~ 6 שניות בזמן אמת, האט פי 6 למטרות המחשה.

Watch this Scientific Journal Video about Microfluidic Fabrication of Polymeric and Biohybrid Fibers with Predesigned Size and Shape at JoVE.com

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

שני נוזלים סמוכים העוברים דרך ערוץ מיקרופלואידי מחורץ יכולים להיות מכוונים ליצירת נדן סביב ליבת רב-אופן; ובכך לקבוע הן צורה והן חתך רוחב. פולמור Photoinitiated, כגון כימיה לחץ תיול, מתאים היטב לחיזוק במהירות את נוזל הליבה לתוך מיקרופייבר עם גודל וצורה קבועים מראש.

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 ...

microfluidic-fabrication-polymeric-biohybrid-fibers-with-predesigned

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.4K Views.  US Naval Research Laboratory. שני נוזלים סמוכים העוברים דרך ערוץ מיקרופלואידי מחורץ יכולים להיות מכוונים ליצירת נדן סביב ליבת רב-אופן; ובכך לקבוע הן צורה והן חתך רוחב. פולמור Photoinitiated, כגון כימיה לחץ תיול, מתאים היטב לחיזוק במהירות את נוזל הליבה לתוך מיקרופייבר עם גודל וצורה קבועים מראש.

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

Microfluidic Chip Fabrication and Method to Detect Influenza

Fast and effective diagnostics play an important role in controlling infectious disease by enabling effective patient management and treatment. Here, we present an integrated microfluidic thermoplastic chip with the ability to amplify influenza A virus in patient nasopharyngeal (NP) swabs and aspirates. Upon loading the patient sample, the microfluidic device sequentially carries out on-chip cell lysis, RNA purification and concentration steps within the solid phase extraction (SPE), reverse transcription (RT) and polymerase chain reaction (PCR) in RT-PCR chambers, respectively. End-point detection is performed using an off-chip Bioanalyzer (Agilent Technologies, Santa Clara, CA). For peripherals, we used a single syringe pump to drive reagent and samples, while two thin film heaters were used as the heat sources for the RT and PCR chambers. The chip is designed to be single layer and suitable for high throughput manufacturing to reduce the fabrication time and cost. The microfluidic chip provides a platform to analyze a wide variety of virus and bacteria, limited only by changes in reagent design needed to detect new pathogens of interest.

An integrated microfluidic thermoplastic chip has been developed for use as a molecular diagnostic. The chip performs nucleic acid extraction, reverse transcriptase, and PCR. Methods for fabricating and running the chip are described.

ייצור שבבים microfluidic ושיטה לגילוי שפעת

Fast  and effective diagnostics play an important role in controlling infectious  disease by enabling effective patient management and treatment. Here, we ...

Microfluidic Picoliter Bioreactor for Microbial Single-cell Analysis: Fabrication, System Setup, and Operation

In this protocol the fabrication, experimental setup and basic operation of the recently introduced microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) is described in detail. The PLBR can be utilized for the analysis of single bacteria and microcolonies to investigate biotechnological and microbiological related questions concerning, e.g.&#160;cell growth, morphology, stress response, and metabolite or protein production on single-cell level. The device features continuous media flow enabling constant environmental conditions for perturbation studies, but in addition allows fast medium changes as well as oscillating conditions to mimic any desired environmental situation. To fabricate the single use devices, a silicon wafer containing sub micrometer sized SU-8 structures served as the replication mold for rapid polydimethylsiloxane casting. Chips were cut, assembled, connected, and set up onto a high resolution and fully automated microscope suited for time-lapse imaging, a powerful tool for spatio-temporal cell analysis. Here, the biotechnological platform organism Corynebacterium glutamicum&#160;was seeded into the PLBR and cell growth and intracellular fluorescence were followed over several hours unraveling time dependent population heterogeneity on single-cell level, not possible with conventional analysis methods such as flow cytometry. Besides insights into device fabrication, furthermore, the preparation of the preculture, loading, trapping of bacteria, and the PLBR cultivation of single cells and colonies is demonstrated. These devices will add a new dimension in microbiological research to analyze time dependent phenomena of single bacteria under tight environmental control. Due to the simple and relatively short fabrication process the technology can be easily adapted at any microfluidics lab and simply tailored towards specific needs.

