Name: rapid and low-cost prototyping of medical devices using 3d printed molds for liquid injection molding
Uploaded: 2014-06-27T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 43 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Rapid and Low-cost Prototyping of Medical Devices Using 3D Printed Molds for Liquid Injection Molding at JoVE.com

The authors thank Sungwon Lim for intellectual contributions to device and mold design as well as Jambu Jambulingam and Rebecca Grossman-Kahn for creating intravaginal silicone probes using this process. This work is supported by the Bill and Melinda Gates Foundation, the Vodafone Americas Foundation, and the FDA (2P50FD003793).

<ol>
	<li>Painter, P. C., Coleman, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Essentials of Polymer Science and Engineering. DEStech Publications. , (2009).</li><li>Rosato, D. V., Rosato, M. G., Schott, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reaction+Injection+Molding.">Reaction Injection Molding.</a> Plastics Technology Handbook - Volume. 2, 103-139 (2010).</li><li>Cybulski, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Plastic Conversion Process: A Concise and Applied Guide. , (2009).</li><li>Ortiz, H. e. r. n. &. #. 2. 2. 5. ;. n. d. e. z., J, T., Osswald, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+processing+of+silicone+rubber:+Liquid+versus+hard+silicone+rubbers.">Modeling processing of silicone rubber: Liquid versus hard silicone rubbers.</a> Journal of Applied Polymer Science. 119, 10-1002 (2010).</li><li>Dym, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Injection+Molds+and+Molding:+A+Practical+Manual.">Injection Molds and Molding: A Practical Manual.</a> , (1987).</li><li>Mueller, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stereolithography-based+prototyping:+case+histories+of+applications+in+product+development.">Stereolithography-based prototyping: case histories of applications in product development.</a> Northcon 95. IEEE Technical Applications Conference and Workshops Northcon. , 305&#8211;310, doi:10.1109/NORTHC.1995.485087. , (1995).</li><li>Hilton, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Rapid Tooling: Technologies and Industrial Applications., 288, Press: Boca. , (2000).</li><li>Ahn, S. -. H., Montero, M., Odell, D., Roundy, S., Wright, P. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anisotropic+material+properties+of+fused+deposition+modeling+ABS.">Anisotropic material properties of fused deposition modeling ABS.</a> Rapid Prototyping Journal. 8 (4), 248-257 (2002).</li><li>Cheah, C. M., Tan, L. H., Feng, C., Lee, C. W., Chua, C. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+investment+casting:+direct+and+indirect+approaches+via+fused+deposition+modelling.">Rapid investment casting: direct and indirect approaches via fused deposition modelling.</a> The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 23 (1-2), 1-2 (2004).</li><li>Harris, A., Wild, P., Stopak, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicone+Rubber+Substrata:+A+New+Wrinkle+in+the+Study+of+Cell+Locomotion.">Silicone Rubber Substrata: A New Wrinkle in the Study of Cell Locomotion.</a> Science. 208 (4440), (1980).</li><li>Moisan, M., Barbeau, J., Moreau, S., Pelletier, J., Tabrizian, M., Yahia, 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=Low-temperature+sterilization+using+gas+plasmas:+a+review+of+the+experiments+and+an+analysis+of+the+inactivation+mechanisms.">Low-temperature sterilization using gas plasmas: a review of the experiments and an analysis of the inactivation mechanisms.</a> International journal of pharmaceutics. (1-2), 226-221 (2001).</li><li>Etemadi, M., Chung, P., Heller, J., Liu, J., Rand, L., Roy, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+BirthAlert+-+A+Clinical+Device+Intended+for+Early+Preterm+Birth+Detection.">Towards BirthAlert - A Clinical Device Intended for Early Preterm Birth Detection.</a> IEEE Trans Biomed Eng. 10, (2013).</li><li>Etemadi, M., Chung, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+device+to+trend+impedance+and+fluorescence+of+the+cervix+for+preterm+birth+detection.">Novel device to trend impedance and fluorescence of the cervix for preterm birth detection.</a> Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2013, 176&#8211;9, doi:10.1109/EMBC.2013.6609466. , (2013).</li><li>Owen, S. R., Harper, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical,+microscopical+and+fire+retardant+studies+of+ABS+polymers.">Mechanical, microscopical and fire retardant studies of ABS polymers.</a> Polymer Degradation and Stability. 64, 449-455 (1999).</li><li>Cassidy, P. E., Mores, M., Kerwick, D. J., Koeck, D. J., Verschoor, K. L., White, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemical+Resistance+of+Geosynthetic+Materials.">Chemical Resistance of Geosynthetic Materials.</a> Geotextiles and Geomembranes. 11, 61-98 (1992).</li><li>Akay, M., Ozden, 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+influence+of+residual+stresses+on+the+mechanical+and+thermal+properties+of+injection+moulded+ABS+copolymer.">The influence of residual stresses on the mechanical and thermal properties of injection moulded ABS copolymer.</a> Journal of Materials Science. 30 (13), (1995).</li></ol>

저자의 아무도는이 문서에 설명 된 작업에 대한 어떤 경쟁 금전적 이해 관계가 없습니다.

