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. Ekipman Set-up <ol><li> 2.45 ul / dk&#39;lık bir akış oranında, iğne ucundan polimer çözeltisinin dağıtılması için 15 psi basıncı ayarlamak için, bir basınç regülatörü aracılığıyla dağıtım sistemi kurma ve pnömatik kaynağına valf kontrolörü ve şırınga haznesinin bağlayın. </li><li> Istikrarlı bir çalışma ortamı (Şekil 2) sağlamak için termal kasasına 3-eksenli robot ve dağıtma sistemi takın. </li><li> Sistem üreticisi tarafından sağlanan Ortak Robot Kontrol Noktaları (JR-C Points) yazılımı yükleyin ve seri haberleşme portu üzerinden bilgisayara 3-eksenli robot bağlayın. </li><li> 3-eksenli robot vana dağıtımı monte edin ve vananın üzerine iğne ucu takın. </li><li> Valf ucu 15 yüksekliğine göre düzlüğü sağlamak için üreticinin talimatlarına göre robotik sahne plakasını Seviye. </li><li> Çevre denetimi eklemek için muhafaza içinde bir geri besleme kontrollü ısıtıcı monte edin. </li></ol>içerik &quot;fo: keep-together.within sayfa =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Şekil 2," src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> Şekil 2. (A) bir muhafaza içinde bulunan gerekli aksesuarlarla robotu dağıtım 3-Eksen; ve, (B) görselleştirme için takılı USB mikroskop ile dağıtım vanasının görüntüyü kapatın. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> 2. Deneysel Malzemeler ve Kontrol Faktörler <ol><li> Faktörleri ve bunların kombinasyonunu kontrol eder. <ol><li> JR C-Puan yazılım tarafından,% 100 (500 mm / sn) kadar% 1 hızında (5 mm / sn) den besleme hızı değişir. Bu uygulama için, imal etmek% 2 hızı (10 mm / sn) kullanın lif yapıları bu çalışmada sundu. </li><li> Gerekli olan belirli viskozite, yüzey gerilimi ve oynaklık parametrelerini elde etmek için polimer çözeltisi konsantrasyonunu Varyistenen uygulama için. Bu uygulama için, bu çalışmada sunulan elyaf yapıları imal etmek için Klorobenzen çözeltisi içinde% 24 polimetilmetakrilat (PMMA) kullanın. </li><li> Pnömatik hava yoluyla çözüm çıkartmak için 0.02 sn sn 1 ila kontrol vanası dağıtım süresini Vary. Bu uygulama için, bu çalışmada sunulan fiber yapıları imal etmek için 0.02 sn kullanın. </li><li> Polimer çözümleri dağıtmak için yüksek hassasiyetli iğne uçları bir göstergesi boyutunu seçin. Bu uygulama için, bu çalışmada sunulan fiber yapıları imal etmek için bir 30 G (iç çapı (ID) = 152.4 mikron) ucu kullanın. </li><li> Polimer numunesi sabit bir buharlaşma oranı sağlamak için, termal olarak yalıtılmış kutuda 100 ° F ile 70 ° F arası sıcaklık aralığı ayarlayın. Bu uygulama için, bu çalışmada sunulan elyaf yapıları imal etmek için 70 ° C arasında bir sıcaklık kullanılır. </li></ol></li><li> Polimer çözeltilerinin hazırlanması. <ol><li> Karıştırmakpolimetil metakrilat polimer reçineleri (PMMA; 0.72 g), bir kimyasal sıvı başlık altında çözücünün klorobenzen (2.28 g) eklenmiştir. </li><li> Çözelti içinde polimer arzu edilen konsantrasyonu sağlamak için polimer (PMMA) ve bir çözücü (klorobenzen) ağırlığını hesaplamak. Bu uygulama için, bu çalışmada sunulan elyaf yapıları imal etmek için Klorobenzen çözeltisi içinde% 24 polimetilmetakrilat (PMMA) kullanın. </li><li> Bu uygulama için. Polimer tozu / cam şişenin içine reçine istenilen miktarda yerleştirin PMMA ve% 24 oranında bir konsantrasyon elde etmek için PMMA reçine 0.72 g kullanın. </li><li> 3 g toplam ağırlık elde edilinceye kadar pipetle şişe içindeki polimer üzerine solvent aktarın. </li><li> Bir vorteks karıştırıcı kullanılarak 1 dakika için karıştırın ve şişeye ultrasonik tamamen polimer tozu / reçine çözmek için 5 saat boyunca bunları işlemek. </li><li> Berrak kadar ses dalgalarına maruz devam numuneye herhangi bulutluluk veya opaklık varsa, çözümlerin şeffaflık kontrol ediniz. </li></ol></li><li> Polimer çözeltilerinin viskozitesi ölçümü. <ol><li> Koni ve plakalı viskometre ile Ölçü çözeltisi viskoziteleri (ör LVDV-II ve RVDV-II +), 16. </li><li> Yük viskozite ölçümlerinden hataları en aza indirmek için viskometre kalibre viskometre üreticisi tarafından sağlanan bilinen viskozitesi, standart numune (bir gliserin bazlı ve su karışımı), 0.5 mi. Üretici viskozimetre kalibre etmek için standart numunelerin çeşitli sağladı. 