Name: prescribed 3-d direct writing of suspended micron/sub-micron scale fiber structures via a robotic dispensing system
Uploaded: 2015-06-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 36 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System at JoVE.com

This work is supported by the NSF-EPSCoR (grant #0814194) and the Department of Bioengineering.

<html> 1. ציוד Set-up <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להרכיב מחלק מערכת ולהתחבר בקר שסתום וחבית מזרק למקור פנאומטי, באמצעות ווסת לחץ, כדי להגדיר את הלחץ בגיל 15 psi לוותר פתרון הפולימר מקצה המחט בקצב זרימה של 2.45 μl / דקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס את מערכת מחלק הרובוט ו 3-ציר למארז תרמי על מנת להבטיח סביבת עבודה יציבה (איור 2). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התקן נקודות משותפת-רובוט בקרה (נקודות JR-C) תוכנה המסופקות על ידי יצרן המערכת ולהתחבר רובוט 3-ציר למחשב דרך יציאת תקשורת טורית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הר מחלק שסתום לרובוט 3 ציר ולהתקין קצה מחט על השסתום. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> רמת גליל דיו השלב רובוטית על פי ההנחיות של היצרן כדי להבטיח שטיחות ביחס לגובה של קצה השסתום 15. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להרכיב דוד-נשלט משוב במתחם כדי להוסיף איכות סביבה. </li></ol>תוכן &quot;FO: לשמור-together.within עמודים =&quot; תמיד &quot;&gt; <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> איור 2. (א) 3-ציר מחלק רובוט עם אבזרים דרושים שוכנים בתוך מתחם; ו, (ב) לסגור את התמונה של שסתום מחלק עם מיקרוסקופ USB המצורף להדמיה. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> 2. חומרים ניסיוניים וגורמי שליטה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שליטה גורמים ושילובם. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> משתנה להאכיל שיעור ממהירות 1% (5 מ&quot;מ / sec) עד 100% (500 מ&quot;מ / sec), על ידי תוכנת C-נקודות JR. ליישום זה, להשתמש במהירות של 2% (10 מ&quot;מ / sec) לפברק מבני סיבים הוצגו בעבודה זו. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להשתנות ריכוזי פתרון פולימר להשיג צמיגות מסוימת, מתח פנים ופרמטרי תנודתיות הנדרשתליישום רצוי. לבקשה זו, להשתמש polymethylmethacrylate 24% (PMMA) בפתרון Chlorobenzene לפברק מבני הסיבים הוצגו בעבודה זו. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להשתנות זמן לוותר שסתום בקרה מ0.02 שניות עד 1 שניות כדי להוציא פתרונות באמצעות אוויר פנאומטי. לבקשה זו, להשתמש 0.02 שניות לפברק מבני הסיבים הוצגו בעבודה זו. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר גודל של מד טיפים מחט דיוק גבוה לוותר פתרונות פולימר. לבקשה זו, השתמש 30 G (קוטר פנימי (ID) = 152.4 מיקרומטר) טיפ לפברק מבני הסיבים הוצגו בעבודה זו. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את טווח טמפרטורת הפעלה בין 70 ° F עד 100 ° F בתיבה מבודדת תרמית כדי לשמור על קצב אידוי מתמיד של מדגם הפולימר. לבקשה זו, השתמש בטמפרטורה של 70 מעלות לפברק מבני הסיבים הוצגו בעבודה זו. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנה של פתרונות פולימר. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מערבביםשרף פולימרים של methacrylate polymethyl (PMMA; 0.72 גר &#39;) עם Chlorobenzene הממס (2.28 גר&#39;) תחת זרם כימי מכסה המנוע. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחשב את המשקל של הפולימר (PMMA) והממס (chlorobenzene) כדי להשיג את הריכוז הרצוי של פולימר בתמיסה. לבקשה זו, להשתמש polymethylmethacrylate 24% (PMMA) בפתרון Chlorobenzene לפברק מבני הסיבים הוצגו בעבודה זו. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים כמות רצויה של אבקת פולימר / שרף לתוך בקבוקון זכוכית. לבקשה זו, להשתמש 0.72 גרם של שרף PMMA להשיג ריכוז 24% מPMMA. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> העבר ממס על פולימר בתוך בקבוקון על ידי פיפטה עד שיגיע למשקל הכולל של 3 גרם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מערבבים את בקבוקון דקות 1 באמצעות שייקר מערבולת וultrasonically לעבד אותם במשך 5 שעות כדי לפזר את אבקת פולימר / השרף לחלוטין. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדוק את השקיפות של פתרונות, אם יש עננות או אטימות למדגם ממשיכות sonicate עד ברור. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדידת צמיגות של פתרונות פולימר. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צמיגויות פתרון מידה באמצעות viscometer חרוט וצלחת (למשל, LVDV-השני + וRVDV-II +) 16. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען 0.5 מיליליטר של מדגם צמיגות ידועה סטנדרטי (תערובת מבוססת גליצרין ומים) המסופק על ידי יצרן viscometer לכייל viscometer כדי למזער טעויות במדידות הצמיגות. היצרן סיפק מגוון רחב של דגימות סטנדרטי לכיול viscometer. השתמש במדגם הסטנדרטי מבוסס גליצרין עם צמיגות של 100,000 CP. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר ז&#39;קט מים לviscometer לשמור על נוזל הבדיקה בטמפרטורת הפעלה קבועה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התחל מדידת נוזל בדיקה על ידי הזזת מתג ההפעלה / כיבוי למצב בליזום סיבוב של הציר. ברגע שהערך של המומנט בלוח התצוגה התייצב, להקליט המומנט ולחשב את הצמיגות הסופית באמצעות הקשר בין המומנט, קבוע מכפיל ציר ומהירות של ציר 16 <img alt="משוואת 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> שבו היא צמיגות, RPM הוא המהירות של הציר המודבק קונוס, TK הוא המומנט (.09373 לLVDV-השני +, 1 לRVDV-II +), SMC הוא קבוע מכפיל ציר שתלוי על הציר הספציפי שבשימוש בצמיגות מדידה. במחקר זה, ציר CP-52 שימש בה יש קבוע מכפיל ציר של 9.83. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדידת מתח פנים של פתרונות פולימר. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שיטת מדידה מתייחסת לטכניקת Wilhelmy. 14 </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים פתרונות בדיקה 1 מיליליטר בבקבוקון זכוכית על איזון ברזולוציה גבוהה (רזולוציה בקנה מידה = 0.001 גרם). טובלים מוט זכוכית בקוטר ידוע לפתרונות בדיקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשלוט על המיקום של מוט באמצעות סרוו או מפעיל ליניארי צעד מבוקר לגעת פני השטח וחלקו לטבול את סוללה בפתרונות בדיקה עם אפס מגע. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לנטר ולהקליט את השינוי במדידת מסה על האיזון כאשרהסרת מוט ממשטח פתרון. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חישוב מתח פנים בכוח השינוי, המערכת של זווית מוט וקשר של נוזל על המוט. <img alt="משוואה 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> שבו למתחם הרטוב של מוט (L = 10.05 מ&quot;מ עם קוטר = 3.2 מ&quot;מ), θ הוא זווית מגע של נוזל על המוט, F הוא כוח שינוי בשל מתח פנים של נוזל בדיקה על קצה המוט. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדידה מקדם העברה המונית של פתרונות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> למדוד מקדמי העברה המוניים של פתרונות פולימר ידי ניתוח טרמוגרווימטריים. 14 </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> 30 μl העומס של פתרון פולימר PMMA 24% (לפי משקל) על צלחת פלטינה לפני מורח חמאת האיזון. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Vent קאמרי התכנית, המכשיר לפעול בטמפרטורה רצויה הפעלה (70 ° F) לשעה 2 כדי לפקח על מסה של פתרונות יעד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחשב את מקדמי ההעברה ההמונית על ידי שינויים במסה של הפתרון,אזור של פתרון / ממשק אוויר וצפיפות. <img alt="משוואה 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> שבו מ &#39;(t) הוא המסה של פתרונות PMMA, הוא האזור של ממשק פתרון / אוויר (שווה 78.5 מ&quot;מ 2 לצלחת סטנדרטית), mPOLYMER היא מסת הפולימר בתמיסה והצפיפות של הפתרון. </li></ol></li></ol> נוהל ניסוי 3. כתיבה ישירה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מחלק מדגם מערכת פרוטוקול טעינה. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען 3 מיליליטר של תמיסת פולימר לתוך חבית המזרק, מקום בוכנה לתוך חבית מזרק לחסל הפצת לחץ פנאומטי עולה בקנה אחד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לסובב את מתאם קו כניסה על חבית המזרק, לחבר אותו לצינור אוויר קו המקור. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר את הגודל רצוי של מד קצה מחט הדיוק לבצע ניסוי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בלוח בקר לוותר, לעבור לטהר מדינה ולחץ על &quot;מחזור&quot; כדי למלא את השסתום לוותר פולימר כךlution עד השתחרר מקצה המחט. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> נגב פתרון פולימר שייר מהקצה בהכנת הליך כתיבת סיבים מתוכנת. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סיבים ישירים לכתוב פולימר עם מערכת מחלק רובוט ו 3-ציר. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לקבוע את שלב הרובוט לקזז כדי למקם מחדש את קצה המחט מחלק מעמדת בית ברירת המחדל לנקודת מיקרו / מבנה סיבים תת-מיקרון נקבע הייזום להיגרר. הר מיקרוסקופ USB (הגדלה = 200X) לתושבת שסתום מערכת מחלק, המתרגמת לאורך ציר Z-. ידני להתמקד בקצה המתקן על ידי התאמת ידית ההתמקדות במיקרוסקופ USB המסייע במיצוב בדיוק קצה השסתום למיקום הרצוי, המצע טרומי או המכשיר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צור / לעצב את תבנית מבנה סיבים הרצויה (איורים 3 א, 4 א, ​​ו5A) באמצעות חבילת תוכנות CAD. קלט קואורדינטות מרחביות (x, y, z) ברובולא JR-C שליטה תוכנה עבור כל נקודות הייזום וסיום בסדר רציף ביחס לתבנית הרצויה שנוצרה במסגרת תכנית CAD (איור 3, 4 ב, ו5B). 15 </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> העבר את תכנית עיצוב מבנה סיבים הושלמו מהמחשב לרובוט על ידי לחיצה על &quot;שלח C &amp; T נתונים&quot; תחת תפריט הרובוט בתוך תוכנת JR-C 15. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען 3 מיליליטר של מדגם פתרון PMMA ריכוז ידוע (24%) לחבית מזרק, שסתום טיהור ומחט, להגדיר את כל הפרמטרים מחלק עבור בקר השסתום ורובוט שליטה תוכנה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים מצע טרומי על גליל דיו שלב הרובוט, לסגור את דלתות מארז התרמית כדי למנוע זרימת אוויר סביבה, אשר יכול לגרום לאידוי יציב של פתרון הפולימר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התחל לכתוב את הסיבים על גבי המצע על ידי לחיצה על תפריט הרובוט מהתוכנה JR-C ובחירה באפשרות &quot;בדיקה פועלת&quot; 15. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מעיל גמגום DC שכבת זהב מוליך מתכת למשך 2 דקות עד ששכבה עבה 2 ננומטר של זהב מופקד על הסיבים נמשכים לאפשר הדמיה של הסיבים במיקרוסקופ האלקטרונים הסורקים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדוד את הקוטר ומבנה של סיבים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק 17. פרמטרים מיקרוסקופ: רמת מתח גבוהה: 2.00 קילו וולט; מטרה: InLens, עבודה מרחק (9.0 מ&quot;מ). </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בצע את הליך ניקוי מערכת מחלק תחת זרימה כימית מכסה המנוע. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הנח את המערכת מחלק בזרימה כימית מכסה המנוע כדי לבצע את הליך הניקוי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפרק שסתום מחט על פי הפרוטוקול של היצרן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את כל חלקי המתכת לתוך כוס, לשפוך אצטון לתוך הכוס עד שכל החלקים שקועים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים כוס באמבטיה קולית במשך 30 דקות כדי להסיר את כל שרידי הפולימר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את כל החלקים מתחת למים זורמים DI, ולאחר מכן להשתמש רובה אוויר לפוצץ אותם יבש. </li></ol></<html> li&gt; </ol><img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" /> איור 3. (א) דוגמא של מבנה שנועד &quot;מרובע&quot; אינטרנט במסגרת x 10 מ&quot;מ 10 מ&quot;מ, (ב) הוראות רציפות מנקודה לנקודה במרחב שהוזנו לתוכנת נקודת JR-C. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן לצפייה גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 4" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> איור 4. (א) דוגמא של מבנה שנועד &quot;סימטרי&quot; אינטרנט במסגרת x 10 מ&quot;מ 10 מ&quot;מ, (ב) הוראות מרחבי מנקודה לנקודה ברצף שהוזן לתוכנת נקודת JR-C.blank &quot;&gt; לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <img alt="איור 5" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" /> 5. דוגמא איור (א) למבנה שנועד &quot;כפול שברון&quot; אינטרנט במסגרת x 10 מ&quot;מ 10 מ&quot;מ, (ב) הוראות מרחבי מנקודה לנקודה ברצף שהוזנה לתוכנת נקודת JR-C. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן לצפייה גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