설명 된 모든 단계를주의 금형 설계 성공에 가장 중요합니다. 금형 마스터는 최종 장치에 동일한 외부 형상과 단단한 몸으로 만들어야합니다. 이러한 형상은 어떤 물질로 인해 선택 엘라스토머 수축뿐만 아니라 3D 프린터의 해상도와 공차를 고려하여 조정되어야한다. 금형의 파팅 라인과 관통 구멍 실을 꿴 막대와 나사의 배치가 서로에 의존한다. 파팅 라인을 추가하면 금형 집회의 자유의 선형 및 회전 각도를 증가시킨다. 관통 구멍과 실을 꿴 막대와 나사 자유의이 같은 학위를 제한하는 역할을합니다. 몰드가 완전히 조립 될 때 구속 나사로드와 나사를 제거한 완전히 경화 된 탄성 장치의 제거를 가능하게하면서, 모든 자유 도로 선형 및 회전을 제한하도록 설계되어야한다. 경화 된 엘라스토머는 합리적으로 탄성 변형 가능한 경우, 분리선은 t를 정의 할 수있다모자의 기능을 완전히 치료 장치는 금형 조각 밖으로 밀거나 당길 수 있습니다 약간 이후 오버행 서로. 오버 몰딩 요소가 요구된다면, 금형 설계는 완전히 조립 몰드에서 오버 몰드 부품의 이동을 제한하는 위치 결정 기능을 제공해야한다. 금형 분리선 정중 원하는 엘라스토머 장치를 생산하기 위해 필요한 금형 조각의 수를 최소화하도록 선택되어야한다. 금형 조각 및 분리선의 수를 최소화하는 것은 플래시 형성의 가능성을 감소 및 수를 감소 통공 금형 조립시 몰드 피스를 압축하는데 필요한. ABS 플라스틱, 균열을 착용, 또는 인해, 압축 응력과 열 사이클에 열광하기 전에 우리의 경험에서, ABS 금형은 약 20 용도를 지속. 금형 조각 FDM 3D 프린터를 사용하여 인쇄 된 후에, 몇몇 수정은 금형 조각으로 만들어 질 수있다. 어떤 경우에, FDM 3D 프린터에서 만든 금형 조각 INSUFFICIE을 가질 수있다플래시 형성뿐만 아니라 액체 엘라스토머의 누출로 이어질 수있는 작은 차이의 결과로, 분할 라인을 완벽하게 세척 표면을 생산하는 NT 해상도. 이 경우 조립 된 금형의 파팅 라인에 RTV 실리콘의 얇은 층의 사용은 금형 파팅 라인을 통해 액체 엘라스토머의 누설을 방지 할 수있다. 또한, 표면 다듬기 금형 조각에 대한 추가 자료 (그들을 과대)를 추가하고 최종 치수로 연마에 의해 서서히 플라스틱을 녹이고 아세톤으로 ABS를 처리하여 하나를 수행 할 수 있습니다. 이러한 방법은주의 깊게 플래시 형성을 줄이기 위해 이별의 가장자리를 미세 조정 금형 형상에 사용할 수 있습니다. 금형 표면을 용해 그러나, 하나는 그렇게 때문에 화학적으로 균열 균열 쉽게 만들기, 플라스틱의 강도를 줄일 수,주의해야합니다. 이는 금형의 수명을 감소시키고 또한 금형의 표면 형상 사이의 일관성에 영향을 미칠 수있다. 게다가 uniformit을 제어하기 어렵다금형 형상에 약간의 차이가 발생할 수 있습니다 금형 용해, y를. 금형의 여러 세트가 장치를 제조하는 데 사용되는 경우에는 문제가 될 수 있습니다. 이 문제를 해결하려면, 높은 해상도의 3D 프린팅 기술은 금형 제작에 사용할 수 있습니다. 고해상도 금형 또는 아세톤 처리 된 몰드를 이용하는 또 다른 이점은 탈형시 ABS 성형기에서 엘라스토머 분리 장치의 추가 용이성이다. 대안 적으로, 이형제는 탈형을 돕기 위해 코팅하는 주형 공동을 사용할 수있다. 그러나,이 절차에서 설명 질내 프로브, 이형은 구체적으로 인해 질 환경에 이형 화학 물질을 도입하는 잠재적 인 위험을 피할 수 있었다. 용품은 또한 선택된 금형 재료는 엘라스토머의 경화를 저해하지 않도록주의해야한다. 그러한 질내 프로브에 사용한 실리콘 엘라스토머에 오버 몰딩 요소, 하나 과제는, 실리콘과 금속을 접착하는 있다는어렵기로 악명이 높다. 질내 프로브위한 한 요건은 실리콘이 탄성 변형되는 경우 재 계면에서 작은 갭이 발생하도록하는 것이었다. 이것은 플렉스 여전히 금속 장치의 실리콘 부분을 모두 사이의 수밀성을 보장하면서 자궁 경부 주위에 소매와 같은 스트레칭 질내 프로브에 컵 모양의 구조를 허용하는 욕망을 반영한다. 수밀성 인해 과산화수소 플라즈마 장치의 세척 및 소독을위한 인간 실험 지침 필요가 있었다. 이 요구 사항은 신중 실리콘 소자 본체와 금속 구성 요소 사이의 접합부에 금속 접착 성 프라이머에 의료용 실리콘을 도포 한 다음 금속 탄성체 접합 상온 경화 (RTV) 실리콘을 적용하여 장치를 탈형 후 만났다. 금속과 실리콘 사이의 밀착성을 향상시키기 위해 사용되는 추가적인 방법은 원형 핀 모두 포함 된 금속 성분을 설계하는 것이었다. 주입시, 지느러미 사이의 공간은 인터넷이다다음 치료 기간 동안 굳은 액체 실리콘으로 채워진다. 이 설계 특징은 금속과 실리콘 사이의 간극 형성 경향을 감소시키면서 응력이 금속 성분에 실리콘 바디에서 전달 될 수있다. ABS 기반 FDM 3D 프린터 - 즉, 빠른 인쇄 속도, 낮은 비용, 기술 - 이러한 혜택은 신중하게 절충 인에 대하여 고려되어야하며, 사용 계약 인쇄 서비스의 과다 사용과 관련된 많은 장점이 있지만 했다. 그것은 일반적으로 14, 15 화학적으로 비활성이기 때문에 ABS 자체가 많은 탄성 중합체 성형에 적합하면서 ABS 기반의 3D 프린터는 신속한 프로토 타입과 반복적 인 개발 접근 방식을 가능하게한다. 그러나, ABS 수지는 약 70 ° C (16) 최대 작업 온도를 제한하는 약 90 ~ 100 ° C의 열 변형 온도를 가지고 있습니다. 이것은 더 높은 경화 온도가 ABS 금형을 사용하여 달성 할 수없는 것을 의미한다.사 결과는, 질내 프로브에 사용되는 엘라스토머의 경화 시간은 70 ℃에서 5 시간에 175 ℃에서 3 분으로 증가했다 높은 경화 온도가 요구되는 경우, 하나는 폴리 카보네이트와 같은 다른 FDM의 재료를 사용하여 고려할 수 있습니다. SLA 기반의 3D 프린팅의 사용이 가능 최고급 형 해상도를 가능하게하고 수지 재료의 다양한 선택을 제공합니다. 그러나, FDM 기술의 지속적인 발전은 두 가지 기술의 해상도 격차를 좁히고있다. 질내 프로브를 만드는 데 사용되는 FDM 기반 형은 254 ㎛의 층의 해상도를 가지고 있지만, 새로운 FDM 기계는 100 μm의 해상도 이하를 달성 할 수있다. SLA 기반의 3D 인쇄는 일반적으로 시간 FDM 기반 3D 프린팅보다 집중적 인 더 비싸고 더, 훨씬 적은 시설은 사내 SLA 장비를 보유하고 있습니다. 이러한 요인은 저렴한 비용으로 신속하게 반복적 인 개발에 대한 FDM 3D 프린터가 더 적합합니다. 사실, SLA는 일반적으로 폴리 우레탄 장치의 프로토 타입 및 소량 실행하는 데 사용됩니다몰드 마스터를 인쇄 및 우레탄 주입 주형을 만드는 금형 마스터 주위 실리콘 몰드를 주조. 금형 재료로서 실리콘을 사용하는 이점은 그것이 열경화성 중합체이며 높은 경화 온도에서 용융하지 않을 것이라는 것이다. 그러나, 그러한 질내 프로브 장치와 같은 복잡한 금형을 생성하기 위해 여러 조각으로 실리콘 몰드를 분할하는 것이 곤란 또는 불가능하다; 또한, 오버 몰딩에 대한 정렬은 유사하게 도전 할 수있다. 결과는이 방법으로 제조 된 실리콘 주형은 일반적 투피스 몰드이며 주형 공동 내로 폴리머 주입 LIM 기존의 장비를 필요로한다는 것이다. 이 방법은 기존의 LIM 주입 한 비용이있는 동안,이 메소드를 사용하여 프로토 타입의 총 비용은 여전히​​ 오히려 비용이 많이 드는 편이며 시간은 FDM 3D 프린터를 사용하기위한 기술 프로토콜 및 탄성 중합체 주입을위한 수정 된 데시 케이 터보다 집중입니다. 제안 된 방법의 다른 장점은 directl도 할 수있는 기능을 포함첫번째 물리적 몰드 마스터뿐만 아니라,이 기술은 고비용 SLA 또는 LIM 설비 투자를 필요로하지 않는다는 사실을 만들지 않고 Y 인쇄 금형 조각. 제안 된 방법은 의료 기기 등의 분야의 특징이다 복잡한 형상과 요구 사항을 가진 엘라스토머 장치의 신속한 프로토 타이핑을 가능하게합니다. 빠르게 엘라스토머 장치를 반복하는 표준 또는 문서화 된 방법의 부족은 둔화 기여하고 의료 기기의 비용이 많이 드는 개발했다. 거의 모든 형상을 세우는 및 오버 몰딩 요구 사항이 충족 될 때까지이 원고에 기재된 과정에 내재 유연성 허용한다. 그것은 초기 의료 기기 개발 프로세스에 신속하고 저렴하게 반복하는 장치 시제품 사용될 수있다. 이는 3D 프린터가 점점 유행하고 있지만, LIM 장비 드문 학술 연구소 나 스타트 업 환경 등의 자원 한정된 환경에서 특히 유용합니다. 또한, CAD 모델이 홍보에서 생산ocess 향후 제조 공정에 양도 및 LIM 사용 전통적인 금형의 생산을 촉진하기 위하여 사용될 수있다. 이 기술은 질내 프로브 장치와 의료 기기 개발 입증되었지만, 프로토콜 간단 저가, 저용량 및 엘라스토머 기반 장치의 급속한 반복 개발이 요구되는 다른 필드와 애플리케이션에 적용될 수있다.