100,000 cP viskoziteye sahip gliserin bazlı standart numune kullanılır. </li><li> Sabit bir çalışma sıcaklığında deney sıvısını korumak için Viskozimetre su ceketi bağlayın. </li><li> Milin dönüşünü başlatmak için Açık konumuna On / Off anahtarı hareket ettirerek test sıvısı ölçümü başlatın. Gösterge panelinde tork değeri stabilize edildikten sonra, tork kaydetmek ve milin 1 tork, iğ çarpan sabiti ve hızı arasındaki ilişkiyi kullanarak nihai viskoziteye hesaplamak6 <img alt="Denklem 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> viskozite nerede, RPM koni yapıştırılmış mili hızı, TK (LVDV-II +, RVDV-II + için 1 için 0,09373) tork olduğunu, SMC viskozitesi sırasında kullanılan belirli mili bağlıdır mili çarpan sabiti ölçümü. Bu çalışma için, CP-52 mili 9,83 spindle çarpanı sabit olan kullanılmıştır. </li></ol></li><li> Polimer çözeltilerinin yüzey gerilimi ölçümü. <ol><li> Ölçüm yöntemi Wilhelmy tekniğidir. 14 </li><li> Yüksek çözünürlüklü dengesi (ölçek çözünürlük = 0.001 g) üzerinde, bir cam şişe içinde, 1 ml test çözeltileri yerleştirin. Test çözeltileri, bilinen bir çapa sahip bir cam çubuk batırın. </li><li> Yüzeye dokunmamaya ve kısmen sıfır temas test çözümlerine sokmak için bir servo veya step kontrollü lineer aktüatör aracılığıyla çubuk pozisyonunu kontrol edin. </li><li> Monitör ve zaman dengesine kitle ölçüm değişikliği kaydetmekÇözelti yüzeyinden çubuk çıkarılması. </li><li> Kuvvet değişikliği, çubuk üzerinde sıvı çubuk ve temas açısı çevresi ile yüzey gerilimini hesaplayınız. <img alt="Denklem 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> , θ sıvının temas açısı çubuk üzerinde çubuğun ıslatılmış çevre (L = çapı 10.05 mm = 3.2 mm) olduğu yerde, K çubuğun ucu üzerine deney akışkanının yüzey gerilimi nedeniyle güç değişimdir. </li></ol></li><li> Çözeltilerinin kütle transfer katsayısı ölçümü. <ol><li> Termogravimetrik analiz ile polimer çözeltilerinin kütle transferi katsayılarını ölçün. 14 </li><li> Denge darası önce bir platin plaka üzerine% 24 (ağırlık olarak), PMMA, polimer çözeltisinin yük 30 ul. </li><li> Bölme, programı hedef çözümleri kitle izlemek için 2 saat süreyle istenen çalışma sıcaklığına (70 ° F) çalıştırmak için cihazı havalandırın. </li><li> Solüsyonun kütle değişikliklerden kütle transferi katsayılarının hesaplayın,çözelti / hava ara-yüzü ve yoğunluk alanı. <img alt="Denklem 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> m (t), PMMA çözeltilerinin kütle olduğu, bir çözelti / hava ara alanı (standart plaka için 78.5 mm 2 eşittir), mPOLYMER çözelti içinde polimer kütlesi olup çözeltisinin yoğunluğudur. </li></ol></li></ol> 3. Doğrudan yaz Deney Prosedürü <ol><li> Sistem numune yükleme protokolü Dağıtım. <ol><li> Yük bir şırınga ağzına polimer çözeltisinin 3 mi tutarsız pnömatik basınç dağılımı ortadan kaldırmak için bir şırınga pistonu yerleştirin. </li><li> , Şırınga varil üzerinde giriş hat adaptörünü çevirin kaynak hattı, hava tüpüne bağlayın. </li><li> Deney gerçekleştirmek için hassas iğne ucu istenilen ölçü boyutunu seçin. </li><li> Dağıtım denetleyici panelinde, devleti tasfiye ve tıklayın geçmek &quot;döngüsü&quot; butonuna yani polimer ile dağıtım vanası doldurmak içindökülmesinden kadar iğne ucundan taburcu edildi. </li><li> Programlanmış bir lif yazma prosedürü hazırlanmasında ucundan kalan polimer solüsyonu