In this protocol the fabrication, setup and basic operation of a microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) for single-cell analysis of prokaryotic microorganisms is introduced. Industrially relevant microorganisms were analyzed as proof of principle allowing insights into growth rate, morphology, and phenotypic heterogeneity over certain time periods, hardly possible with conventional methods.

In this protocol the fabrication, experimental setup and basic operation of the recently introduced microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) is described ...

Polymeric Microneedle Array Fabrication by Photolithography

This manuscript describes the fabrication of polymeric microneedle (MN) arrays by photolithography. It involves a simple mold-free process by using a photomask consisting of embedded micro-lenses. Embedded micro-lenses were found to influence MN geometry (sharpness). Robust MN arrays with tip diameters ranging between 41.5 &#181;m &#177; 8.4 &#181;m and 71.6 &#181;m &#177; 13.7 &#181;m, with two different lengths (1,336 &#181;m &#177; 193 &#181;m and 957 &#181;m &#177; 171 &#181;m) were fabricated. These MN arrays may provide potential applications in delivery of low molecular and macromolecular therapeutic agents through skin.

Here, we present a protocol describing a mold-free fabrication process of the polymeric microneedles by photolithography.

ייצור מערך microneedle פולימרית יתוגרפיה

This manuscript describes the fabrication of polymeric microneedle (MN) arrays by photolithography. It involves a simple mold-free process by using a ...

Fabrication of a Bioactive, PCL-based "Self-fitting" Shape Memory Polymer Scaffold

Tissue engineering has been explored as an alternative strategy for the treatment of critical-sized cranio-maxillofacial (CMF) bone defects. Essential to the success of this approach is a scaffold that is able to conformally fit within an irregular defect while also having the requisite biodegradability, pore interconnectivity and bioactivity. By nature of their shape recovery and fixity properties, shape memory polymer (SMP) scaffolds could achieve defect &#8220;self-fitting.&#8221; In this way, following exposure to warm saline (~60 &#186;C), the SMP scaffold would become malleable, permitting it to be hand-pressed into an irregular defect. Subsequent cooling (~37 &#186;C) would return the scaffold to its relatively rigid state within the defect. To meet these requirements, this protocol describes the preparation of SMP scaffolds prepared via the photochemical cure of biodegradable polycaprolactone diacrylate (PCL-DA) using a solvent-casting particulate-leaching (SCPL) method. A fused salt template is utilized to achieve pore interconnectivity. To realize bioactivity, a polydopamine coating is applied to the surface of the scaffold pore walls. Characterization of self-fitting and shape memory behaviors, pore interconnectivity and in vitro bioactivity are also described.

Scaffolds capable of fitting within cranio-maxillofacial (CMF) bone defects while exhibiting osteoconductivity and bioactivity are of interest. This protocol describes the preparation of a shape memory scaffold based on polycaprolactone diacrylate (PCL-DA) using a solvent-casting particulate-leaching (SCPL) method employing a fused salt template and application of a bioactive polydopamine coating.

ייצור של זיכרון מבוסס PCL יו, &quot;עצמית הולם&quot; צורת פולימר פיגום

Tissue engineering has been explored as an alternative strategy for the treatment of critical-sized cranio-maxillofacial (CMF) bone defects. Essential to ...

A Microfluidic Platform for Precision Small-volume Sample Processing and Its Use to Size Separate Biological Particles with an Acoustic Microdevice

A major advantage of microfluidic devices is the ability to manipulate small sample volumes, thus reducing reagent waste and preserving precious sample. However, to achieve robust sample manipulation it is necessary to address device integration with the macroscale environment. To realize repeatable, sensitive particle separation with microfluidic devices, this protocol presents a complete automated and integrated microfluidic platform that enables precise processing of 0.15&#8211;1.5 ml samples using microfluidic devices. Important aspects of this system include modular device layout and robust fixtures resulting in reliable and flexible world to chip connections, and fully-automated fluid handling which accomplishes closed-loop sample collection, system cleaning and priming steps to ensure repeatable operation. Different microfluidic devices can be used interchangeably with this architecture. Here we incorporate an acoustofluidic device, detail its characterization, performance optimization, and demonstrate its use for size-separation of biological samples. By using real-time feedback during separation experiments, sample collection is optimized to conserve and concentrate sample. Although requiring the integration of multiple pieces of equipment, advantages of this architecture include the ability to process unknown samples with no additional system optimization, ease of device replacement, and precise, robust sample processing.