<ol>
	<li>Andrew, K. E., Glenn, D. P., Simon, M. C., Dietmar, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combining+Electrospun+Scaffolds+with+Electrosprayed+Hydrogels+Leads+to+Three-Dimensional+Cellularization+of+Hybrid+Constructs.">Combining Electrospun Scaffolds with Electrosprayed Hydrogels Leads to Three-Dimensional Cellularization of Hybrid Constructs.</a> Biomacromolecules. 9 (8), 2097-2103 (2008).</li><li>Cho, S. M., Kim, Y. J., Kim, Y. S., Yang, Y., Ha, S. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+application+of+carbon+nanotube-polymer+composite+as+gas+sensing+materials.+Sensors.">The application of carbon nanotube-polymer composite as gas sensing materials. Sensors.</a> Proc. of IEEE. 2, 701-704 (2004).</li><li>Xu, F., Horak, P., Brambilla, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+microfiber+coil+resonator+refractometric+sensor.">Optical microfiber coil resonator refractometric sensor.</a> Optics Express. 15 (12), 7888-7893 (2007).</li><li>Dalton, P. D., Joergensen, N. T., Groll, J., Moeller, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patterned+melt+electrospun+substrates+for+tissue+engineering.">Patterned melt electrospun substrates for tissue engineering.</a> Biomed. Mater. 3 (3), 034109 (2008).</li><li>Hadjizadeh, A., Doillon, C. J., Vermette, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioactive+polymer+fibers+to+direct+endothelial+cell+growth+in+a+three-dimensional+environment.">Bioactive polymer fibers to direct endothelial cell growth in a three-dimensional environment.</a> Biomacromolecules. 8 (3), 864-873 (2007).</li><li>Xu, C. Y., Inai, R., Kotaki, M., Ramakrishna, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aligned+biodegradable+nanofibrous+structure:+a+potential+scaffold+for+blood+vessel+engineering.">Aligned biodegradable nanofibrous structure: a potential scaffold for blood vessel engineering.</a> Biomaterials. 25 (5), 877-886 (2004).</li><li>You, Y. M., Lee, B. L. e. e. S. J., Lee, T. S., Park, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+degradation+behavior+of+electrospun+polyglycolide,+polylactide,+and+poly(lactide-co-glycolide).">In vitro degradation behavior of electrospun polyglycolide, polylactide, and poly(lactide-co-glycolide).</a> J. Appl. Polym. Sci. 95 (2), 193-200 (2005).</li><li>Berry, S., 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=Endothelial+cell+scaffolds+generated+by+3D+direct+writing+of+biodegradable+polymer+microfibers.">Endothelial cell scaffolds generated by 3D direct writing of biodegradable polymer microfibers.</a> Biomaterials. 32 (7), 1872-1879 (2011).</li><li>Dalton, A. B., 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=Super-tough+carbon-nanotube+fibres.">Super-tough carbon-nanotube fibres.</a> Nature. 423, 703 (2003).</li><li>Dalton, A. B., 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=Continuous+carbon+nanotube+composite+fibers:+properties,+potential+applications,+and+problems.">Continuous carbon nanotube composite fibers: properties, potential applications, and problems.</a> J. Mater. Chem. , 1-3 (2004).</li><li>Sperling, L. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Introduction to physical polymer science. , 325-347 (1992).</li><li>Harfenist, S. 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=Direct+drawing+of+suspended+filamentary+micro-+and+nanostructures+from+liquid+polymers.">Direct drawing of suspended filamentary micro- and nanostructures from liquid polymers.</a> Nano. Lett. 4 (10), 1931-1937 (2004).</li><li>Yang, R. R., He, J. H., Xu, L., Yu, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bubble-electrospinning+for+fabricating+nanofibers.">Bubble-electrospinning for fabricating nanofibers.</a> Polymer. 50 (24), 5846-5850 (2009).</li><li>Berry, S., 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=Characterization+and+modeling+of+direct-write+fabrication+of+microscale+polymer+fibers.">Characterization and modeling of direct-write fabrication of microscale polymer fibers.</a> Polymer. 52 (7), 1654-1661 (2011).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Janome Desktop Robot JR2000N Series Operation Manual. , (2007).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Brookfield DV-II+ Programmable Viscometer Operating Manual, Manual No. M/97-164-B299. , (1999).</li><li>Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Scanning and transmission electron microscopy : an introduction. , (1993).</li><li>Berry, S. M., Pabba, S., Cohn, R. W., Keynton, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct-Write+Drawing+of+Carbon+Nanotube/Polymer+Composite+Microfibers.">Direct-Write Drawing of Carbon Nanotube/Polymer Composite Microfibers.</a> J. Nanomater. 2012, 1-8 (2012).</li><li>Berry, S. M., Roussel, T. J., Cambron, S. D., Cohn, R. W., Keynton, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+suspended+electrokinetic+microchannels+from+directly-written+sacrificial+polymer+fibers.">Fabrication of suspended electrokinetic microchannels from directly-written sacrificial polymer fibers.</a> Microfluid. Nanofluid. 13, 451-459 (2012).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