silin. </li></ol></li><li> 3-eksenli robot ve dağıtım sistemi ile doğrudan yazma polimer lifler. <ol><li> Reçete mikro / mikronaltı elyaf yapısının başlangıç ​​noktasına varsayılan giriş pozisyonundan dağıtma iğne ucu yeniden konumlandırmak için ofset robot evresini belirlemek çizilecek. Z ekseni boyunca çevirir dağıtma sistemi vana dirsek, bir USB mikroskop (büyütme = 200X) monte edin. El ile tam istenilen yere, prefabrik alt tabakaya ya da cihaza valf ucu konumlandırma asist USB mikroskop odaklanarak düğmeyi ayarlayarak dağıtıcı ucu odaklanın. </li><li> İstenen lif yapısı deseni (Şekil 3A, 4A ve 5A) CAD yazılım paketi kullanarak tasarım / oluşturun. Robo Girdi mekansal koordinatları (x, y, z)t JR-Cı CAD programı (Şekil 3B, 4B, 5B) içinde oluşturulan istenilen desen ile ilgili olarak, sıralı bütün başlatma ve bitirme noktası için kontrol yazılımı. 15 </li><li> JR-C yazılımı 15 içinde Robot menüsü altında &quot;C &amp; T Verileri Gönder&quot; linkine tıklayarak robot bilgisayardan tamamlanmış lif yapısı tasarım programı aktarın. </li><li> Yük 3 şırınga varil, boşaltma vanası ve iğne içine bilinen konsantrasyonda (% 24) PMMA çözümü örnek ml set yazılım kontrol vanası kontrolörü ve robot için tüm dağıtım parametreleri. </li><li> Robot sahne merdane üzerine prefabrik substrat yerleştirin polimer çözeltisinin kararsız buharlaşmasını uyarabilir ortam hava akışını önlemek için termal muhafaza kapılarını kapatın. </li><li> JR-C yazılımı robot menüsünü tıklayıp seçerek alt tabaka üzerine lifleri yazmaya başlayın &quot;test çalışan&quot; 15. </li><li> DC püskürtme kaplama altın 2 nm kalınlığında bir tabaka kadar, 2 dakika süre ile iletken bir altın metal tabakası, taramalı elektron mikroskobu liflerin görüntülenmesine olanak vermek üzere çekilen liflerin üzerine yatırılır. </li><li> Taramalı elektron mikroskobunda 17 aracılığıyla elyaf çapını yapısı ve ölçün. Mikroskop parametreleri: Yüksek gerilim seviyesi: 2.00 kV; Amaç: InLens, Çalışma Mesafesi (9.0 mm). </li></ol></li><li> Bir kimyasal akış kaputu altında dağıtma sistemi temizleme işlemini gerçekleştirin. <ol><li> Temizleme işlemi gerçekleştirmek için bir kimyasal akış kaputu dağıtım sistemini yerleştirin. </li><li> Üreticinin protokolüne göre iğne valfı ayırın. </li><li> Tüm parçaları dalmış kadar behere aseton dökün, bir behere tüm metal parçaları yerleştirin. </li><li> Tüm polimer kalıntıları çıkarmak için 30 dakika boyunca ultrasonik bir banyoda behere koyun. </li><li> Akan DI su altında tüm parçaları durulayın, daha sonra kuru onları uçurmak için hava tabancası kullanın. </li></ol></<html> li&gt; </ol><img alt="Şekil 3," src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" /> 10 mm x 10 mm çerçeve üzerinde tasarlanmış &quot;dörtlü&quot; web yapısının Şekil 3. (A) Örnek, (B) JR-C noktası yazılımı içine girilen üzere sıralı noktadan-noktaya mekansal talimatları. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">Bir görmek için buraya tıklayınız Bu rakamın büyük bir sürümü.</a> <img alt="Şekil 4," src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> Şekil 10 mm x 10 mm çerçeve üzerinde tasarlanmış &quot;simetrik&quot; web yapısının 4. (A) Örnek, (B), sıralı noktadan noktaya mekansal talimatlar JR-C noktası yazılımı içine girilen edilecek.&quot;blank&gt; Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız. <img alt="Şekil 5," src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" /> 10 mm x 10 mm çerçeve üzerinde tasarlanmış &quot;ikili zigzag&quot; web yapısı, (B) sıralı noktadan noktaya mekansal talimatlar Şekil 5. (A) Örnek JR-C noktası yazılımı içine girilen edilecek. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">görmek için buraya tıklayınız Bu rakamın büyük bir versiyonu.</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.