This protocol describes a system architecture for performing automated small volume (0.15&#8211;1.5 ml) particle separations using a microfluidic device, and discusses methods to optimize acoustofluidic device performance and operation.

פלטפורמת microfluidic לעיבוד מדגם Precision הקטן-נפח ושימוש בו לגודל חלקיקים הביולוגיים נפרדים עם Microdevice אקוסטי

A major advantage of microfluidic devices is the ability to manipulate small sample volumes, thus reducing reagent waste and preserving precious sample. ...

Image-guided, Laser-based Fabrication of Vascular-derived Microfluidic Networks

This detailed protocol outlines the implementation of image-guided, laser-based hydrogel degradation for the fabrication of vascular-derived microfluidic networks embedded in PEGDA hydrogels. Here, we describe the creation of virtual masks that allow for image-guided laser control; the photopolymerization of a micromolded PEGDA hydrogel, suitable for microfluidic network fabrication and pressure head-driven flow; the setup and use of a commercially available laser scanning confocal microscope paired with a femtosecond pulsed Ti:S laser to induce hydrogel degradation; and the imaging of fabricated microfluidic networks using fluorescent species and confocal microscopy. Much of the protocol is focused on the proper setup and implementation of the microscope software and microscope macro, as these are crucial steps in using a commercial microscope for microfluidic fabrication purposes that contain a number of intricacies. The image-guided component of this technique allows for the implementation of 3D image stacks or user-generated 3D models, thereby allowing for creative microfluidic design and for the fabrication of complex microfluidic systems of virtually any configuration. With an expected impact in tissue engineering, the methods outlined in this protocol could aid in the fabrication of advanced biomimetic microtissue constructs for organ- and human-on-a-chip devices. By mimicking the complex architecture, tortuosity, size, and density of in vivo vasculature, essential biological transport processes can be replicated in these constructs, leading to more accurate in vitro modeling of drug pharmacokinetics and disease.

This protocol outlines the implementation of image-guided, laser-based hydrogel degradation to fabricate vascular-derived, biomimetic microfluidic networks embedded in poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) hydrogels. These biomimetic microfluidic systems may be useful for tissue engineering applications, generation of in vitro disease models, and fabrication of advanced "on-a-chip" devices.

תמונה מונחה, ייצור מבוסס-לייזר של רשתות Microfluidic הנגזרות דם

This detailed protocol outlines the implementation of image-guided, laser-based hydrogel degradation for the fabrication of vascular-derived microfluidic ...

Fabrication of Three-dimensional Paper-based Microfluidic Devices for Immunoassays

Paper wicks fluids autonomously due to capillary action. By patterning paper with hydrophobic barriers, the transport of fluids can be controlled and directed within a layer of paper. Moreover, stacking multiple layers of patterned paper creates sophisticated three-dimensional microfluidic networks that can support the development of analytical and bioanalytical assays. Paper-based microfluidic devices are inexpensive, portable, easy to use, and require no external equipment to operate. As a result, they hold great promise as a platform for point-of-care diagnostics. In order to properly evaluate the utility and analytical performance of paper-based devices, suitable methods must be developed to ensure their manufacture is reproducible and at a scale that is appropriate for laboratory settings. In this manuscript, a method to fabricate a general device architecture that can be used for paper-based immunoassays is described. We use a form of additive manufacturing (multi-layer lamination) to prepare devices that comprise multiple layers of patterned paper and patterned adhesive. In addition to demonstrating the proper use of these three-dimensional paper-based microfluidic devices with an immunoassay for human chorionic gonadotropin (hCG), errors in the manufacturing process that may result in device failures are discussed. We expect this approach to manufacturing paper-based devices will find broad utility in the development of analytical applications designed specifically for limited-resource settings.

We detail a method to fabricate three-dimensional paper-based microfluidic devices for use in the development of immunoassays. Our approach to device assembly is a type of multilayer, additive manufacturing. We demonstrate a sandwich immunoassay to provide representative results for these types of paper-based devices.

ייצור של מכשירי microfluidic נייר מבוססים תלת ממדי עבור Immunoassays

Paper wicks fluids autonomously due to capillary action. By patterning paper with hydrophobic barriers, the transport of fluids can be controlled and ...