לפני שאנסה כל ניסוי, זה קריטי, כי בדיקת צמיגות, מקדמי העברה המוניים ומתח פנים של פתרונות הפולימר למדוד במדויק על מנת לקבוע האם המערכת מחלק הרובוט והוא מסוגל לעבד הפולימר הרצוי. כפי שתואר בעבר על ידי הקבוצה שלנו, פתרונות הפולימר חייבים לשמור נאותים: 1) מתח פנים כדי לאפשר ההיווצרות של חוטי נוזל לתוך מבנים / תת-מיקרון מיקרון; 2) צמיגות לעמוד נימים להיפרד; ו, 3 שיעור אידוי) כדי לשפר את מיצוק סיבים 18. הסינרגיה בין הפרמטרים אלה היא מפתח להצלחה לייצר סיבים על פני טווח מוגדר של קטרים. במקביל, חוסר יציבות בכל הפרמטרים הללו מונע היווצרות של מיקרון / סיבי קנה מידה תת-מיקרון. כדי לשמור את הסינרגיה בין הפרמטרים אלה במהלך ייצור סיבים, חשוב לוודא שהמחט ושסתום מחט מנקים ביסודיות לאחר s ישירה לכתובession למנוע: 1) זיהום של הפתרון; 2) ירידה בקצב זרימת פתרון פולימר דרך המחט; ו, 3) צמיחה מוגזמת בחרוז הפולימר בקצה המחט. בנוסף, טמפרטורת בקר בתנור חייב להיות מוגדר לטמפרטורה הרצויה לשמור על קצב אידוי מתמיד של פתרון הפולימר. סיבי הסניף מפוצלים היו 59%, 41% ו -24% גדולים יותר בקוטר מזו של מבני תמיכה באיורים 6-8, בהתאמה, באמצעות פתרון PMMA 24%. זה נובע בעיקר מהמרחק שבו הסיבים נמשכים. באופן ספציפי, מבני התמיכה נמשכים על פני כל הרוחב של המצע (10.0 מ&quot;מ בX ו- Y כיוונים; 14.4 מ&quot;מ באלכסון). כתוצאה מכך, אלה הם הסיבים הארוכים ביותר של המבנים התלויים הכולל. מבני הסניף מפוצלים הם קצרים יותר באופן משמעותי, החל מאורך מרבי 7 מ&quot;מ עד 2.5 מ&quot;מ. אורך ציור סיבים קצר זה עושה לאיעילות לא לגרום למתח הסיבים הנדרשים במהלך תהליך דילול הסיבים כדי לייצר את הסיבים בקוטר הקטנים. מצד השני, חוטים בקוטר גדולים יותר נדרשים לשמש סיבי התמיכה כדי לקיים את המשיכה ועיוות הנגרמת בתהליך ציור הסניף מפוצל ביעילות. כסניפי הסתעפות נמשכים על פני סיבי התמיכה, שיפוץ של הגיאומטריה סיבי תמיכה יכול להתרחש עקב כוחות הציור, כמו גם פירוק מקומי של פולימר PMMA בממשק שבין התמיכה וסיבים מסועפים מההווה הממס ב פתרון פולימר. לפיכך, במקרים מסוימים, סיבי התמיכה ייתכן שיהיו הצורך מפוברק מפתרון פולימר המורכב מריכוז גבוה של פולימר לייצר קוטר וסיבים מכניים חזקים יותר. יש בעיקר שלוש שיטות יעילות לשינוי הפרוטוקול הקיים כדי ליצור מגוון רחב יותר של תמיכה וסיבים מסועפיםקטרים: 1) בתחילה לוותר הפולימר מקצה מחט גדולה יותר (לדוגמא, 25 G; ID = 254 מיקרומטר) כדי ליצור את סיבי תמיכה ולאחר מכן להחליף לקצה מחט קטנה יותר (למשל, 32 G; ID = 101.6 מיקרומטר) לפברק סיבי קנים הקטנים יותר; 2) כפי שצוין לעיל, להשתמש ריכוזי פולימר מרובים; ו / או, 3) להתאים את קצב ההזנה, כלומר, המהירות שבה חוצה את הבמה, בהם הגדלת שיעור ההזנה מייצר סיבים בקוטר קטנים יותר, ולהקטין את שיעור ההזנה יוצרת סיבים בקוטר גדולים יותר. עד כה, הצלחנו לפברק הצלחת סיבים קטן כמו 90 ננומטר; עם זאת, תשואת הסיבים בממד זה היא נמוך בשל התפרקות נימים. מגבלה אחת של תהליך הכתיבה הישיר האוטומטי היא שרק אחד ריכוז של פתרון פולימר ניתן לוותר בכל פעם. זה מגביל את רמת מורכבות של המבנים התלויים כדי להתפתח מבלי: 1) להוסיף שסתום מחלק שני לרובוט;או, 2) להסיר את השסתום הקיים ולבצע את פרוטוקול הניקוי (סעיף 3.4) לפני ניפוק פתרון הפולימר השני, שלוקח זמן נוסף. מגבלה שנייה היא שיעור ההזנה (או מהירות הדפסה), שבה שיעור ההזנה המרבי שהמערכת מסוגלת להשיג הוא 500 מ&quot;מ / sec. עם זאת, יש איזון בין שיעור הזנה והיווצרות סיבים. באופן ספציפי, אם כוחות האינרציה (כוחות בשל שיעור ההזנה) הם גדולים יותר מכוחות מתח הפנים וקצב אידוי של פתרון הפולימר, היווצרות סיבים אינה מתרחשת. מצד השני, אם שיעור ההזנה הוא נמוך מדי, סיבים יהיו שבר בשל התאדות מופרזת לפני ובמהלך תהליך התארכות. שלישית, ממדי סיבים ומבנה מוגבלים לטווח הפעולה של השלב של הרובוט, כלומר, 200 מ&quot;מ, 200 מ&quot;מ ו -25 מ&quot;מ (עם דיוק מיקום 10 מיקרומטר) בכיווני x, y ו- z, בהתאמה. עם זאת, תהליך זה עושה לאפשר ההיווצרות של יחס ממדים גבוה (L סיביםסיבים בקוטר): ength. אסטרטגי שונה בגודל הקצה מחלק וריכוז פתרון הפולימר יאפשר למגוון רחב יותר בקוטר סיבים, יוצר את היכולת ליצור מבנים תלויים באופן חופשי של מורכבות גבוהה. על ידי ביצוע הפרוטוקולים האמורים לעיל, יכולים להיות שנוצרו סיבים פולימריים מיקרון וקוטר submicron עם רמה גבוהה של שליטה במרחב על ידי ניצול מכניקת המשטח מונע מתח הנוזל של פתרונות הפולימר, שלא ניתן לשלוט בכל תהליכים רטובים, יבשים או electrospinning אחרים . מהעבודה לפני 8,19, אנו יודעים כי טכניקה זו יכולה להיות מנוצלת כדי לפברק התקני מיקרו / submicron המורכב fluidic 19 ופיגומי bioengineered 8. יש טכניקה זולה וקלה זה יתרונות משלה על פני שיטות ייצור מסורתיות פלנר בדרכים רבות.