(또한 반응 사출 성형으로 알려진) 액체 사출 성형 (LIM)는 종종 열경화성 탄성체의 탄성 장치를 제조하는 데 사용하지만, 높은 공구 및 장비 비용은 선행 자본 투자 1의 큰 거래를 필요로한다. 또한, LIM은 복잡한 형상과 오버 몰딩에 대한 요구 사항을 케이스에서 구현이 기술적으로 어렵고 비용이 많이들 수 있습니다. 그 결과, 매우 낮은 볼륨 또는 종종 반복적 개정 발생 초기 디바이스 설계 전통적인 LIM을 사용하는 것이 일반적으로 비실용적이다. 사출 성형 엘라스토머 재료에 대한 일반적인 절차는 전문 성형기구 (2)를 이용 금형에 150 psi의 주위 압력에서 액체 모노머를 주입하는 것을 포함한다. 온도 및 압력은 층류 흐름을 보장하고 몰드 (3)에 포획되는 공기를 방지하도록 제어된다. 원료는 일반적으로 백금 경화형 실리콘, T와 같은 두 부분으로 치료 시스템입니다모자는 주사 전에 별도의 온도 조절 실에 보관됩니다. 원료의 두 ​​성분은 이후 몰드 캐비티에 공급되는 고압 혼합 챔버로 펌핑된다. 경화 촉매의 존재 하에서뿐만 아니라, 주변의 온도를 150 ~ 200 ° C (4)에 의해 달성된다. 금형은 일반적으로 가장자리 3,5 이별 주위에 좋은 물개를 만드는 정밀한 공차로 강철 또는 알루미늄에서 기계로 가공된다. 불행하게도,이 과정은 일반적으로 큰 규모의 제조 주어진 높은 금형 금형 비용뿐만 아니라 전문적인 주입 및 피드백 제어 시스템에 대한 요구 사항에 더 적합합니다. 폴리 우레탄 (PU) 부분의 신속한 프로토 타입의 경우, 몰드 마스터를 생성하고 실리콘 고무 몰드 6,7 생산 조형 (SLA)를 사용하는 것이 가능하다. 이 오버 몰드 부품의 정확한 정렬을 달성하기 어렵 기 때문에, 실리콘이에 의해 그러나,이 기술은 오버 몰딩에 적합하지 않다아닌 견고한 구조를 설계. 또한, 이러한 함입 또는 속을 비게 한 밖으로 섹션 등의 복잡한 형상을 가진 장치의 생산은 어렵거나 불가능하다. 복잡하고 정밀한 금형의 파팅 라인과 견고한 얇은 요소에 대한 요구 사항은 더 자주 못하는 것보다 액체 고무 성형 공정과 호환되지 않습니다. 상기 생산 규모 또는 말기 프로토 타입 프로세스는 종종 대학 실험실에서 자주의 경우와 같이 몇 가지 장치가 개념 증명 인간 연구의 타당성에 대해 생성 될 필요가있는 초기 단계의 의료 기기 개발을위한 실용적이다 시동 회사의 환경. 대안의 부족은 종종 심지어 초기 단계의 개발은 추가 금액이 발생하는 동안 장치의 기능을 제한하거나 보류 개발을 넣어 많은 장치 개발자를 필요로하는, 높은 비용이 발생할 것이라는 점을 의미한다. 이 의료 기기의 재 큰 분획시기 개발 프로세스의 극적인 둔화에 기여<html> 복잡한 기능의 첩의 구현입니다. 그것은 개념 증명 데이터가 자주 아직 확립되어 있지 않기 때문에 이러한 장치의 비용이 많이 드는 개발 자금도 어렵다. 우리는 지정된 자궁 형상에 적합하도록 컵과 같은 팁을 요구 오버 몰딩, 전기 및 광학 센서와 실리콘 질내 프로브의 개발을 포함이 실험실 내에서 최근의 프로젝트에서이 장애물을 발견했습니다. 이 문서에서 설명하는 프로세스는이 악순환을 회피하고 신속하게 증거의 개념 LIM 의료 기기에 도달하는 우리의 시도를 설명합니다. (1) 금형 설계 및 생산, (2) 금형 조립체 (3) 엘라스토머 혼합, (4) 엘라스토머 주입, 및 (5) 엘라스토머 경화 및 탈형도 1에 도시 된 기술은 5 주요 활동으로 LIM 공정을 해체. PG &quot;폭 =&quot;600 &quot;/&gt; (1A)의 컴퓨터 지원 설계 도구를 사용하여 주형을 만들고, (1B) 3D 금형 조각 인쇄, (2), 나사로드와 나사를 사용하여 금형 조각을 조립 (가 :.. 관련 프로토콜의도 1 프로토콜 개요 3) 액체 탄성 중합체를 혼합 및 주사기에 넣기, (4) 변형 된 건조기를 사용하여 금형에 액체 엘라스토머를 주입 (5A) 온도 제어 오븐에 엘라스토머를 경화하고 (도 5b)에서 경화 된 탄성 장치를 탈형 금형 조각. 금형 설계는 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 소프트웨어, 금형의 파팅 라인의 단단한 블록 정의에서 금형 마스터의 감산에 금형 마스터의 개발을 포함한다. 금형 조각을 만든 후 금형 캐비티에 위치 오버 몰딩 부품과 나사, 봉,와 너트를 사용하여 조립된다. 엘라스토머 믹스 인G는 재료의 잠재적 빈 공간을 제거하기 위해 원료 가스 제거의 파트 A와 파트 B를 결합하는 것을 포함한다. 다음에, 엘라스토머 사출 중합체 사슬의 화학적 가교 결합을 보장하기 위해 온도 제어 오븐에서 경화 엘라스토머이어서 주형 공동의 압력 구동 충전물을 포함한다. 다음 단계로 사출 성형 공정을 분해하면 저렴한 비용으로 대안에 찬성 전통적인 LIM 장비를 지내다하는 가능하게한다. 대신에, 금형 가공이나 금형 마스터로부터 실리콘 고무 몰드를 주조 예를 들어,이 원고에 기재된 프로토콜에서 만든 금형은 용융 증착 모델링 (FDM) 3D를 이용하여 아크릴로 니트릴 부타디엔 스티렌 (ABS)으로부터 플라스틱 만들어진 프린터 8,9. 금형 또는 SLA 형 건물에 비해, FDM은 일반적으로 저렴하고 빠른 과정입니다. 매우 복잡한 금형 자체 3D 프린터에 빠르게 인쇄 또는 싸게 많은 계약 차원 삭제 프린트 중 하나에 의해 제조 할 수있다사용 가능한 G 서비스를 제공합니다. 예를 들어, 복잡한 팔 조각 3D 인쇄 주형은 대표적인 결과 섹션에서 설명 질내 프로브를 캐스팅하는 데 사용하고,도 14 및도 15에 도시. 이 금형에 대한 모든 부분은 사내 3D 프린터에 약 1.5 일에 인쇄 할 수 있습니다. 간단 형에 대한 처리 시간은 몇 시간이 될 수 있습니다. 금형을 만들 FDM 3D 프린터를 사용하여 장치를 프로토 타입 필요한 시간의 전체 길이는 실리콘 고무 중 몰드 캐스팅 및 우레탄 제작품을 작성하는 데 필요한 시간과 유사하다. 그러나, 금형을 만들 FDM 3D 프린터를 사용하여 간단하게 실리콘 몰드를 사용하여 달성 될 수없는 여러 가지 허용 : (1) 많은 열경화성 탄성체 (2) 복잡한 형상, 3D 인쇄 곰팡이가 필요한 경화 온도를 견딜 수 제공 사용될 수있다 다양한 금형 조각 및 분리선의 사용으로 생성하고, 강성 몰드 피스 (3) 사용은 허용 할 수있는 정확하고 reproduci금형 캐비티 내에서 오버 몰딩 부품의 상상력 정렬. 대신 전통적인 LIM 믹싱 결합한 기계, 주입 및 경화를 이용하여, 그것은 균질 혼합 인젝션 변경됨 데시 케이, 및 경화를위한 표준 온도 제어 오븐을 위해 실험실 혼합기를 사용하는 것이 가능하다. 분사 시스템은 상용 컴포넌트를 사용하여 생성 및 혼합 된 엘라스토머로 채워진 주사기에 연결 데시 케이 터로 정압 공급 라인의 첨가를 수반 하였다. 벤치 톱 데시 챔버 가압은 일반적으로 챔버, 진공 공급 라인과 대기 사이의 삼방 밸브에 의해 제어된다. 개질 건조기는 주사기 플런저의 확대에 공급 정압 공급 라인을 추가한다. 이는 몰드 캐비티로 액체 재료 주입 충분 40-50 psi의 압력 차의 생성을 가능하게한다. 이 기술은 우리가 produ의 수오버 몰딩, 전기 및 광학 센서 CE 실리콘 질내 프로브는 임상 1 상 시험을위한 증거의 개념 데이터를 수집합니다. 실리콘 때문에 생물학적 불활성뿐만 아니라 10,11 방법의 다양한 살균 할 수있는 능력에 대한 필요성을 선택 하였다. 또한, 장치는 센서들이 경부와 인터페이스 위치한 프로브의 선단에 복잡하고 파격적인 컵형 형상을 요구했다. 설명 된 기술의 사용없이, 이러한 장치를 생산하기 위해 많은 비용과 긴 과정이었을 것이다. 실용 엘라스토머 장치를 설계하는 신속하고 반복적 인 접근법을 채택하게, 전통적인 LIM 공정에 비해 LIM 공정이 적응은 비용과 장비의 요구 사항을 감소시킨다.