Her bir deneme başlamadan önce, polimer çözeltilerinin viskozitesi, kütle transferi katsayıları ve yüzey gerilimi testi doğru robotu ve dağıtma sistemi istenen polimeri işleme kapasitesine sahip olup olmadığını tespit etmek amacıyla ölçülebilir kritik öneme sahiptir. Bizim grubu ile, daha önce tarif edildiği gibi, polimer çözeltileri, yeterli muhafaza etmelidir: 1) yüzey gerilimi mikron / alt-mikron yapılarına sıvı filaman oluşumunu sağlamak için; 2) viskozite kılcal kırmak dayanacak şekilde; ve, 3) buharlaşma oranı lif katılaşma 18 artırmak için. Bu parametreler arasındaki sinerji başarılı çap belirlenen bir aralık içinde elyafın üretilmesi için bir anahtardır. Aynı zamanda, bu parametrelerin bir istikrarsızlık mikron / alt mikron çaplı elyafların oluşmasını engeller. Lif imalat sırasında bu parametreler arasındaki sinerjiyi korumak için, iğne ve iğne vana iyice doğrudan-yazma s sonra temizlenir sağlamak için önemlidirönlemek için Ession: çözeltinin 1) kirlenmesi; 2) iğne boyunca bir polimer çözelti akış hızında bir azalma; ve iğne ucu polimer boncuk, 3), aşırı büyümesi. Buna ek olarak, ısıtıcı sıcaklık kontrol cihazı, bir polimer çözeltisinin sürekli bir buharlaşma oranını korumak için istenen sıcaklığa ayarlanmış olması gerekir. çatallı kol lifler, Şekil 6-8 destek yapıları daha çapı% 41,% 24 daha büyük,% 59, sırası ile,% 24 PMMA çözeltisi kullanılarak. Bu lifler çizilir hangi mesafeye öncelikle kaynaklanmaktadır. Özellikle, destek yapıları alt-tabakanın tüm eni boyunca çizilen (X ve Y yönlerinde 10.0 mm; çapraz 14.4 mm). Bunun bir sonucu olarak, bu genel olarak süspanse yapıların uzun elyaflardır. çatallı dal yapıları aşağı 2,5 mm 7 mm maksimum uzunluk arasında değişen ölçüde kısadır. Bu kısa elyaf çekme uzunluğu hayır yokt etkin küçük çaplı elyafları üretmek için fiber inceltme işlemi sırasında gerekli olan elyaf suşu neden olur. Öte yandan, daha büyük çaplı teller etkin bir çatallı dal çekme işlemi sırasında uyarılan römorkörcülük ve deformasyon sürdürmek için destek lifleri olarak hizmet için gereklidir. Çatallanma dalları destek lifleri boyunca çizilir gibi, destek lif geometrisinin bir biçimlenme nedeniyle solvent mevcut çizim güçlerinin yanı sıra destek arasındaki arayüzde PMMA polimer lokalize çözülme ve dallı lifleri oluşabilir Polimer çözeltisi. Bu nedenle, bazı durumlarda, destek elyaflar daha büyük bir çapa ve mekanik olarak daha güçlü elyafın üretilmesi için bir polimer, daha yüksek bir konsantrasyon içeren bir polimer çözeltisinden imal edilmesi gerekebilir. Bir desteğin daha geniş ve dallı lif üretmek için mevcut protokol değiştirerek öncelikle üç etkili yöntemler vardırçapları: 1) başlangıçta