במהלך העשורים האחרונים, מגוון רחב של טכניקות ייצור, כגון ספינינג הרטוב, ספינינג היבש וelectrospinning, להיות מועסק כדי ליצור מבני פולימר סיבי רומן עם תכונות מגוונות וחזקים ביולוגיות, כימית, חשמליות ומכאניות 1-12. למרות טכניקות ספינינג אלה הן מסוגלים לייצר מושעים סיבים תלת-ממדיים, שהם מוגבלים ביכולתם לשלוט במדויק כיוון סיבים בשלושה ממדים מאז תצהיר סיבים באמצעות תהליכים אלה הם אקראיים בטבע. בנוסף, טכניקות אלה מוגבלים בטווח ממדים שלהם לייצור סיבים; במיוחד, סיבים מיוצרים באמצעות ספינינג הרטוב והיבש שונים בקוטר בין עשרות למאות מיקרונים, ואילו electrospinning סיבי תשואות בקטרים ​​הנעים בין עשרות ננומטרים למיקרון בודד 13. כדי לספק שליטה מדויקת יותר של נטייה סיבים בחלל 3-D, הקבוצה שלנו פותחה עצמית-assemble או תהליך &quot;ישיר לכתוב&quot; סיבי ייצור ישירות פולט חומר פולימרים מנימים חלולות ולאחר מכן מושך חוטים בודדים שדקים והופכים לקטרי סיבים צפויים על ידי ניצול מכניקה מונע מתח פן נוזל 14. המערכת ישירה לכתוב הראשונית שלנו להגדלת רמת השליטה של עמדת סיבים וקוטר כלל מערכת מחלק המזרק מותאמת אישית מפוברקת קפיץ המחובר לראשו של מנהג עשה אולטרה-דיוק גבוה Micromilling מכונת (איור 1). היה לי UHPMM במה עם רזולוציה positional של 1.25 ננומטר בכיווני X ו- Y ו- 20 ננומטר בכיוון Z שתיכנותי מבוקר כדי ליצור מיקרון וחוטים בקנה מידה תת-מיקרון ומבנים. מגבלה אחת של מערכת כותב את זה בפרט ישיר הייתה חוסר בקרת זרימה של פתרון הפולימר באמצעות קצה המחט. למרות שהמערכה מחלק הקפיץ נוצרה פלו מתמיד בהצלחהw דרך הקצה, חרוז כדורי הולכים ומתרחב של פתרון פולימר נוצר בנקודת היציאה של קצה המזרק, שהיה שונה בגודל ובנפח בהתאם לתנאים סביבתיים. <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> איור 1. תמונה של מכונת גבוהה Precision Micromilling Ultra:. מערכת הכתיבה הישירה הראשונה מועסקות בבודת מבנים בקנה מידה מיקרון / תת-מיקרון <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> חוסר העקביות של חרוז מקור זה השפיע על היכולת של המערכת לפברק שוב ושוב חוטים בקוטר שנקבע. אם כי, מבנים שנוצרו בהצלחה באמצעות תהליך כתיבה ישיר זה, שיפור של התהליך על ידי הגדלת שליטה של ​​זרימת פתרון פולימר יאפשר ליותר preciSE, שנקבע בקטרים ​​סיבים באמצעות רגולציה של גודל חרוז בקצה המזרק. כך, עבודה זו מתארת ​​היישום של מערכת מחלק אוטומטי 3 ציר עם שסתום מונע פניאומטית מתקן דווקא לשלוט על גודל קצב זרימת פתרון פולימר וחרוז הקצה ליצור נקבע, מיקרון מבנים מושעים / תת-מיקרון.