<table><tbody><tr><td>ABS Model Material</td><td>Stratasys</td><td>P430</td><td>Model Material for uPrint Plus SE (Step: Mold Design &amp;amp; Production)</td></tr><tr><td>Soluble Support Material</td><td>Stratasys</td><td>SR-30</td><td>Support Material for uPrint Plus SE (Step: Mold Design &amp;amp; Production)</td></tr><tr><td>Underwater Silicone Sealant, 2.8 Oz Tube, Clear</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>7327A21</td><td>Silicone RTV for sealing gaps at mold parting lines (Step: Mold Assembly)</td></tr><tr><td>Tubing, 1/8&quot; ID, 1/4&quot; OD, 1/16&quot; Wall Thickness, Ultra-chemical-resistant Tygon PVC, Clear</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>5046K11</td><td>Forms runner/sprue adapter between mold and syringe with elastomer (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Coupling, Adapter, Straight, Male Quick-turn (Luer lock) X 1/8&quot; Tube Barb, Nylon</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>51525K123</td><td>Connect runner/sprue between mold and syringe with elastomer (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Coupling, Adapter, Staight, Female Quick-turn (Luer lock) X 1/8&quot; Tube Barb, Nylon</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>51525K213</td><td>Connect runner/sprue between mold and syringe with elastomer (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Cap, Female Quick-turn (Luer lock), Nylon</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>51525K315</td><td>Cap to prevent silicone from leaking out of mold after injection (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Liquid Silicone Rubber (LSR) 30 - 10:1, Implant Grade</td><td>Applied Silicone Corporation</td><td>PN40029</td><td>Substitute with the elastomer of your choice.&amp;nbsp; This is the one used for the intravaginal probe (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Syringes (BD), 1 ml Slip-Tip, non-sterile clean, bulk</td><td>Cole-Parmer</td><td>WU-07945-00</td><td>Syringes for transfering elastomer material (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Syringes (BD), 1 ml Slip-Tip, non-sterile clean, bulk</td><td>Cole-Parmer</td><td>WU-07945-04</td><td>Syringes for transfering elastomer material (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Syringe, 20 ml, Open Bore, Solid Ring Plunger and Grip</td><td>Qosina Corporation</td><td>C1200</td><td>Syringes for transfering elastomer material.&amp;nbsp; Open bore is used for very viscous elastomers. (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Needle (BD), Non-sterile Clean with Shields, 18 G x 1.5&quot; Lg., Stainless Steel, BD Bulk</td><td>Cole-Parmer</td><td>WU-07945-76</td><td>Used for removing air column between syringe plunger and elastomer (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Plastic Cups, 12 Oz., Clear</td><td>Safeway</td><td>N/A</td><td>Used for mixing silicone in THINKY Mixer (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Polyethylene Bag, Open-Top, Flat, 5&quot; Width x 6&quot; Height, 2-MIL Thk.</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>1928T68</td><td>Used for mixing silicone in THINKY Mixer (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Rubber Band, Latex Free, Orange, Size 64, 3-1/2&quot; L x 1/4&quot; W</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>12205T96</td><td>Used for mixing silicone in THINKY Mixer (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Parafilm Wrap, 4&quot; W</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-06720-40</td><td>Used for mixing silicone in THINKY Mixer (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Syringe Barrels with Stoppers, Luer Lock, Air Operated,&amp;nbsp; 50 ml</td><td>EWD Solutions</td><td>JEN-JG50A-15</td><td>Smaller syringes can be used if less elastomer is required, but make sure it is compatible with Air Operated Syringe Adapter in injection chamber (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Sealant Tape, Pipe Thread, 50&#039; Lg x 1/4&quot; W, 0.0028&quot; Thk, 0.5 G/CC Specific Gravity</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>4591K11</td><td>Teflon Tape for air-tight seals around at threads (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Scalpel Blades, Disposable, No. 22</td><td>VWR</td><td>21909-646</td><td>Used for cutting tubing and demolding (Step: Curing &amp;amp; Demolding)</td></tr><tr><td>Kimwipes</td><td>VWR</td><td>21903-005</td><td>&amp;nbsp;(Step: Curing &amp;amp; Demolding)</td></tr><tr><td>2-Propanol, J. T. Baker</td><td>VWR</td><td>JT9334-3</td><td>&amp;nbsp;(Step: Curing &amp;amp; Demolding)</td></tr><tr><td>uPrint Plus SE 3D Printer</td><td>Stratasys</td><td>uPrint Plus SE</td><td>Other 3D printers can be used (Step: Mold Design &amp;amp; Production)</td></tr><tr><td>Screw, Cap, Hex Head,&amp;nbsp; 1/4&quot;-28 , 2-1/2&quot; Lg, 18-8 Stainless Steel</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>92198A115</td><td>Screws used with nuts to compress mold (Step: Mold Assembly)</td></tr><tr><td>Nut, Hex, 1/4&quot;-28, 7/16&quot; Wd, 7/32&quot; Height, 18-8 Stainless Steel&amp;nbsp;</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>91845A105</td><td>Screws used with nuts to compress mold (Step: Mold Assembly)</td></tr><tr><td>Stud, Fully Threaded, 1/4&quot;-28, 1&quot; Lg, 18-8 Stainless Steel&amp;nbsp;</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>95412A567</td><td>Threaded-rods can be cut to desired length and are used with nutes to compress mold (Step: Mold Assembly)</td></tr><tr><td>Planetary Centrifugal Mixer</td><td>THINKY USA Inc.</td><td>ARE-310</td><td>Mixers are strongly recommended for fine mixing and to reduce degassing time, but hand mixing is fine (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Laboratory Weigh Scale</td><td>Mettler-Toledo International Inc.</td><td>EL602</td><td>&amp;nbsp;(Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Desiccant Vacuum Canister, Reusable,&amp;nbsp; 10-3/4&quot; OD</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>2204K7</td><td>This desiccator is used for degassing the elastomer (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Custom 3D-Printed Mixer-to-Cup Adapter</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Modeled in Solidworks CAD and 3D printed (Step: Elastomer Mixing)</td></tr><tr><td>Tubing, Smooth Bore, 1/4&quot; ID, 1/2&quot; OD, 1/8&quot; Wall Thickness, High Purity Tygon PVC, Clear</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>5624K51</td><td>Tubing outside of Desiccator (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Tubing, Smooth Bore, 3/8&quot; ID, 5/8&quot; OD, 1/8&quot; Wall Thickness, High Purity Tygon PVC, Clear</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>5624K52</td><td>Tubing to adapt to Air/Vacuum Supply (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Coupling, Reducer, Straight, Vacuum Barb 3/8&quot; Tube ID X Vacuum Barb 1/4&quot; Tube ID, Brass</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>44555K188</td><td>Adapt Tubing outside Desiccator to Tubing leading to Air/Vacuum Supply (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Clamp, Hose &amp;amp; Tube, Worm-Drive, for 7/32&quot; to 5/8&quot; OD tube, 5/16&quot; Wd., 316 SS</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>5011T141</td><td>Used on tubing to create Air/Vacuum-tight seal at junctions (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Clamp, Hose, Smooth-Band Worm-Drive, for 1/2&quot; to 3/4&quot; OD tube, 3/8&quot; Wd., 304 SS</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>5574K13</td><td>Used on tubing to create Air/Vacuum-tight seal at junctions (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Coupling, Tee, Vacuum Barb 1/4&quot; Tube ID, Brass</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>44555K138</td><td>Tee Junction between Vacuum, Three-way T-valve on Desiccator, and Three-way L-valve (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Coupling, Tee, 1/4 NPT Female X Female X Male, Brass</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>50785K222</td><td>Tee Junction between Pressure Gauge, Chamber, and Three-way L-valve (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Valve, Ball, Straight, T-Handle, 1/4 NPT Female X Male, Brass</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>4082T42</td><td>Three-way L-valve (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Coupling, Adapter, Straight, Vacuum Barb 1/4&quot; ID Tube X 1/4 NPT Male, Brass</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>44555K132</td><td>Adapter for Three-way L-valve-to-Tubing (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Saw, Hole, Bimetal. 1-3/8&quot; OD, 1-1/2&quot; Cutting Depth</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>4066A25</td><td>Used to cut holes in Desiccator for throughwall fittings (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Arbor, 9/16&quot; to 1-3/16&quot; Saw, 1/4&quot; Hex</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>4066A76</td><td>Used to cut holes in Desiccator for throughwall fittings (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Arbor Adapter for 1-1/4&quot; Thru 6&quot; Dia Hole Saws</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>4066A77</td><td>Used to cut holes in Desiccator for throughwall fittings (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Coupling, Straight, Through-Wall, 1/2 NPT Female, Polypropylene</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>36895K141</td><td>Throughwall fittings leading to Pressure/Vacuum Gauges (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Coupling, Adapter, Straight, Reducing,&amp;nbsp; Bushing, Hex, 1/2 NPT Male X 1/4 NPT Female, Brass</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>4429K422</td><td>Reducing tube diameter inside the Desiccator to adapt to Air-operated Syringe System (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Coupling, Adapter, Straight, Reducing, Bushing, Hex, 1/4 NPT Male X 1/8 NPT Female, Brass</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>4757T91</td><td>Reducing tube diameter inside the Desiccator to adapt to Air-operated Syringe System (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Coupling, Adapter, Straight, Vacuum Barb 1/4&quot; ID Tube X 1/8 NPT Female, Brass</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>44555K124</td><td>Reducing tube diameter inside the Desiccator to adapt to Air-operated Syringe System (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Syringe Adapters, Air Operated, 30/50 ml</td><td>EWD Solutions</td><td>JEN-JG30A-X6</td><td>Air operated syringe adapter on the inside of the Desiccator; must be compatible with syringes used to hold elastomer (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Gauge, Dual-Scale Vacuum, 2-1/2&quot; Dial, 1/4 NPT Male, Bottom Connector, 30&quot; Hg-0, Steel Case</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>4002K11</td><td>Vacuum Gauge (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Gauge, Dual-Scale Vacuum and Compound, 3-1/2&quot; Dial, 1/4 NPT Male, Center Back, 30&quot; Hg-0, 100 PSI, Steel Case</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>4004K616</td><td>Pressure Gauge leading to Air-operated Syringe System (Step: Elastomer Injection)</td></tr><tr><td>Oven, Vacuum, Isotemp, Economy&amp;nbsp;</td><td>Fisher Scientific</td><td>280A</td><td>Standard non-vacuum oven can be used (Step: Curing &amp;amp; Demolding)</td></tr><tr><td>Solidworks CAD</td><td>Dassault Syst&amp;egrave;mes</td><td>Solidworks Research Subscription</td><td>Other CAD Software can be used for mold master and mold design (Step: Mold Design &amp;amp; Production)</td></tr></tbody></table>