büyük bir iğne ucundan polimeri dağıtmak (örneğin, 25 G; Kimliği = 254 mikron) desteği lifleri oluşturmak ve daha sonra küçük bir iğne ucu (örneğin, 32 G alışverişi, kimliği = 101.6 mikron) imal etmek Daha küçük dallı lifler; Yukarıda belirtildiği gibi 2), birden fazla polimer konsantrasyonlarının kullanılması; ve yani / veya, 3) ayarlamak ilerleme hızı, besleme hızı küçük çaplı lifleri üreten artırılması ve besleme hızı azalan nerede sahne, erişir hangi hızda geniş çaplı lifleri oluşturur. Bugüne kadar, başarılı bir şekilde 90 nm kadar küçük lifleri imal etmek mümkün olmuştur; Ancak, bu boyutta fiber verim nedeniyle kılcal dağılmasından düşüktür. Otomatik doğrudan yazma işleminin bir sınırlama polimer çözeltisinin sadece bir konsantrasyonu, bir anda tevzi edilebilir olmasıdır. Bu gerek kalmadan geliştirilecek askıya yapıların karmaşıklığı düzeyi kısıtlar: 1) robota ikinci bir dağıtım vanası ekleyin;veya, 2) Mevcut valfini çıkarın ve ek zaman alır ikinci polimer solüsyonu, dağıtım öncesi temizlik protokolü (Kısım 3.4) gerçekleştirin. İkinci sınırlama sistemi ulaşma yeteneğine sahiptir maksimum ilerleme hızı 500 mm / sn olan ilerleme hızı (ya da baskı hızı) &#39;dir. Ancak, besleme hızı ve lif oluşumu arasında bir tercih söz konusudur. Atalet kuvvetleri (besleme hızına bağlı kuvvetleri) yüzey gerilimi kuvvetlerinin ve polimer çözeltisinin bir buharlaşma hızına daha büyük olan özel olarak, fiber oluşumu oluşmaz. Besleme hızı çok düşükse, diğer yandan, lifler, önce, ve uzama işlemi sırasında aşırı buharlaşma kırılma olacaktır. Üçüncü olarak, elyaf yapısı ve boyutları sırasıyla x, y ve z istikametlerinde robotun aşamasında çalışma aralığında, örneğin, 200 mm, 200 mm ve (10 um konumsal bir doğrulukla) 25 mm ile sınırlıdır. Bununla birlikte, bu süreç (fiber l yüksek en boy oranı oluşmasını sağlayacak yokength: çap) elyafları olabilecektir. Stratejik yüksek karmaşıklık serbestçe asılı yapılarını oluşturmak için yeteneği oluşturma, dağıtma uç boyutu ve daha geniş bir lif çapı aralığı için izin verecek polimer çözeltisi konsantrasyonunu değişen. Yukarıda belirtilen protokoller izlenerek, mikron ve mikron altı çapı polimer lifleri başka, ıslak, kuru ya da Elektrospinning işlemler ile kontrol edilemez Polimer çözeltilerin yüzey gerilimi tahrik edilen akışkan mekaniği, yararlanarak aralıklı kontrolünün yüksek düzeyde elde edilebilir . Önceki çalışma 8,19, biz bu tekniğin karmaşık mikro / submikron akışkan cihazlar 19 ve biyomühendislik iskeleleri 8 imal etmek için kullanılabilir olduğunu biliyorum. Bu ucuz ve kolay bir tekniktir birçok yönden geleneksel planya fabrikasyon yöntemleri üzerinde kendi avantajları vardır.