<table><tbody><tr><td>ROBOT DR2203N 3 AXES 200MM X 200MM</td><td>Nordson EFD</td><td>7023145</td><td>3-Axis Robot</td></tr><tr><td>CONTROLLER 7100, DISPENSE VALVE</td><td>Nordson EFD</td><td>7015340</td><td>Valve Controller</td></tr><tr><td>MICRODOT VALVE</td><td>Nordson EFD</td><td>7021233</td><td>Microdot Valve</td></tr><tr><td>ROBOT ACC FIXTURE PLATE 200MM</td><td>Nordson EFD</td><td>7028276</td><td>Fixture Platen</td></tr><tr><td>ROBOT ACC DRN / DSRN POINTS SOFTWAR</td><td>Nordson EFD</td><td>7023144</td><td>JR-C Software</td></tr><tr><td>ROBOT MOUNT VALVE UNIVERSAL</td><td>Nordson EFD</td><td>7028273</td><td>Microdot Valve Mount</td></tr><tr><td>15 PSI BARREL PRESS. REGULATOR</td><td>Nordson EFD</td><td>7020585</td><td>Barrel Regulator</td></tr><tr><td>KIT O BRL/PIST 5CC CL/WH 40</td><td>Nordson EFD</td><td>7012096</td><td>5CC Barrels with Pistons</td></tr><tr><td>ADAPTER ASM O 5CC BL</td><td>Nordson EFD</td><td>7012054</td><td>Pneumatic Barrel Adapter</td></tr><tr><td>TIP 30GA .006X.25 LAVNDR 50PC</td><td>Nordson EFD</td><td>7018424</td><td>30 gauge Needle Tip (0.250&quot; length)</td></tr><tr><td>Electric Baseboard Heater (500&amp;nbsp;W, 30&quot; length)</td><td>Cadet</td><td>2F500</td><td>Heater</td></tr><tr><td>Temperature Controller with Timer</td><td>Control Company</td><td>130726596</td><td>Temperature Controller</td></tr><tr><td>eScope USB Microscope</td><td>OiTez</td><td>DP-M02</td><td>200X USB Microscope</td></tr><tr><td>Poly(methyl methacrylate)</td><td>Aldrich</td><td>182265-500G</td><td>PMMA Powder</td></tr><tr><td>Chlorobenzene</td><td>Sigma Aldrich</td><td>284513</td><td>Solvent to dissolve PMMA</td></tr></tbody></table>

prescribed 3-d direct writing of suspended micron/sub-micron scale fiber structures via a robotic dispensing system

A 3-axis dispensing system is utilized to control the initiating and terminating fiber positions and trajectory via the dispensing software. The polymer fiber length and orientation is defined by the spatial positioning of the dispensing system 3-axis stages. The fiber diameter is defined by the prescribed dispense time of the dispensing system valve, the feed rate (the speed at which the stage traverses from an initiating to a terminating position), the gauge diameter of the dispensing tip, the viscosity and surface tension of the polymer solution, and the programmed drawing length. The stage feed rate affects the polymer solution&#8217;s evaporation rate and capillary breakup of the filaments. The dispensing system consists of a pneumatic valve controller, a droplet-dispensing valve and a dispensing tip. Characterization of the direct write process to determine the optimum combination of factors leads to repeatedly acquiring the desired range of fiber diameters. The advantage of this robotic dispensing system is the ease of obtaining a precise range of micron/sub-micron fibers onto a desired, programmed location via automated process control. Here, the discussed self-assembled micron/sub-micron scale 3D structures have been employed to fabricate suspended structures to create micron/sub-micron fluidic devices and bioengineered scaffolds.

תמונות של המבנים בפועל הופקו באמצעות רובוט 3 הציר ושיטת כתיבה ישירה לכל אחד מהעיצובים המתאימים ואלגוריתמי JR C-פוינט שהוגדרו בדמויות 3-5A &amp; B מעל מוצגות ב6A דמויות, 7 א &amp; 8A. כפי שניתן לראות בתמונות וכתוצאה מכך, סיבים תלת-ממדיים, הושעו באופן חופשי כבר בהצלחה &quot;נכתב&quot; על מצעים על ידי בדיוק המניפולציה קצה המתקן למקומות המרחבי נקבעו כולל הייזום / סיום נקודות, כמו גם נקודות של צומת. ריבועי של נתונים אלה להגדיל את נקודות החיתוך של סיבים מושעים, המדגימים את יכולתה של המערכת לשלוט במדויק כיוון סיבים (איורים 6 ב, 7 ב &amp; 8B) בחלל 3-D. <img alt="איור 6" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> איור 6. (א) אופ<html> תמונת tical של מפוברק &quot;מרובע&quot; מבנה אינטרנט מושעה יש 2 סיבי תמיכה (אלכסונים) ו -12 מפוצלת סיבים מסועפים PMMA (15x הגדלה אופטי; בר = מ&quot;מ בקנה מידה 1), תמונה (ב) SEM של סיבים מפוצלים יחידים (הגדלת 289X; קנה מידה בר = 100 מיקרומטר). <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 7" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> איור 7. (א) תמונה אופטית של מפוברק מבנה &quot;סימטרי&quot; מושעה אינטרנט יש סיבי 1 תמיכה (אופקיים) ו -11 מפוצלת סיבי PMMA מסועפים (15x הגדלה אופטי; בר = מ&quot;מ בקנה מידה 1), (ב) תמונת SEM של אחת מפוצל סיבים (הגדלת 107X; הסרגל = 100 מיקרומטר).&quot;Target =&quot; _ 52834fig7large.jpg blank &quot;&gt; לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <img alt="איור 8" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> איור 8. תמונה אופטית של מפוברק &quot;שברון כפול&quot; () הושעה מבנה אינטרנט יש סיבי 1 תמיכה (אופקיים) ו -22 מפוצלת סיבי PMMA מסועפים (15x הגדלה אופטי; בר = מ&quot;מ בקנה מידה 1), (ב) תמונת SEM של יחיד סיבים מפוצלים. (הגדלה 80x; בר = 100 מיקרומטר בקנה מידה) <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> 9 מציג איור לסגור את האור כדי נקודה לנקודה רציפה של ייצור סיבים שבמערכת מחלק הרובוט ו 3-ציר יכולים ליצור מבנים-כמו האינטרנט הושעו באופן חופשי. עמ &#39;<html> נקודות מגע olymer המוצגות עם מספרים מתאימות לייזום המתוכנתים ונקודות סיום בתוכנת JR-C בהפניה באיור 3 לעיל. החצים מייצגים מסלול רובוט. איור 10 מיקרון מציג וסיבים פולימריים submicron, אשר מדגים את יכולתה של מערכת הכתיבה הישירה לפברק חוטים בגדלים שונים. <img alt="איור 9" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> איור 9. תמונת SEM הממחישה את סדר ייצור נקודה לנקודה רציף לציור סיבי מיקרון וsubmicron הפולימר (הגדלת 29X; בר = 200 מיקרומטר בקנה מידה). <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> 2,834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; איור 10. SEM תמונה של מיקרון (6.5 מיקרומטר) ותת-מיקרון (555 ננומטר) סיבים נמשכים באמצעות 20% פתרון פולימר PMMA הריכוז. (הגדלת 2,270X; בר = 2 מיקרומטר בקנה מידה) <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של נתון זה.</a> אורך סיבי פולימרים וקוטר נמדדו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. לוח 1 מציג את קוטר החוט הממוצע לכל מבנה ייחודי המוצג באיורים 6-8 לעיל מתאים לסיבי סניף מפוצלים והסיבים התמיכה. טבלה 2 מציג את הפרמטרים הפולימר שנמדדו מפתרונות PMMA 24% שנוצלו לפברק המבנים שצוינו לעיל. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td></td><td> קוטר מבנה באיור 6</td><td> קוטר מבנה באיור 7 </td><td> קוטר מבנה באיור 8 </td></tr><tr><td> סיבי תמיכה </td><td> 8.65 ± 1.43 מיקרומטר </td><td> 9.39 ± 1.23 מיקרומטר </td><td> 9.31 ± 1.65 מיקרומטר </td></tr><tr><td> סיבי סניף </td><td> 20.96 ± 3.35 מיקרומטר </td><td> 15.92 ± 1.44 מיקרומטר </td><td> 12.24 ± 5.42 מיקרומטר </td></tr></tbody></table> טבלת 1. קוטר ממוצע של סיבי תמיכה וסניף מושעים מוצג איורים 6-8 לפתרון PMMA 24%. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td></td><td> PMMA 24% </td></tr><tr><td> צמיגות (אבא * שניות) </td><td> 35.19 </td></tr><tr><td> מתח פנים (MN / מ &#39;) </td><td> 262.01 </td></tr><tr><tד&gt; העברת המסה מקדם (מ &#39;/ שנייה) </td><td> 8.59 x 10 -8 </td></tr></tbody></table> טבלת 2. פרמטרים פולימר של פתרונות PMMA 24% שנוצלו לפברק מבני הסיבים הוצגו בעבודה זו.