rapid and low-cost prototyping of medical devices using 3d printed molds for liquid injection molding

예컨대 실리콘 등의 생물학적으로 불활성 엘라스토머는 의료 장치의 제조에 유리한 물질뿐만 성형 및 전통적인 액체 사출 성형 공정을 사용하여 이러한 탄성체를 경화하기 때문에 금형 및 장비 비용이 비싼 과정이 될 수있다. 그 결과, 전통적으로 저가, 쾌속 조형 애플리케이션 용 액상 사출 성형을 사용하는 것이 실용적이다. 우리는 금형 설계 및 분사 시스템으로 변경됨 데시위한 융착 모델링 3D 프린터를 이용하는 액체 엘라스토머 사출 성형 장치의 신속하고 저렴한 제조 방법을 고안했다. 낮은 비용과이 기술의 빠른 처리 시간은 반복적으로 설계 및 복합 탄성 장치를 프로토 타입하기 위해 장벽을 낮 춥니 다. 또한,이 과정에서 개발 CAD 모델 저장 전통적인 사출 성형 공정으로 쉽게 전환 할 수 있도록, 금형의 금형 설계에 적용될 수있다. 우리는 intravag 제조에이 기술을 사용하고 있습니다학술 연구 실험실에서 일반적으로 사용되는 도구를 사용하여, 복잡한 형상뿐만 아니라 금속 부품에 오버 몰딩을 포함하는 원고 판 프로브. 그러나,이 방법은 쉽게 많은 다른 응용을위한 액체 주입 몰딩 디바이스를 생성하도록 구성 될 수있다.

그림 14과 15 형 및 질내 프로브는이 문서에 나와있는 절차의 대표적인 결과를 보여줍니다. <img alt="그림 14" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51745/51745fig14highres.jpg" width="500" /> 그림 14. 완벽하게 조립 금형. 완전 질내 프로브 장치의 금형을 조립. <img alt="그림 15" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51745/51745fig15highres.jpg" width="500" /> 장치 같은 장치. B) 측면보기의 컵 모양의 팁의 그림 15. 질내 프로브 장치. 최종 질내 프로브 장치.) 전면보기입니다. 컵 형상 구조는 여섯 오버 몰드 티타늄 전극뿐만 아니라 FEM 역할 스테인레스 스틸 튜브로 구성광섬유 프로브 에일 리셉터클. 이 장치의 특정 사용은 Etemadi 등 12,13 설명된다. 질내 프로브를 생성하는 데 사용되는 금형 차원 u [예약 플러스 3D 프린터를 사용하여 ABS430 재료로 제조되었다. 릴 당 $ 140 가격 ABS430 소재의 약 1 릴 필요 질내 프로브에 대한 하나의 금형. 그것은 금형의 모든 8 매를 인쇄하는 데 약 1.5 일했다. LIM 응용 프로그램 (PN40029)를 위해 설계된 의료용 두 부분으로 백금 경화형 실리콘이 응용 프로그램에 사용되었다. 벌크 실리콘에서 오버 몰드 지정 금형에 신중하게 설계 정렬 및 위치 결정 형상을 통해 실리콘 주입 동안 자리에 유지 된 스테인레스 스틸 튜브,​​ 변성 USB 케이블, 몇개의 전선, 및 티타늄 전극이다. 튜브 중 하나는 질내 프로브 컵 형상 구조의 바닥에 노출하고 행동 할 튜브의 단부에 유리 창을 갖는다광학 측정을 위해 사용되는 광섬유 번들 리셉터클 등. 이는 실리콘은 경화 및 문서화 프로세스를 사용하여 탈형 후 첨가 소르 외부 기능이다. 구체적인 결과는 원하는 형상과 오버 몰딩이 요구되어 있는지의 여부 의존 될 수도있다. 질내 프로브는 간단한 형상 가능성이 적은 금형 조각, 작은 금형 재료를 필요로하고, 빠른 3D 인쇄하는 것이지만 같은 얇은 컵과 같은 구조와 같은 복잡한 형상의 창조, FDM 3D 프린터로 가능하다는 것을 보여줍니다. 이러한 SLA와 같은 높은 해상도의 3D 프린팅 기술의 사용은 더 높은 해상도, 더 미세한 형상, 수동으로 금형을 마무리 할 필요성을 제거 할 수 있습니다 우수한 표면 조도를 제공 할 수 있습니다. 설명 된 기술을 사용하여, 많은 다른 성분은 오버 몰딩 한 금형 설계 정중 구현으로 달성 될 수있다.

Watch this Scientific Journal Video about Rapid and Low-cost Prototyping of Medical Devices Using 3D Printed Molds for Liquid Injection Molding at JoVE.com

Rapid and Low-cost Prototyping of Medical Devices Using 3D Printed Molds for Liquid Injection Molding

우리는 액체 분사 장치로 금형 설계 및 개질 데시위한 융착 모델링 3D 프린터를 사용하여 저가 및 액체 엘라스토머 고무 사출 성형 장치의 쾌속 조형을위한 방법을 고안했다.

액상 사출 성형을위한 3D 인쇄 금형을 사용하여 의료 기기의 신속하고 저렴한 프로토 타이핑

Biologically inert elastomers such as silicone are favorable materials for medical device fabrication, but forming and curing these elastomers using ...

rapid-low-cost-prototyping-medical-devices-using-3d-printed-molds-for

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

19.8K 조회수.  University of California, San Francisco.  우리는 액체 분사 장치로 금형 설계 및 개질 데시위한 융착 모델링 3D 프린터를 사용하여 저가 및 액체 엘라스토머 고무 사출 성형 장치의 쾌속 조형을위한 방법을 고안했다. 

비디오: Rapid and Low-cost Prototyping of Medical Devices Using 3D Printed Molds for Liquid Injection Molding

High Throughput Microfluidic Rapid and Low Cost Prototyping Packaging Methods

In this work, 3 different packaging and assembly techniques are presented. They can be classified into two categories: one-time use and reusable packaging techniques.
The one-time use packaging technique employs UV-based and temperature curing epoxies to connect microtubes to access holes, wire-bonding for integrated circuit connections, and silver epoxy for electrical connections. This method is based on a robust assembly technique that can support relatively high pressure close to 1 psi and does not need any support to strengthen the microfluidic architecture.
Reusable packaging techniques consist of PDMS-based microtube interconnectors and anisotropic adhesive films for electrical connections. These devices are more sensitive and fragile. Consequently, Plexiglas support is added to the microfluidic structure to improve the electrical contact when anisotropic adhesive films are used, and also to strengthen the microfluidic architecture. In addition, a micromanipulator is needed to maintain tubes while using a thin PDMS layer to connect them to the access holes. Different PDMS layer thicknesses, ranging from 0.45-3 mm, are tested to compare the best adherence versus injection rates. Applied injection rates are varied from 50-300 &#956;l/hr for 0.45-3 mm PDMS layers, respectively. These techniques are mainly applicable for low-pressure applications. However, they can be extended for high-pressure ones through plasma-oxygen process to permanently seal the PDMS to glass substrates. The main advantage of this technique, besides the fact that it is reusable, consists of keeping the device observable when the microchannel length is very short (in the range of 3 mm or lower).

In this article we describe different techniques for microfluidic rapid prototyping platforms. The proposed techniques are based on ultraviolet (UV) sensitive and temperature curing epoxies, polydimethylsiloxane (PDMS) based tubing, wire-bonding, and anisotropic adhesive films. The assembling procedures presented are developed for both one-time use devices as well as reusable microfluidic systems.

높은 처리량 마이크로 유체 신속하고 저렴한 비용으로 프로토 타입 포장 방법

In this work, 3 different packaging and assembly techniques are presented. They can be classified into two categories: one-time use and reusable packaging ...

연구

생체공학

Printing Thermoresponsive Reverse Molds for the Creation of Patterned Two-component Hydrogels for 3D Cell Culture

Bioprinting is an emerging technology that has its origins in the rapid prototyping industry. The different printing processes can be divided into contact bioprinting1-4 (extrusion, dip pen and soft lithography), contactless bioprinting5-7 (laser forward transfer, ink-jet deposition) and laser based techniques such as two photon photopolymerization8. It can be used for many applications such as tissue engineering9-13, biosensor microfabrication14-16 and as a tool to answer basic biological questions such as influences of co-culturing of different cell types17. Unlike common photolithographic or soft-lithographic methods, extrusion bioprinting has the advantage that it does not require a separate mask or stamp. Using CAD software, the design of the structure can quickly be changed and adjusted according to the requirements of the operator. This makes bioprinting more flexible than lithography-based approaches.
Here we demonstrate the printing of a sacrificial mold to create a multi-material 3D structure using an array of pillars within a hydrogel as an example. These pillars could represent hollow structures for a vascular network or the tubes within a nerve guide conduit. The material chosen for the sacrificial mold was poloxamer 407, a thermoresponsive polymer with excellent printing properties which is liquid at 4 &deg;C and a solid above its gelation temperature ~20 &deg;C for 24.5% w/v solutions18. This property allows the poloxamer-based sacrificial mold to be eluted on demand and has advantages over the slow dissolution of a solid material especially for narrow geometries. Poloxamer was printed on microscope glass slides to create the sacrificial mold. Agarose was pipetted into the mold and cooled until gelation. After elution of the poloxamer in ice cold water, the voids in the agarose mold were filled with alginate methacrylate spiked with FITC labeled fibrinogen. The filled voids were then cross-linked with UV and the construct was imaged with an epi-fluorescence microscope.

A bioprinter was used to create patterned hydrogels based on a sacrificial mold. The poloxamer mold was backfilled with a second hydrogel and then eluted, leaving voids which were filled with a third hydrogel. This method uses fast elution and good printability of poloxamer to generate complex architectures from biopolymers.

모방의 창조 3D 세포 배양을위한 두 구성 요소 히드로 겔에 대한 Thermoresponsive 역 금형 인쇄

Bioprinting is an emerging technology that has its origins in the rapid prototyping industry. The different printing processes can be divided into contact ...

면역학 및 감염병학

A Soft Tooling Process Chain for Injection Molding of a 3D Component with Micro Pillars

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection molding inserts with micro surface features. The Soft Tooling inserts are manufactured by Digital Light Processing (vat photo polymerization) using a photopolymer that can withstand relatively high temperaturea. The part manufactured here has four tines with an angle of 60&#176;. Micro pillars (&#216;200 &#181;m, aspect ratio of 1) are arranged on the surfaces by two rows. Polyethylene (PE) injection molding with the soft tooling inserts is used to fabricate the final parts. This method demonstrates that it is feasible to obtain injection-molded parts with microstructures on complex geometry by additive manufactured inserts. The machining time and cost is reduced significantly compared to conventional tooling processes based on computer numerical control (CNC) machining. The dimensions of the micro features are influenced by the applied additive manufacturing process. The lifetime of the inserts determines that this process is more suitable for pilot production. The precision of the inserts production is limited by the additive manufacturing process as well.

A protocol for fabricating injection molding inserts for complex geometry with micro features on surfaces employing Additive Manufacturing (AM) is presented.

마이크로 3D 부품의 사출 성형에 대 한 부드러운 금형 프로세스 체인 기둥

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection ...

공학

Design and Development of a Three-Dimensionally Printed Microscope Mask Alignment Adapter for the Fabrication of Multilayer Microfluidic Devices

This project aims to develop an easy-to-use and cost-effective platform for the fabrication of precise, multilayer microfluidic devices, which typically can only be achieved using costly equipment in a clean room setting. The key part of the platform is a three dimensionally (3D) printed microscope mask alignment adapter (MMAA) compatible with regular optical microscopes and ultraviolet (UV) light exposure systems. The overall process of creating the device has been vastly simplified because of the work done to optimize the device design. The process entails finding the proper dimensions for the equipment available in the laboratory and 3D-printing the MMAA with the optimized specifications. Experimental results show that the optimized MMAA designed and manufactured by 3D printing performs well with a common microscope and light exposure system. Using a master mold prepared by the 3D-printed MMAA, the resulting microfluidic devices with multilayered structures contain alignment errors of &lt;10 &#181;m, which is sufficient for common microchips. Although human error through transportation of the device to the UV light exposure system can cause larger fabrication errors, the minimal errors achieved in this study are attainable with practice and care. Furthermore, the MMAA can be customized to fit any microscope and UV exposure system by making changes to the modeling file in the 3D printing system. This project provides smaller laboratories with a useful research tool as it only requires the use of equipment that is typically already available to laboratories that produce and use microfluidic devices. The following detailed protocol outlines the design and 3D printing process for the MMAA. In addition, the steps for procuring a multilayer master mold using the MMAA and producing poly(dimethylsiloxane) (PDMS) microfluidic chips is also described herein.

This project allows small laboratories to develop an easy-to-use platform for the fabrication of precise multilayer microfluidic devices. The platform consists of a three-dimensionally printed microscope mask alignment adapter using which multilayer microfluidic devices with alignment errors of &lt;10 &#181;m were achieved.

다층 미세 유체 장치의 제조를 위한 입체 인쇄 현미경 마스크 정렬 어댑터의 설계 및 개발

This project aims to develop an easy-to-use and cost-effective platform for the fabrication of precise, multilayer microfluidic devices, which typically ...

Assembly and Characterization of an External Driver for the Generation of Sub-Kilohertz Oscillatory Flow in Microchannels

Microfluidic technology has become a standard tool in chemical and biological laboratories for both analysis and synthesis. The injection of liquid samples, such as chemical reagents and cell cultures, is predominantly accomplished through steady flows that are typically driven by syringe pumps, gravity, or capillary forces. The use of complementary oscillatory flows is seldom considered in applications despite its numerous advantages as recently demonstrated in the literature. The significant technical barrier to the implementation of oscillatory flows in microchannels is likely responsible for the lack of its widespread adoption. Advanced commercial syringe pumps that can produce oscillatory flow, are often more expensive and only work for frequencies less than 1 Hz. Here, the assembly and operation of a low-cost, plug-and-play type speaker-based apparatus that generates oscillatory flow in microchannels is demonstrated. High-fidelity harmonic oscillatory flows with frequencies ranging from 10-1000 Hz can be achieved along with independent amplitude control. Amplitudes ranging from 10-600 &#181;m can be achieved throughout the entire range of operation, including amplitudes &#62; 1 mm at the resonant frequency, in a typical microchannel. Although the oscillation frequency is determined by the speaker, we illustrate that the oscillation amplitude is sensitive to fluid properties and channel geometry. Specifically, the oscillation amplitude decreases with increasing channel circuit length and liquid viscosity, and in contrast, the amplitude increases with increasing speaker tube thickness and length. Additionally, the apparatus requires no prior features to be designed on the microchannel and is easily detachable. It can be used simultaneously with a steady flow created by a syringe pump to generate pulsatile flows.

The protocol demonstrates a convenient method to produce harmonic oscillatory flow from 10-1000 Hz in microchannels. This is performed by interfacing a computer-controlled speaker diaphragm to the microchannel in a modular manner.

마이크로채널에서 서브킬로헤르츠 진동 흐름의 생성을 위한 외부 드라이버의 조립 및 특성화

Microfluidic technology has become a standard tool in chemical and biological laboratories for both analysis and synthesis. The injection of liquid ...

Fabrication of Custom Agarose Wells for Cell Seeding and Tissue Ring Self-assembly Using 3D-Printed Molds

Engineered tissues are being used clinically for tissue repair and replacement, and are being developed as tools for drug screening and human disease modeling. Self-assembled tissues offer advantages over scaffold-based tissue engineering, such as enhanced matrix deposition, strength, and function. However, there are few available methods for fabricating 3D tissues without seeding cells on or within a supporting scaffold. Previously, we developed a system for fabricating self-assembled tissue rings by seeding cells into non-adhesive agarose wells. A polydimethylsiloxane (PDMS) negative was first cast in a machined polycarbonate mold, and then agarose was gelled in the PDMS negative to create ring-shaped cell seeding wells. However, the versatility of this approach was limited by the resolution of the tools available for machining the polycarbonate mold. Here, we demonstrate that 3D-printed plastic can be used as an alternative to machined polycarbonate for fabricating PDMS negatives. The 3D-printed mold and revised mold design is simpler to use, inexpensive to produce, and requires significantly less agarose and PDMS per cell seeding well. We have demonstrated that the resulting agarose wells can be used to create self-assembled tissue rings with customized diameters from a variety of different cell types. Rings can then be used for mechanical, functional, and histological analysis, or for fabricating larger and more complex tubular tissues.

This protocol describes a platform for fabricating self-assembled tissue rings in variable sizes using a customized 3D-printed plastic mold. PDMS negatives are cured in the 3D-printed mold; then agarose is cast in the cured PDMS negatives. Cells are seeded into the resulting agarose wells where they aggregate into tissue rings.

셀 시드를 위한 사용자 지정 Agarose 우물 및 자기 조립 금형 3D 인쇄를 사용 하 여 조직 반지 제작

Engineered tissues are being used clinically for tissue repair and replacement, and are being developed as tools for drug screening and human disease ...

Custom Engineered Tissue Culture Molds from Laser-etched Masters

As the field of tissue engineering has continued to mature, there has been increased interest in a wide range of tissue parameters, including tissue shape. Manipulating tissue shape on the micrometer to centimeter scale can direct cell alignment, alter effective mechanical properties, and address limitations related to nutrient diffusion. In addition, the vessel in which a tissue is prepared can impart mechanical constraints on the tissue, resulting in stress fields that can further influence both the cell and matrix structure. Shaped tissues with highly reproducible dimensions also have utility for in vitro assays in which sample dimensions are critical, such as whole tissue mechanical analysis.
This manuscript describes an alternative fabrication method utilizing negative master molds prepared from laser etched acrylic: these molds perform well with polydimethylsiloxane (PDMS), permit designs with dimensions on the centimeter scale and feature sizes smaller than 25 &#181;m, and can be rapidly designed and fabricated at a low cost and with minimal expertise. The minimal time and cost requirements allow for laser etched molds to be rapidly iterated upon until an optimal design is determined, and to be easily adapted to suit any assay of interest, including those beyond the field of tissue engineering.

Herein we present a rapid, facile, and low-cost method for fabricating custom polydimethylsiloxane molds that can be used for producing hydrogel-based engineered tissues with complex geometries. We additionally describe results from mechanical and histological assessments conducted on engineered cardiac tissues produced using this technique.

사용자 지정 레이저 에칭 마스터스에서 조직 문화 금형 설계

As the field of tissue engineering has continued to mature, there has been increased interest in a wide range of tissue parameters, including tissue ...

Three-dimensional Printing of Thermoplastic Materials to Create Automated Syringe Pumps with Feedback Control for Microfluidic Applications

Microfluidics has become a critical tool in research across the biological, chemical, and physical sciences. One important component of microfluidic experimentation is a stable fluid handling system capable of accurately providing an inlet flow rate or inlet pressure. Here, we have developed a syringe pump system capable of controlling and regulating the inlet fluid pressure delivered to a microfluidic device. This system was designed using low-cost materials and additive manufacturing principles, leveraging three-dimensional (3D) printing of thermoplastic materials and off-the-shelf components whenever possible. This system is composed of three main components: a syringe pump, a pressure transducer, and a programmable microcontroller. Within this paper, we detail a set of protocols for fabricating, assembling, and programming this syringe pump system. Furthermore, we have included representative results that demonstrate high-fidelity, feedback control of inlet pressure using this system. We expect this protocol will allow researchers to fabricate low-cost syringe pump systems, lowering the entry barrier for the use of microfluidics in biomedical, chemical, and materials research.

Here we present a protocol to construct a pressure-controlled syringe pump to be used in microfluidic applications. This syringe pump is made from an&#160;additively manufactured body, off-the-shelf hardware, and open-source electronics. The resulting system is low-cost, straightforward to build, and delivers well-regulated fluid flow to enable rapid microfluidic research.

인쇄를 만드는 열가 소성 재료의 3 차원 미세 응용 프로그램에 대 한 피드백 제어와 주사기 펌프를 자동

Microfluidics has become a critical tool in research across the biological, chemical, and physical sciences. One important component of microfluidic ...

3D Analysis of Multi-cellular Responses to Chemoattractant Gradients

Various limitations of 2D cell culture systems have sparked interest in 3D cell culture and analysis platforms, which would better mimic the spatial and chemical complexity of living tissues and mimic in vivo tissue functions. Recent advances in microfabrication technologies have facilitated the development of 3D in vitro environments in which cells can be integrated into a well-defined extracellular matrix (ECM) and a defined set of soluble or matrix associated biomolecules. However, technological barriers have limited their widespread use in research laboratories. Here, we describe a method to construct simple devices for 3D culture and experimentation with cells and multicellular organoids in 3D microenvironments with a defined chemoattractant gradient. We illustrate the use of this platform for analysis of the response of epithelial cells and organoids to gradients of growth factors, such as epidermal growth factor (EGF). EGF gradients were stable in the devices for several days leading to directed branch formation in breast organoids. This analysis allowed us to conclude that collective gradient sensing by groups of cells is more sensitive vs. single cells. We also describe the fabrication method, which does not require photolithography facilities nor advanced soft lithography techniques. This method will be helpful to study 3D cellular behaviors in the context of the analysis of development and pathological states, including cancer.

We describe a method to construct devices for 3D culture and experimentation with cells and multicellular organoids. This device allows analysis of cellular responses to soluble signals in 3D microenvironments with defined chemoattractant gradients. Organoids are better than single cells at detection of weak noisy inputs.

화학 유인 그라데이션에 대 한 다중 세포 반응의 3D 분석

Various limitations of 2D cell culture systems have sparked interest in 3D cell culture and analysis platforms, which would better mimic the spatial and ...

Design of an Open-Source, Low-Cost Bioink and Food Melt Extrusion 3D Printer

Three-dimensional (3D) printing is an increasingly popular manufacturing technique that allows highly complex objects to be fabricated with no retooling costs. This increasing popularity is partly driven by falling barriers to entry such as system set-up costs and ease of operation. The following protocol presents the design and construction of an Additive Manufacturing Melt Extrusion (ADDME) 3D printer for the fabrication of custom parts and components. ADDME has been designed with a combination of 3D-printed, laser-cut, and online-sourced components. The protocol is arranged into easy-to-follow sections, with detailed diagrams and parts lists under the headings of framing, y-axis and bed, x-axis, extrusion, electronics, and software. The performance of ADDME is evaluated through extrusion testing and 3D printing of complex objects using viscous cream, chocolate, and Pluronic F-127 (a model for bioinks). The results indicate that ADDME is a capable platform for the fabrication of materials and constructs for use in a wide range of industries. The combination of detailed diagrams and video content facilitates access to low-cost, easy-to-operate equipment for individuals interested in 3D printing of complex objects from a wide range of materials.

The aim of this work is to design and construct a reservoir-based melt extrusion three-dimensional printer made from open-source and low-cost components for applications in the biomedical and food printing industries.

오픈 소스, 저비용 바이오 잉크 및 식품 용융 압출 3D 프린터 설계

Three-dimensional (3D) printing is an increasingly popular manufacturing technique that allows highly complex objects to be fabricated with no retooling ...