Microfluidic Platform with Multiplexed Electronic Detection for Spatial Tracking of Particles

Microfluidic processing of biological samples typically involves differential manipulations of suspended particles under various force fields in order to spatially fractionate the sample based on a biological property of interest. For the resultant spatial distribution to be used as the assay readout, microfluidic devices are often subjected to microscopic analysis requiring complex instrumentation with higher cost and reduced portability. To address this limitation, we have developed an integrated electronic sensing technology for multiplexed detection of particles at different locations on a microfluidic chip. Our technology, called Microfluidic CODES, combines Resistive Pulse Sensing with Code Division Multiple Access to compress 2D spatial information into a 1D electrical signal. In this paper, we present a practical demonstration of the Microfluidic CODES technology to detect and size cultured cancer cells distributed over multiple microfluidic channels. As validated by the high-speed microscopy, our technology can accurately analyze dense cell populations all electronically without the need for an external instrument. As such, the Microfluidic CODES can potentially enable low-cost integrated lab-on-a-chip devices that are well suited for the point-of-care testing of biological samples.

We demonstrate a microfluidic platform with an integrated surface electrode network that combines resistive pulse sensing (RPS) with code division multiple access (CDMA), to multiplex detection and sizing of particles in multiple microfluidic channels.

פלטפורמת microfluidic עם איתור Multiplexed אלקטרוני למערכות מעקב מרחבית של חלקיקים

Microfluidic processing of biological samples typically involves differential manipulations of suspended particles under various force fields in order to ...

Scalable Fabrication of Stretchable, Dual Channel, Microfluidic Organ Chips

A significant number of lead compounds fail in the pharmaceutical pipeline because animal studies often fail to predict clinical responses in human patients. Human Organ-on-a-Chip (Organ Chip) microfluidic cell culture devices, which provide an experimental in vitro platform to assess efficacy, toxicity, and pharmacokinetic (PK) profiles in humans, may be better predictors of therapeutic efficacy and safety in the clinic compared to animal studies. These devices may be used to model the function of virtually any organ type and can be fluidically linked through common endothelium-lined microchannels to perform in vitro studies on human organ-level and whole body-level physiology without having to conduct experiments on people. These Organ Chips consist of two perfused microfluidic channels separated by a permeable elastomeric membrane with organ-specific parenchymal cells on one side and microvascular endothelium on the other, which can be cyclically stretched to provide organ-specific mechanical cues (e.g., breathing motions in lung). This protocol details the fabrication of flexible, dual channel, Organ Chips through casting of parts using 3D printed molds, enabling combination of multiple casting and post-processing steps. Porous poly (dimethyl siloxane) (PDMS) membranes are cast with micrometer sized through-holes using silicon pillar arrays under compression. Fabrication and assembly of Organ Chips involves equipment and steps that can be implemented outside of a traditional cleanroom. This protocol provides researchers with access to Organ Chip technology for in vitro organ- and body-level studies in drug discovery, safety and efficacy testing, as well as mechanistic studies of fundamental biological processes.

Here, we present a protocol that describes the fabrication of stretchable, dual channel, organ chip microfluidic cell culture devices for recapitulating organ-level functionality in vitro.

ייצור מדרגי של הערוץ מתיחה, כפול, צ'יפס Microfluidic איברים

A significant number of lead compounds fail in the pharmaceutical pipeline because animal studies often fail to predict clinical responses in human ...

A Microfluidic Platform for Stimulating Chondrocytes with Dynamic Compression

Mechanical stimuli are known to modulate biological functions of cells and tissues. Recent studies have suggested that compressive stress alters growth plate cartilage architecture and results in growth modulation of long bones of children. To determine the role of compressive stress in bone growth, we created a microfluidic device actuated by pneumatic pressure, to dynamically (or statically) compress growth plate chondrocytes embedded in alginate hydrogel cylinders. In this article, we describe detailed methods for fabricating and characterizing this device. The advantages of our protocol are: 1) Five different magnitudes of compressive stress can be generated on five technical replicates in a single platform, 2) It is easy to visualize cell morphology via a conventional light microscope, 3) Cells can be rapidly isolated from the device after compression to facilitate downstream assays, and 4) The platform can be applied to study mechanobiology of any cell type that can grow in hydrogels.

This article provides detailed methods for fabricating and characterizing a pneumatically actuating microfluidic device for chondrocyte compression.

פלטפורמת מיקרופלואידיג לעירור כונדרוציטים עם דחיסה דינמית

Mechanical stimuli are known to modulate biological functions of cells and tissues. Recent studies have suggested that compressive stress alters growth ...