Watch this Scientific Journal Video about Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System at JoVE.com

Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לפברק בחופשיות-מושעים, מיקרון / סיבים תת-מיקרון בקנה מידה פולימר ומבנים &quot;, כמו אינטרנט&quot; שנוצרו באמצעות הליך כתיבה ישיר אוטומטי באמצעות מערכת מחלק 3-ציר.

נקבעה 3-D ישיר כתיבה של / מבנים תת-מיקרון מיקרון מושעה סיבי קנה מידה באמצעות מערכת רובוטית חלוקה

A 3-axis dispensing system is utilized to control the initiating and terminating fiber positions and trajectory via the dispensing software. The polymer ...

prescribed-3-d-direct-writing-suspended-micronsub-micron-scale-fiber

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

8.0K Views.  University of Louisville.  כאן, אנו מציגים פרוטוקול לפברק בחופשיות-מושעים, מיקרון / סיבים תת-מיקרון בקנה מידה פולימר ומבנים ", כמו אינטרנט" שנוצרו באמצעות הליך כתיבה ישיר אוטומטי באמצעות מערכת מחלק 3-ציר. 

Video: Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System

Fabrication, Densification, and Replica Molding of 3D Carbon Nanotube Microstructures

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip devices, and their applications. In particular, capabilities for cost-effective fabrication of polymer microstructures were transformed by the advent of soft lithography and other micromolding techniques 1, 2, and this led a revolution in applications of microfabrication to biomedical engineering and biology. Nevertheless, it remains challenging to fabricate microstructures with well-defined nanoscale surface textures, and to fabricate arbitrary 3D shapes at the micro-scale. Robustness of master molds and maintenance of shape integrity is especially important to achieve high fidelity replication of complex structures and preserving their nanoscale surface texture. The combination of hierarchical textures, and heterogeneous shapes, is a profound challenge to existing microfabrication methods that largely rely upon top-down etching using fixed mask templates. On the other hand, the bottom-up synthesis of nanostructures such as nanotubes and nanowires can offer new capabilities to microfabrication, in particular by taking advantage of the collective self-organization of nanostructures, and local control of their growth behavior with respect to microfabricated patterns. 
Our goal is to introduce vertically aligned carbon nanotubes (CNTs), which we refer to as CNT "forests", as a new microfabrication material. We present details of a suite of related methods recently developed by our group: fabrication of CNT forest microstructures by thermal CVD from lithographically patterned catalyst thin films; self-directed elastocapillary densification of CNT microstructures; and replica molding of polymer microstructures using CNT composite master molds. In particular, our work shows that self-directed capillary densification ("capillary forming"), which is performed by condensation of a solvent onto the substrate with CNT microstructures, significantly increases the packing density of CNTs. This process enables directed transformation of vertical CNT microstructures into straight, inclined, and twisted shapes, which have robust mechanical properties exceeding those of typical microfabrication polymers. This in turn enables formation of nanocomposite CNT master molds by capillary-driven infiltration of polymers. The replica structures exhibit the anisotropic nanoscale texture of the aligned CNTs, and can have walls with sub-micron thickness and aspect ratios exceeding 50:1. Integration of CNT microstructures in fabrication offers further opportunity to exploit the electrical and thermal properties of CNTs, and diverse capabilities for chemical and biochemical functionalization 3.

We present methods for fabrication of patterned microstructures of vertically aligned carbon nanotubes (CNTs), and their use as master molds for production of polymer microstructures with organized nanoscale surface texture. The CNT forests are densified by condensation of solvent onto the substrate, which significantly increases their packing density and enables self-directed formation of 3D shapes.

ייצור, Densification, העתק דפוס של Microstructures Nanotube 3D פחמן

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip ...