Son birkaç on yıl gibi ıslak eğirme, kuru eğirme ve elektrospinning olarak fabrikasyon teknikleri, çeşitli boyunca, çeşitli ve biyolojik sağlam, kimya, elektrik ve mekanik özelliklere sahip yeni polimer 1-12 lif yapılarını oluşturmak için istihdam edilmiştir. Bu eğirme teknikleri üç boyutlu lifler süspansiyon üretme yeteneğine sahiptir, ancak, bunlar, bu işlemler vasıtasıyla elyaf birikim doğada rastgele olduğundan tam olarak üç boyutlu lif yönünü kontrol etmek için yetenekleri açısından sınırlıdır. Buna ek olarak, bu teknikler, elyaf üretimi için boyutsal aralığında sınırlıdır; nanometre onlarca tek mikron ila 13 arasında değişen çaplara sahip verim fiberleri Elektrospinning ise özel olarak ise, kuru ve ıslak eğirme ile üretilen elyaf, onlarca mikron yüzlerce çapı değişebilir. 3 boyutlu uzayda lif oryantasyonu daha hassas kontrol sağlamak için, bizim grup kendini geliştirdi-assemble veya doğrudan daha sonra içi boş kılcal dışında bir polimerik malzeme çıkarır ve &quot;doğrudan-yazma&quot; lif üretim süreci yüzey gerilimi odaklı akışkan mekaniği 14 sömürerek öngörülebilir lif çapları içine katılaşmaya ince ve bireysel filamentler çizer. Lif konumu ve çapı kontrol seviyesini artırmak için Bizim ilk doğrudan yazma sistemi Ultra Yüksek Hassas micromilling Makinası (Şekil 1) yapılmış bir özel başkanına bağlı bir özel fabrikasyon yaylı şırınga dağıtım sistemi oluşuyordu. UHPMM X ve Y yönlerinde 1.25 nm ve programlı mikron ve alt mikron ölçekli teller ve yapılar oluşturmak için kontrol edildi Z yönünde 20 nm&#39;lik bir konumsal çözünürlüğe sahip bir sahne vardı. Bu özel direkt yazma sisteminin bir sınırlama iğne ucu sayesinde polimer çözeltisinin akış kontrol eksikliği oldu. Yaylı dağıtma sistemi başarıyla sabit flo oluşturulan rağmenucundan w, polimer çözeltisinin sürekli genişleyen küresel boncuk çevresel koşullara bağlı olarak boyut ve hacim olarak değiştirilebilir şırınga ucu, bir çıkış oluşturulmuştur. <img alt="Şekil 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> Şekil Ultra Yüksek Hassasiyetli micromilling Makine 1. Resim:. Mikron / mikronaltı ölçekli yapılarını imalatı kullanılan ilk doğrudan yazma sistemi <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> Bu kaynak boncuk tutarsızlığı art arda reçete çapta telleri imal sistemin yeteneğini etkiledi. Yapıların başarılı bir şekilde, bu doğrudan yazma işlemi kullanılarak elde edilmiştir de olsa, polimer çözeltisinin akış kontrol artırarak sürecinin artırılması fazla taşlı izin verecektirse, şırınga ucunda boncuk boyutu düzenlenmesi yoluyla lif çapları reçete. Böylece, bu çalışma tam reçete oluşturmak için polimer çözelti akış hızı ve uç boncuk boyutunu kontrol etmek için pnömatik olarak çalıştırılan dağıtıcı vana, mikron / alt-mikron asılı yapılar ile 3 eksenli otomatik dağıtım sisteminin uygulanmasını açıklar.