A Method to Fabricate Disconnected Silver Nanostructures in 3D

The standard nanofabrication toolkit includes techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating metal patterns on a submicron scale requires a combination of nanofabrication tools and several material processing steps. For example, steps to create planar metal structures using ultraviolet photolithography and electron-beam lithography can include sample exposure, sample development, metal deposition, and metal liftoff. To create 3D metal structures, the sequence is repeated multiple times. The complexity and difficulty of stacking and aligning multiple layers limits practical implementations of 3D metal structuring using standard nanofabrication tools. Femtosecond-laser direct-writing has emerged as a pre-eminent technique for 3D nanofabrication.1,2 Femtosecond lasers are frequently used to create 3D patterns in polymers and glasses.3-7 However, 3D metal direct-writing remains a challenge. Here, we describe a method to fabricate silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm. The method enables the fabrication of patterns not feasible using other techniques, such as 3D arrays of disconnected silver voxels.8 Disconnected 3D metal patterns are useful for metamaterials where unit cells are not in contact with each other,9 such as coupled metal dot10,11or coupled metal rod12,13 resonators. Potential applications include negative index metamaterials, invisibility cloaks, and perfect lenses.
In femtosecond-laser direct-writing, the laser wavelength is chosen such that photons are not linearly absorbed in the target medium. When the laser pulse duration is compressed to the femtosecond time scale and the radiation is tightly focused inside the target, the extremely high intensity induces nonlinear absorption. Multiple photons are absorbed simultaneously to cause electronic transitions that lead to material modification within the focused region. Using this approach, one can form structures in the bulk of a material rather than on its surface.
Most work on 3D direct metal writing has focused on creating self-supported metal structures.14-16 The method described here yields sub-micrometer silver structures that do not need to be self-supported because they are embedded inside a matrix. A doped polymer matrix is prepared using a mixture of silver nitrate (AgNO3), polyvinylpyrrolidone (PVP) and water (H2O). Samples are then patterned by irradiation with an 11-MHz femtosecond laser producing 50-fs pulses. During irradiation, photoreduction of silver ions is induced through nonlinear absorption, creating an aggregate of silver nanoparticles in the focal region. Using this approach we create silver patterns embedded in a doped PVP matrix. Adding 3D translation of the sample extends the patterning to three dimensions.

Femtosecond-laser direct-writing is frequently used to create three-dimensional (3D) patterns in polymers and glasses. However, patterning metals in 3D remains a challenge. We describe a method for fabricating silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm.

שיטה לפברק ננו כסף המנותק ב-3D

The standard nanofabrication toolkit includes  techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating  metal patterns on a ...

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

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material fabrication techniques are able to mimic the complexity of these structures while maintaining scalability. The Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) process is able to do so. This process uses sacrificial fibers as a template to form hollow, cylindrical microchannels embedded within a matrix. Tin (II) oxalate (SnOx) is embedded within poly(lactic) acid (PLA) fibers which facilitates the use of this process. The SnOx catalyzes the depolymerization of the PLA fibers at lower temperatures. The lactic acid monomers are gaseous at these temperatures and can be removed from the embedded matrix at temperatures that do not damage the matrix. Here we show a method for aligning these fibers using micromachined plates and a tensioning device to create complex patterns of three-dimensionally arrayed microchannels. The process allows the exploration of virtually any arrangement of fiber topologies and structures.

The Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) process is used to fabricate microvascular structures. This procedure uses sacrificial poly(lactic) acid fibers to form hollow microchannels with precise 3D geometric positioning provided by laser micromachined guide plates.

תהליך של הפיכת Microstructures תלת ממדי באמצעות אידוי של רכיב של קורבן

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

Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

Printed electronics rely on low-cost, large-area fabrication routes to create flexible or multidimensional electronic, optoelectronic, and biomedical devices1-3. In this paper, we focus on one- (1D), two- (2D), and three-dimensional (3D) printing of conductive metallic inks in the form of flexible, stretchable, and spanning microelectrodes.
Direct-write assembly4,5 is a 1-to-3D printing technique that enables the fabrication of features ranging from simple lines to complex structures by the deposition of concentrated inks through fine nozzles (~0.1 - 250 &mu;m). This printing method consists of a computer-controlled 3-axis translation stage, an ink reservoir and nozzle, and 10x telescopic lens for visualization. Unlike inkjet printing, a droplet-based process, direct-write assembly involves the extrusion of ink filaments either in- or out-of-plane. The printed filaments typically conform to the nozzle size. Hence, microscale features (&lt; 1 &mu;m) can be patterned and assembled into larger arrays and multidimensional architectures.
In this paper, we first synthesize a highly concentrated silver nanoparticle ink for planar and 3D printing via direct-write assembly. Next, a standard protocol for printing microelectrodes in multidimensional motifs is demonstrated. Finally, applications of printed microelectrodes for electrically small antennas, solar cells, and light-emitting diodes are highlighted.

Planar and three-dimensional printing of conductive metallic inks is described. Our approach provides new avenues for fabricating printed electronic, optoelectronic, and biomedical devices in unusual layouts at the microscale.

הדפסה מישוריים תלת ממדי של דיו מוליך

Printed electronics rely on low-cost, large-area fabrication routes to create flexible or multidimensional electronic, optoelectronic, and biomedical ...

Bioengineering

Manufacturing of Three-dimensionally Microstructured Nanocomposites through Microfluidic Infiltration

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite in&#64257;ltration of 3D interconnected microfluidic networks. The manufacturing of the reinforced beams begins with the fabrication of microfluidic networks, which involves layer-by-layer deposition of fugitive ink filaments using a dispensing robot, filling the empty space between filaments using a low viscosity resin, curing the resin and finally removing the ink.&#160;Self-supported 3D structures with other geometries and many layers (e.g.&#160;a few hundreds layers) could be built using this method. The resulting tubular micro&#64258;uidic networks are then infiltrated with thermosetting nanocomposite suspensions containing nanofillers (e.g.&#160;single-walled carbon nanotubes), and subsequently cured. The infiltration is done by applying a pressure gradient between two ends of the empty network (either by applying a vacuum or vacuum-assisted microinjection). Prior to the infiltration, the nanocomposite suspensions are prepared by dispersing nanofillers into polymer matrices using ultrasonication and three-roll mixing methods. The nanocomposites (i.e.&#160;materials infiltrated) are then solidified under UV exposure/heat cure, resulting in a 3D-reinforced composite structure. The technique presented here enables the design of functional nanocomposite macroscopic products for microengineering applications such as actuators and sensors.

Three-dimensional (3D) microstructured composite beams are fabricated through the directed and localized infiltration of nanocomposites into 3D porous microfluidic networks. The flexibility of this manufacturing method enables the utilization of different thermosetting materials and nanofillers in order to achieve a variety of functional 3D reinforced nanocomposite macroscopic products.

ייצור של Nanocomposites microstructured תלת ממדי באמצעות Microfluidic הסתננות

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite ...

Chemistry

Laser-induced Forward Transfer of Ag Nanopaste

Over the past decade, there has been much development of non-lithographic methods1-3 for printing metallic inks or other functional materials. Many of these processes such as inkjet3 and laser-induced forward transfer (LIFT)4 have become increasingly popular as interest in printable electronics and maskless patterning has grown. These additive manufacturing processes are inexpensive, environmentally friendly, and well suited for rapid prototyping, when compared to more traditional semiconductor processing techniques. While most direct-write processes are confined to two-dimensional structures and cannot handle materials with high viscosity (particularly inkjet), LIFT can transcend both constraints if performed properly. Congruent transfer of three dimensional pixels (called voxels), also referred to as laser decal transfer (LDT)5-9, has recently been demonstrated with the LIFT technique using highly viscous Ag nanopastes to fabricate freestanding interconnects, complex voxel shapes, and high-aspect-ratio structures. In this paper, we demonstrate a simple yet versatile process for fabricating a variety of micro- and macroscale Ag structures. Structures include simple shapes for patterning electrical contacts, bridging and cantilever structures, high-aspect-ratio structures, and single-shot, large area transfers using a commercial digital micromirror device (DMD) chip.

We demonstrate the use of the Laser-induced forward transfer technique (LIFT) for the printing of high-viscosity Ag paste. This technique offers a simple, low temperature, robust process for non-lithographically printing microscale 2D and 3D structures.

העברה קדימה-induced לייזר של Ag Nanopaste

Over the past decade, there has been much development of non-lithographic methods1-3 for printing metallic inks or other functional materials. Many of ...

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

A &#8220;sheath&#8221; fluid passing through a microfluidic channel at low Reynolds number can be directed around another &#8220;core&#8221; stream and used to dictate the shape as well as the diameter of a core stream.&#160;Grooves in the top and bottom of a microfluidic channel were designed to direct the sheath fluid and shape the core fluid.&#160;By matching the viscosity and hydrophilicity of the sheath and core fluids, the interfacial effects are minimized and complex fluid shapes can be formed.&#160;Controlling the relative flow rates of the sheath and core fluids determines the cross-sectional area of the core fluid.&#160;Fibers have been produced with sizes ranging from 300 nm to ~1 mm, and fiber cross-sections can be round, flat, square, or complex as in the case with double anchor fibers. Polymerization of the core fluid downstream from the shaping region solidifies the fibers.&#160;Photoinitiated click chemistries are well suited for rapid polymerization of the core fluid by irradiation with ultraviolet light.&#160;Fibers with a wide variety of shapes have been produced from a list of polymers including liquid crystals, poly(methylmethacrylate), thiol-ene and thiol-yne resins, polyethylene glycol, and hydrogel derivatives. Minimal shear during the shaping process and mild polymerization conditions also makes the fabrication process well suited for encapsulation of cells and other biological components.

Two adjacent fluids passing through a grooved microfluidic channel can be directed to form a sheath around a prepolymer core; thereby&#160;determining both shape and cross-section. Photoinitiated polymerization, such as thiol click chemistry, is well suited for rapidly solidifying the core fluid into a microfiber with predetermined size and shape.

ייצור מיקרופלואידי של סיבים פולימריים וביוהיברידים עם גודל וצורה מעוצבים מראש

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

Automated Robotic Dispensing Technique for Surface Guidance and Bioprinting of Cells

This manuscript describes the introduction of cell guidance features followed by the direct delivery of cells to these features in a hydrogel bioink using an automated robotic dispensing system. The particular bioink was selected as it allows cells to sediment towards and sense the features. The dispensing system bioprints viable cells in hydrogel bioinks using a backpressure assisted print head. However, by replacing the print head with a sharpened stylus or scalpel, the dispensing system can also be employed to create topographical cues through surface etching. The stylus movement can be programmed in steps of 10 &#181;m in the X, Y and Z directions. The patterned grooves were able to orientate mesenchymal stem cells, influencing them to adopt an elongated morphology in alignment with the grooves&#39; direction. The patterning could be designed using plotting software in straight lines, concentric circles, and sinusoidal waves. In a subsequent procedure, fibroblasts and mesenchymal stem cells were suspended in a 2% gelatin bioink, for bioprinting in a backpressure driven extrusion printhead. The cell bearing bioink was then printed using the same programmed coordinates used for the etching. The bioprinted cells were able to sense and react to the etched features as demonstrated by their elongated orientation along the direction of the etched grooves.

This protocol describes a bioprinting methodology using an automated robotic depositing system that incorporates etched topographical guidance cues with the precision deposition of a cell bearing hydrogel bioink. The printed cells are directly delivered to the etched features and are able to sense and orientate with them.

טכניקת Dispensing רובוטיות אוטומטית להכוון משטחים Bioprinting של תאים

This manuscript describes the introduction of cell guidance features followed by the direct delivery of cells to these features in a hydrogel bioink using ...

שימוש במערכי ננו-סיבי פחמן להעברה יעילה של ביומולקולות וצבעים לצמחים

Using Vertically Aligned Carbon Nanofiber Arrays on Rigid or Flexible Substrates for Delivery of Biomolecules and Dyes to Plants

The delivery of biomolecules and impermeable dyes to intact plants is a major challenge. Nanomaterials are up-and-coming tools for the delivery of DNA to plants. As exciting as these new tools are, they have yet to be widely applied. Nanomaterials fabricated on rigid substrate (backing) are particularly difficult to successfully apply to curved plant structures. This study describes the process for microfabricating vertically aligned carbon nanofiber arrays and transferring them from a rigid to a flexible substrate. We detail and demonstrate how these fibers (on either rigid or flexible substrates) can be used for transient transformation or dye (e.g., fluorescein) delivery to plants. We show how VACNFs can be transferred from rigid silicon substrate to a flexible SU-8 epoxy substrate to form flexible VACNF arrays. To overcome the hydrophobic nature of SU-8, fibers in the flexible film were coated with a thin silicon oxide layer (2-3 nm). To use these fibers for delivery to curved plant organs, we deposit a 1 &#181;L droplet of dye or DNA solution on the fiber side of VACNF films, wait 10 min, place the films on the plant organ and employ a swab with a rolling motion to drive fibers into plant cells. With this method, we have achieved dye and DNA delivery in plant organs with curved surfaces.

מחבר זרקור: שחרור טרנספורמציה של צמחים על ידי חדשנות עם מערכי ננו-סיבי פחמן 

Here we describe methods for microfabricating vertically aligned carbon nanofibers (VACNFs), transferring VACNFs to flexible substrates, and applying VACNFs on both rigid and flexible substrates to plants for biomolecule and dye delivery.

שימוש במערכי ננו-סיבי פחמן מיושרים אנכית על מצעים קשיחים או גמישים להעברת ביומולקולות וצבעים לצמחים

The delivery of biomolecules and impermeable dyes to intact plants is a major challenge. Nanomaterials are up-and-coming tools for the delivery of DNA to ...

נקבעה 3-D ישיר כתיבה של / מבנים תת-מיקרון מיקרון מושעה סיבי קנה מידה באמצעות מערכת רובוטית חלוקה

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

ייצור, Densification, העתק דפוס של Microstructures Nanotube 3D פחמן

שיטה לפברק ננו כסף המנותק ב-3D

תהליך של הפיכת Microstructures תלת ממדי באמצעות אידוי של רכיב של קורבן

הדפסה מישוריים תלת ממדי של דיו מוליך

ייצור של Nanocomposites microstructured תלת ממדי באמצעות Microfluidic הסתננות

העברה קדימה-induced לייזר של Ag Nanopaste

ייצור מיקרופלואידי של סיבים פולימריים וביוהיברידים עם גודל וצורה מעוצבים מראש

טכניקת Dispensing רובוטיות אוטומטית להכוון משטחים Bioprinting של תאים

שימוש במערכי ננו-סיבי פחמן מיושרים אנכית על מצעים קשיחים או גמישים להעברת ביומולקולות וצבעים לצמחים

שימוש במערכי ננו-סיבי פחמן מיושרים אנכית על מצעים קשיחים או גמישים להעברת ביומולקולות וצבעים לצמחים