<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.

Şekiller 3-5a ve yukarıdaki B tanımlanan ilgili tasarımları ve JR Cı-nokta algoritmaları her biri için, 3-eksenli bir robot ve doğrudan yazma yöntemi ile üretilen gerçek yapıları görüntüleri Şekil 6A, 7A ve 8A&#39;da gösterilmiştir. Elde edilen görüntülerde görüleceği üzere, üç-boyutlu, serbest asılı liflerin kesin noktalarını ve kesişme noktalarını sonlandırma / başlatma dahil olmak üzere reçete mekansal konumlara dağıtıcı ucu işleyerek substratlar üzerine başarılı bir şekilde &quot;yazılı&quot; olmuştur. Bu rakamlar takmalar tam 3 boyutlu uzayda lif oryantasyonu (Şekil 6B, 7B ve 8B) kontrol etme sistemin yeteneğini göstermek askıya liflerin, kesişme noktalarını büyütmek. <img alt="Şekil 6," src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> Şekil 6 (A) &#39;Op<html> tek bir çatallı lif (289X büyütme (B) SEM görüntüsünü (Ölçek çubuğu = 1 mm 15X optik büyütme); askıya web yapısı 2 destek lifleri (çapraz) ve 12 çatal dallı PMMA lifleri olan uydurma &quot;quad&quot; nin kortikal görüntü ölçeği bar = 100 um). <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 7," src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> Şekil 7. (A) 1 destek fiber (yatay) ve 11 çatal dallı PMMA lifleri olan uydurma &quot;simetrik&quot; askıya web yapısının Optik görüntü, tek bir çatallı bir (15X optik büyütme ölçek çubuğu = 1 mm), (B) SEM görüntüsü lif (107X büyütme, ölçek çubuğu = 100 mikron).52834fig7large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız. <img alt="Şekil 8," src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> (; Ölçek çubuğu = 1 mm 15X optik büyütme), (B) tek SEM görüntüsünü Şekil 8. (A) fabrikasyon &quot;ikili chevron&quot; Optik görüntü 1 destek fiber (yatay) ve 22 çatal dallı PMMA lifleri olan web yapısı askıya çatallı lif. (80X büyütme, ölçek çubuğu = 100 mikron) <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> Şekil 9 görüntüler 3-eksenli robot ve dağıtım sistemi serbestçe asılı web benzeri yapılar üretebilir hangi lif üretimi sıralı noktadan-noktaya düzenin görünümü kadar kapatın. p<html> sayılarla görüntülenen olymer temas noktaları yukarıda Şekil 3B başvurulan JR-C yazılımı programlı başlatılması ve sona noktalara gelmektedir. oklar robot yörüngesini temsil etmektedir. farklı boyutlarda telleri imal doğrudan yazma sistemin becerisini göstermektedir 10 görüntüler mikron ve mikron altı polimer lifler, Şekil. <img alt="Şekil 9," src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> Mikron ve mikron altı polimer lifler (29x büyütme, ölçek çubuğu = 200 mikron) çizmek için sıralı noktadan-noktaya imalat siparişi gösteren Şekil 9. SEM görüntüsü. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> 2834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; Şekil 10. SEM mikron (6.5 mikron) ve alt mikron (555 nm)% 20 konsantrasyon PMMA polimer çözeltisi kullanılarak çizilen liflerin görüntüsü. (2,270X büyütme, ölçek çubuğu = 2 mikron) <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">tıklayınız daha büyük bir versiyonunu görmek için Bu rakam.</a> Polimer elyaf uzunluğu ve çapı, taramalı elektron mikroskobu kullanılarak ölçüldü. Tablo 1, çatallı dal elyaflar ve destek liflerine karşılık gelen, yukarıda Şekiller 6-8 sunulan her bir eşsiz yapısı için ortalama tel çapı gösterir. Tablo 2&#39;de ölçüldü polimer parametreler Yukarıda belirtildiği yapılar imal etmek yararlanılmıştır% 24 PMMA çözümleri. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> Şekil 6&#39;da yapı çapı</td><td> Şekil 7&#39;de yapı çapı </td><td> Şekil 8&#39;de yapı çapı </td></tr><tr><td> Destek lifler </td><td> 8.65 ± 1.43 mikron </td><td> 9.39 ± 1.23 mikron </td><td> 9.31 ± 1.65 mikron </td></tr><tr><td> Şube lifler </td><td> 20.96 ± 3.35 mikron </td><td> 15.92 ± 1.44 mikron </td><td> 12.24 ± 5.42 mikron </td></tr></tbody></table> % 24 PMMA çözümü için Şekil 6-8 gösterildiği asılı destek ve şube liflerin Tablo 1. Ortalama çapları. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> % 24 PMMA </td></tr><tr><td> Viskozite (Pa * sn) </td><td> 35.19 </td></tr><tr><td> Yüzey Gerilimi (mN / m) </td><td> 262,01 </td></tr><tr><td&gt; Kütle Transferi Katsayısı (m / sn) </td><td> 8.59 x 10 -8 </td></tr></tbody></table> Bu çalışmada sunulan fiber yapıları imal etmek yararlanılmıştır% 24 PMMA çözümleri Tablo 2. Polimer parametreleri.

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

Burada, biz 3 eksenli dağıtım sistemi vasıtasıyla otomatik direkt yazma prosedürü yoluyla üretilen özgürce askıya mikron / alt mikron ölçekli polimer lifler ve &quot;web-like&quot; yapılar imal etmek için bir protokol mevcut.

Asma Micron / Sub-mikron Ölçeği Fiber Yapıların 3-D Doğrudan Yazma Robotik Dağıtım Sistemi aracılığıyla Prescribed

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

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

8.0K Görüntüleme.  University of Louisville.  Burada, biz 3 eksenli dağıtım sistemi vasıtasıyla otomatik direkt yazma prosedürü yoluyla üretilen özgürce askıya mikron / alt mikron ölçekli polimer lifler ve "web-like" yapılar imal etmek için bir protokol mevcut. 

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.

3D Karbon Nanotube mikroyapılar, Üretimi, Yoğunlaştırma ve Replica Kalıp

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

Mühendislik

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.

3D Disconnected Gümüş Nanoyapılar Fabrikasyona için Bir Yöntem

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.

Bir Kurban bileşeni buharlaşma kullanarak üç boyutlu Mikroyapılar Yapma Süreci

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.

İletken Mürekkepler düzlemsel ve Üç Boyutlu Baskı

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

Biyomühendislik

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.

Mikroakışkan Sızma yoluyla üç boyutlu mikrostrüktürlü nanokompozitlerin İmalat

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

Kimya

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.

Ag Nanopaste lazer kaynaklı İleri Transferi

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.

Önceden Tasarlanmış Boyut ve Şekle Sahip Polimerik ve Biyohidred Elyafların Mikroakışkan İmalatı

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

Microfluidic Dry-spinning and Characterization of Regenerated Silk Fibroin Fibers

The protocol demonstrates a method for mimicking the spinning process of silkworm. In the native spinning process, the contracting spinning duct enables the silk proteins to be compact and ordered by shearing and elongation forces. Here, a biomimetic microfluidic channel was designed to mimic the specific geometry of the spinning duct of the silkworm. Regenerated silk fibroin (RSF) spinning doped with high concentration, was extruded through the microchannel to dry-spin fibers at ambient temperature and pressure. In the post-treated process, the as-spun fibers were drawn and stored in ethanol aqueous solution. Synchrotron radiation wide-angle X-ray diffraction (SR-WAXD) technology was used to investigate the microstructure of single RSF fibers, which were fixed to a sample holder with the RSF fiber axis normal to the microbeam of the X-ray. The crystallinity, crystallite size, and crystalline orientation of the fiber were calculated from the WAXD data. The diffraction arcs near the equator of the two-dimensional WAXD pattern indicate that the post-treated RSF fiber has a high orientation degree.

A protocol for the microfluidic spinning and microstructure characterization of regenerated silk fibroin monofilament is presented.

Mikrosıvısal kuru-iplik ve rejenere ipek Fibroin lifleri karakterizasyonu

The protocol demonstrates a method for mimicking the spinning process of silkworm. In the native spinning process, the contracting spinning duct enables ...

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.

Hücre Yüzey Rehberlik ve Bioprinting için Otomatik Robotik Dağıtım Tekniği

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

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(&#949;-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology with great potential for biomedical applications. The technique facilitates the direct deposition of biocompatible polymer fibers to fabricate well-ordered scaffolds in the sub-micron to micro scale range. The establishment of a stable, viscoelastic, polymer jet between a spinneret and a collector is achieved using an applied voltage and can be direct-written. A significant benefit of a typical porous scaffold is a high surface-to-volume ratio which provides increased effective adhesion sites for cell attachment and growth. Controlling the printing process by fine-tuning the system parameters enables high reproducibility in the quality of the printed scaffolds. It also provides a flexible manufacturing platform for users to tailor the morphological structures of the scaffolds to their specific requirements. For this purpose, we present a protocol to obtain different fiber diameters using melt electrospinning writing (MEW) with a guided amendment of the parameters, including flow rate, voltage and collection speed. Furthermore, we demonstrate how to optimize the jet, discuss often experienced technical challenges, explain troubleshooting techniques and showcase a wide range of printable scaffold architectures.

This protocol serves as a comprehensive guideline to fabricate scaffolds via electrospinning with polymer melts in a direct writing mode. We systematically outline the process and define the appropriate parameter settings for achieving targeted scaffold architectures.

Üç boyutlu Poly(ε-caprolactone) İskele kontrol edilebilir türleri morfoloji ile Electrospinning yazma doku mühendisliği uygulamaları için erime

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology ...