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. Ausrüstung Set-up <ol><li> Zubauen Abgabesystem und verbinden Ventilsteuerung und Spritzenkörper zum Pneumatikquelle über einen Druckregler, um den Druck auf 15 psi eingestellt, die Polymerlösung von der Nadelspitze mit einer Fließgeschwindigkeit von 2,45 ml / min abzugeben. </li><li> Legen Sie die 3-Achsen-Roboter und Abgabesystem in eine Wärmekammer, um eine stabile Arbeitsumgebung (Abbildung 2) zu gewährleisten. </li><li> Installieren Joint-Robot Control Points (JR-C-Punkte) Software, die vom Systemhersteller und schließen 3-Achs-Roboter mit einem Computer über serielle Schnittstelle. </li><li> Montieren Sie Zapfventil, um 3-Achsen-Roboter und installieren Nadelspitze auf das Ventil. </li><li> Richten Sie die Roboter-Bühne Platte nach den Richtlinien des Herstellers, um Flachheit in Bezug auf die Höhe der Ventilspitze 15 zu gewährleisten. </li><li> Bauen Sie ein Feedback-gesteuerte Heizung in dem Gehäuse, um das Klima hinzuzufügen. </li></ol>Inhalt &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> Abbildung 2. (A) 3-Achsen-Roboter mit Abgabe erforderliche Zubehör in einem Gehäuse untergebracht ist; und (B) Nahaufnahme Bild des Abgabeventils mit angeschlossenem USB-Mikroskop für die Visualisierung. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 2. Experimentelle Materialien und Controlling Factors <ol><li> Steuern Faktoren und deren Kombination. <ol><li> Variieren von 1% Geschwindigkeit (5 mm / sec) Vorschubgeschwindigkeit bis zu 100% (500 mm / s), die von der JR C-Points-Software. Für diese Anwendung mit einem 2% Geschwindigkeit (10 mm / sec) auf die Herstellung Faserstrukturen in dieser Arbeit vorgestellt. </li><li> Vary Polymerlösung Konzentrationen auf bestimmte Viskosität, Oberflächenspannung und die Volatilität Parameter erforderlich zu erreichenzur gewünschten Anwendung. Für diese Anwendung verwenden eine 24% Polymethylmethacrylat (PMMA) in Chlorbenzol-Lösung, die in dieser Arbeit vorgestellten Faserstrukturen herzustellen. </li><li> Vary Steuerventil Abgabezeit von 0,02 s bis 1 s, um Lösungen über pneumatische Luft auszuwerfen. Für diese Anwendung verwenden, 0,02 sec, um die in dieser Arbeit vorgestellten Faserstrukturen herzustellen. </li><li> Wählen Sie einen Messgröße von hochpräzisen Nadelspitzen zu Polymerlösungen zu verzichten. Für diese Anwendung verwenden eine 30 G (Innendurchmesser (ID) = 152,4 um) Spitze, die in dieser Arbeit vorgestellten Faserstrukturen herzustellen. </li><li> Stellen Sie den Betriebstemperaturbereich zwischen 70 ° F bis 100 ° F in der thermisch isolierten Box, um eine konstante Verdampfungsrate der Polymerprobe zu erhalten. Für diese Anwendung verwenden, eine Temperatur von 70 ° F, die in dieser Arbeit vorgestellten Faserstrukturen herzustellen. </li></ol></li><li> Herstellung von Polymerlösungen. <ol><li> MischenPolymerharze von Polymethylmethacrylat (PMMA; 0,72 g) mit dem Lösungsmittel Chlorbenzol (2,28 g) unter einer chemischen Strömungshaube. </li><li> Berechnen des Gewichts des Polymers (PMMA) und deren Lösungsmittel (Chlorbenzol), um die gewünschte Konzentration des Polymers in Lösung zu erreichen. Für diese Anwendung verwenden eine 24% Polymethylmethacrylat (PMMA) in Chlorbenzol-Lösung, die in dieser Arbeit vorgeFaserStrukturen herzustellen. </li><li> Platzieren gewünschte Menge an Polymer-Pulver / Kunstharz in Glasfläschchen. Für diese Anwendung verwenden 0,72 g PMMA-Harz, um eine 24% ige Konzentration von PMMA zu erreichen. </li><li> Übertragen Sie Lösungsmittel auf Polymer innerhalb Fläschchen mit einer Pipette, bis die Gesamtgewicht von 3 g erreicht ist. </li><li> Mischen Sie das Fläschchen für 1 min auf dem Vortex-Schüttler und mit Ultraschall verarbeiten sie 5 Stunden, um das Polymerpulver / Harz vollständig zu lösen. </li><li> Überprüfen Sie die Transparenz der Lösungen, wenn es irgendeine Trübung oder Opazität zu Probe weiter, bis klar beschallen. </li></ol></li><li> Viskositätsmessung von Polymerlösungen. <ol><li> Measure Lösungsviskositäten über Kegel-Platte-Viskosimeter (zB LVDV-II + und RVDV-II +) 16. </li><li> Last 0,5 ml bekannter Viskosität Standardprobe (a Glycerinbasis und Wasser-Mischung), die vom Hersteller bereitgestellt Viskosimeter, das Viskosimeter, um Fehler bei den Viskositätsmessungen minimiert kalibrieren. Der Hersteller versorgte eine Vielzahl von Standard-Proben für die Kalibrierung des Viskosimeters. Verwenden Sie die Glycerin-basierten Standardprobe mit einer Viskosität von 100.000 cP. </li><li> Verbinden Sie Wassermantel zu Viskosimeter, um die Testflüssigkeit auf einem konstanten Betriebstemperatur zu halten. </li><li> Starten Testflüssigkeit Messung, indem Sie den Ein- / Ausschalter in die Position, um die Drehung der Spindel zu starten. Sobald der Wert des Drehmoments auf der Anzeigetafel stabilisiert hat, aufzeichnen das Drehmoment und die Berechnung der endgültigen Viskositäten unter Verwendung der Beziehung zwischen dem Drehmoment, Spindel Multiplizierer konstant und die Geschwindigkeit der Spindel 16 <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> wobei die Viskosität ist RPM die Drehzahl der Spindel auf Konus befestigt ist, ist die TK das Drehmoment (0,09373 für LVDV-II +, 1 für RVDV-II +) SMC ist die Spindel Multiplizierer Konstante, die von speziellen Spindel hängt während der Viskosität verwendet Messung. Für diese Studie wurde das CP-52 Spindel verwendet, die eine Spindel Multiplikatorkonstante von 9,83 hat. </li></ol></li><li> Oberflächenspannungsmessung von Polymerlösungen. <ol><li> Messverfahren bezieht sich auf die Wilhelmy-Technik. 14 </li><li> Zeigen 1 ml Testlösungen in einem Glasfläschchen auf eine hochauflösende Waage (Stufenauflösung = 0,001 g). Tauchen Sie einen Glasstab von bekannten Durchmesser in Testlösungen. </li><li> Kontrollieren Sie die Position der Stange über eine Servo- oder Schritt gesteuerte Linearantrieb zur Oberfläche berühren und teilweise in Testlösungen eintauchen mit Null-Kontakt. </li><li> Überwachung und Aufzeichnung der Änderung der Massenmessung auf die Waage, wennEntfernen Stange aus Lösung Oberfläche. </li><li> Berechnen der Oberflächenspannung von Kraftänderung, Umfang des Stabes und der Kontaktwinkel des Fluids an der Stange. <img alt="Gleichung 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> wo ist der benetzte Umfang der Stange (l = 10,05 mm Durchmesser = 3,2 mm), ist θ Kontaktwinkel von Flüssigkeit auf der Stange, ist F Kraftänderung aufgrund der Spannung der Testflüssigkeitsoberfläche an der Spitze der Stange. </li></ol></li><li> Stoffübergangskoeffizienten Messung von Lösungen. <ol><li> Messen Stoffübergangskoeffizienten von Polymerlösungen durch thermogravimetrische Analyse. 14 </li><li> Last 30 ul der 24% (nach Gewicht) PMMA Polymerlösung auf einer Platinplatte vor der Tarierung der Waage. </li><li> Entlüftungskammerprogramm das Gerät auf die gewünschte Arbeitstemperatur (70 ° F) für 2 h durchgeführt, um Masse von der Ziellösungen zu überwachen. </li><li> Berechnen Sie die Stoffübergangskoeffizienten durch Änderungen in der Masse der Lösung,Fläche Lösung / Luft-Grenzfläche und Dichte. <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> wobei m (t) die Masse der PMMA-Lösungen, A die Fläche der Lösung / Luft-Grenzfläche (entspricht 78,5 mm 2 für Standardplatte) ist mPOLYMER die Polymermasse in der Lösung und die Dichte der Lösung. </li></ol></li></ol> 3. mit Direktschreibversuchsdurchführung <ol><li> Spendersystem Probenbeladung Protokoll. <ol><li> Last 3 ml Polymerlösung in den Spritzenzylinder, legen Kolbens in den Spritzenzylinder zu inkonsistenten Druckluftverteiler eliminieren. </li><li> Drehen Sie die Einlassleitung Adapter auf dem Spritzenzylinder, schließen Sie es an die Source-Leitung Luftschlauch. </li><li> Wählen Sie die gewünschte Messgröße der Präzisionsnadelspitze zu Experiment durchzuführen. </li><li> Auf der Ausgabe Controller Panel, wechseln in den Zustand zu reinigen und klicken Sie auf &quot;Zyklus&quot;, um das Ausgabeventil mit Polymer so zu füllensung, bis von der Nadelspitze ausgestoßen. </li><li> Wischen Restpolymerlösung von der Spitze in der Vorbereitung einer programmierten Faserschreibprozedur. </li></ol></li><li> Direktschreibpolymerfasern mit 3-Achsen-Roboter und Ausgabesystem. <ol><li> Bestimmen Sie den Roboter Stufe versetzt, um die Spitze der Dosiernadel aus der Standard-Ausgangsposition in die Initiationspunkt der vorgeschriebenen Mikro- / Sub-Mikrometer Faserstruktur neu gezeichnet werden soll. Mount ein USB-Mikroskop (Vergrößerung = 200X) zur Abgabesystemventil Halterung, die sich entlang der Z-Achse übersetzt. Auf der Spenderspitze eine manuelle Fokussierung durch Einstellen der Fokussierknopf auf dem USB-Mikroskop, das in genauer Positionierung der Ventilspitze auf die gewünschte Stelle, vorgefertigten Substrats oder Gerät erleichtern. </li><li> Erstellen / Design der gewünschten Faserstrukturmuster (Figuren 3A, 4A und 5A) mit Hilfe eines CAD-Softwarepaket. Eingabe der räumlichen Koordinaten (x, y, z) in der Robot JR-C Steuerungssoftware für alle Einleitung und Beendigung Punkte in sequentieller Reihenfolge in Bezug auf das gewünschte Muster in dem CAD-Programm (3B, 4B und 5B) erstellt. 15 </li><li> Bringen Sie das ausgefüllte Faserstruktur-Design-Programm vom Computer an den Roboter, indem Sie auf &quot;senden C &amp; T Data&quot; unter dem Robot-Menü innerhalb der JR-C-Software 15. </li><li> Last 3 ml PMMA Lösungsprobe bekannter Konzentration (24%) in den Spritzenzylinder, Spülventil und Nadel gesetzt alle Ausgabeparameter für die Ventilsteuerung und Robotersteuersoftware. </li><li> Zeigen vorgefertigten Substrat, auf dem Roboter Bühne Platte, schließen Sie die thermische Gehäusetüren auf Umgebungsluftstrom, der instabilen Verdampfen der Polymerlösung auslösen können zu vermeiden. </li><li> Schreiben beginnen die Fasern auf das Substrat, indem Sie auf den Roboter-Menü von der JR-C-Software und wählen Sie &quot;Test läuft&quot; 15. </li><li> DC-Sputter-Beschichtung eines leitfähigen Goldmetallschicht für 2 min, bis eine 2 nm dicke Goldschicht auf die gezogenen Fasern aufgebracht, um die Visualisierung der Fasern in dem Rasterelektronenmikroskop ermöglichen. </li><li> Der Durchmesser und die Struktur der Fasern mittels Rasterelektronenmikroskop 17. Mikroskopparameter: Hochspannungsebene: 2.00 kV; Ziel: InLens, Arbeitsabstand (9,0 mm). </li></ol></li><li> Führen Sie das Dosiersystem Reinigungsverfahren unter einer chemischen Flow-Haube. <ol><li> Legen Sie das Dosiersystem in einer chemischen Flow-Haube, um den Reinigungsvorgang durchzuführen. </li><li> Zerlegen Nadelventil nach dem Protokoll des Herstellers. </li><li> Ort alle Metallteile in ein Becherglas gießen Aceton in den Becher bis alle Teile eintauchen. </li><li> Becherglas in einem Ultraschallbad für 30 Minuten, um alle Polymerreste zu entfernen. </li><li> Sie alle Teile unter fließendem DI Wasser spülen, dann verwenden Sie Luftpistole, um sie trocken zu blasen. </li></ol></<html> li&gt; </ol><img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" /> Abbildung 3. (A) Beispiel entwickelt &quot;quad&quot; Web-Struktur auf einem 10 mm x 10 mm Rahmen, (B) sequentiellen Punkt-zu-Punkt-Raum Anweisungen in JR C-Punkt-Software eingegeben werden. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um einen Blick Größere Version der Figur.</a> <img alt="Figur 4" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> Abbildung 4 (A) Beispiel entwickelt &quot;symmetrisch&quot; Web-Struktur auf einem 10 mm x 10 mm Rahmen, (B) sequentiellen Punkt-zu-Punkt-Raum Anweisungen in JR C-Punkt-Software eingegeben werden.blank &quot;&gt; Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="Figur 5" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" /> Abbildung 5 (A) Beispiel entwickelt &quot;Dual Chevron&quot; Web-Struktur auf einem 10 mm x 10 mm Rahmen, (B) sequentiellen Punkt-zu-Punkt-Raum Anweisungen in JR C-Punkt-Software eingegeben werden. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um zu sehen eine größere Version dieser Figur.</a>

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The authors have nothing to disclose.

Vor dem Versuch jeden Versuch, ist es entscheidend, daß die Viskosität, Massenübertragungskoeffizienten und Oberflächenspannungstest der Polymerlösungen genau, um zu bestimmen, ob der Roboter und Abgabesystem, das zur Verarbeitung des gewünschten Polymers ist, gemessen werden. Wie zuvor von unserer Arbeitsgruppe beschrieben, muß die Polymerlösungen behalten ausreichende: 1) Oberflächenspannung die Bildung von Flüssigkeitsfäden in Mikron / Submikron-Strukturen ermöglichen; 2) Viskosität zu widerstehen Kapillare aufzubrechen; und 3) Verdampfungsrate zu verbessern Faserverfestigungs 18. Die Synergie zwischen diesen Parametern ist der Schlüssel zu Fasern über einen bestimmten Durchmesserbereich erfolgreich zu produzieren. Gleichzeitig, Instabilität in einer dieser Parameter wird die Bildung von Mikrometer / Submikron-Maßstab Fasern. Um die Synergie zwischen diesen Parameter während der Faserherstellung zu erhalten, ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Nadel und das Nadelventil gründlich nach einer Direktschreib s gereinigtession zu verhindern: 1) Verunreinigung der Lösung; 2) eine Verringerung der Polymerlösung Strömungsrate durch die Nadel; und 3) übermäßiges Wachstum der Polymerpartikel an der Spitze der Nadel. Darüber hinaus muss die Temperatur-Steuerung der Heizung auf die gewünschte Temperatur eingestellt, um eine konstante Verdampfungsrate der Polymerlösung zu halten. Der gegabelte Zweig Fasern waren 59%, 41% und 24% im Durchmesser größer als der der Tragstrukturen in den Figuren 6-8, die jeweils mit dem 24% PMMA-Lösung. Dies ist hauptsächlich auf die Entfernung, in welcher die Fasern gezogen werden. Insbesondere werden die Stützstrukturen über die gesamte Breite des Substrats gezogen (10,0 mm in X- und Y-Richtungen; 14,4 mm diagonal). Als Ergebnis sind die längsten Fasern der Gesamthängekonstruktionen. Die gegabelten Zweig Strukturen sind deutlich kürzer, angefangen von 7 mm maximale Länge bis zu 2,5 mm. Diese kürzere Faserziehlänge tut nichtt effektiv die Faserdehnung während des Faserausdünnungsprozess erforderlich, um die Fasern mit kleinem Durchmesser herzustellen induzieren. Auf der anderen Seite werden die Drähte mit größerem Durchmesser erforderlich, um als Trägerfasern, um das Zerren und Verformung während des gegabelten Zweig Ziehprozesses induzierten effektiv aufrecht zu dienen. Zur Bifurkation Zweige sind über die Stützfasern gezogen wird, kann eine Umgestaltung des Tragfasergeometrie aufgrund der Zugkräfte sowie eine lokalisierte Auflösung des PMMA-Polymer an der Grenzfläche zwischen dem Träger und verzweigte Fasern aus dem Lösungsmittel in die auftreten, Polymerlösung. Somit kann in einigen Fällen, müssen die Stützfasern aus einer Polymerlösung, bestehend aus einer höheren Konzentration von Polymer zu größeren Durchmesser und mechanisch stärkeren Fasern hergestellt werden. Es gibt vor allem drei effektivsten Methoden zur Veränderung der bestehenden Protokoll, um ein breiteres Spektrum von Unterstützung und verzweigte Faser erzeugenDurchmesser: 1) das Polymer aus einem größeren Nadelspitze zunächst verzichtet werden (beispielsweise 25 G, ID = 254 um), um die Trägerfasern zu erzeugen, und dann gegen eine kleinere Nadelspitze (zB 32 G; ID = 101,6 &amp; mgr; m) herzustellen die kleineren verzweigten Fasern; 2) wie oben erwähnt, verwenden mehrere Polymerkonzentrationen; und / oder 3) Einstellung der Zufuhrrate, das heißt die Geschwindigkeit, mit der die Bühne durchquert, wobei eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit erzeugt Fasern mit kleinerem Durchmesser und eine Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit erzeugt Fasern mit grßerem Durchmesser. Bis heute haben wir in der Lage, erfolgreich zu Fasern so klein herzustellen als 90 nm; jedoch die Faserausbeute bei dieser Dimension ist aufgrund der kapillaren Trennung. Eine Einschränkung des automatischen Direktschreibverfahren ist, daß nur eine Konzentration der Polymerlösung kann zu einem Zeitpunkt ausgegeben werden. Dies begrenzt die Komplexität der suspendierten Strukturen ohne entwickelt werden: 1) in einem zweiten Abgabeventil zu dem Roboter;oder, 2) Entfernen Sie die vorhandene Ventil und führen Sie die Reinigungsprotokoll (Abschnitt 3.4) vor der Abgabe der zweiten Polymerlösung, die zusätzliche Zeit in Anspruch nimmt. Eine zweite Einschränkung ist, die Vorschubgeschwindigkeit (oder die Druckgeschwindigkeit), wobei die maximale Vorschubrate, die das System in der Lage ist, das Erreichen von 500 mm / sec. Jedoch gibt es einen Kompromiss zwischen Vorschubgeschwindigkeit und der Faserbildung. Insbesondere dann, wenn die Trägheitskräfte (Kräfte aufgrund der Vorschubgeschwindigkeit) größer als der Oberflächenspannungskräfte und Verdunstungsrate der Polymerlösung gibt, die Faserbildung nicht auftritt. Andererseits, wenn die Zufuhrrate zu gering ist, Fasern aufgrund einer übermäßigen Verdampfung vor und während des Reckvorganges brechen. Drittens sind die Faserstruktur und Abmessungen an den Arbeitsbereich der Stufe des Roboters, das heißt, 200 mm, 200 mm und 25 mm (mit einem 10 &amp; mgr; m Positionsgenauigkeit) in der x-, y- und z-Richtung begrenzt sind. Dennoch hat dieser Prozess ermöglichen die Bildung von hohem Aspektverhältnis (Faser length: Durchmesser) Fasern. Strategisch Variieren der Abgabespitze Größe und die Konzentration der Polymerlösung wäre für einen breiteren Bereich Faserdurchmesser zu ermöglichen, die Schaffung der Möglichkeit, frei hängenden Strukturen höherer Komplexität zu erzeugen. Durch Befolgung der Protokolle oben angegeben, können Mikrometer und Submikrometer-Durchmesser-Polymerfasern mit hoher räumlicher Kontrolle durch die Ausnutzung der Oberflächenspannung angetriebenen Fluidmechanik der Polymerlösungen, die nicht mit anderen Nass-, Trocken- oder Elektrospinnverfahren gesteuert werden kann, erzeugt werden, . Aus dem Stand der Arbeit 8,19 wissen wir, dass diese Technik verwendet werden, um komplizierte Mikro- / Submikron-Fluidik-Einrichtungen 19 und biotechnisch hergestellten Gerüste 8 herzustellen. Diese billige und einfache Methode hat ihre eigenen Vorteile gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren Hobel in vielerlei Hinsicht.

In den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl von Herstellungstechniken, wie Nassspinnen, Trockenspinnen und Elektrospinnen, wurden eingesetzt, um neue Polymerfaserstrukturen mit vielfältigen und robust biologische, chemische, elektrische und mechanische Eigenschaften 1-12 erstellen. Obwohl diese Spinntechniken erzeugen können suspendiert dreidimensionale Fasern, sind sie in ihrer Fähigkeit zur Faserausrichtung präzise Steuerung in drei Dimensionen, da Faserablage über diese Prozesse sind in der Natur zufällig beschränkt. Darüber hinaus sind diese Techniken in ihrer Abmessungsbereich zur Faserherstellung beschränkt ist; Insbesondere durch Nass- und Trockenspinnen hergestellten Fasern variieren im Durchmesser von einigen zehn bis hundert Mikrometer, während das Elektro liefert Fasern mit Durchmessern von einigen zehn Nanometern auf einer einzigen 13 Mikron. Um eine genauere Steuerung der Faserorientierung in 3-D-Raum zu bieten, eine Eigenentwicklung unserer Gruppe-assemble oder &quot;Direktschreib&quot; Faserherstellungsverfahren, die direkt wirft ein Polymermaterial aus einem hohlen Kapillare und dann zieht einzelnen Filamenten, die dünn und unter Ausnutzung der Oberflächenspannung angetriebenen Strömungsmechanik 14 in vorhersehbaren Faserdurchmesser zu verfestigen. Unsere ersten Direktschreibsystem zur Erhöhung der Kontrolle der Faserposition und Durchmesser bestand aus einer individuell gefertigter gefederte Kartuschen an der Spitze einer nach Maß Ultra High Precision Mikrofräsen Machine (Abbildung 1) angebracht ist. Die UHPMM hatte eine Stufe mit einer Positionsauflösung von 1,25 nm in der X und Y-Richtung und 20 nm in Z-Richtung, die programmatisch gesteuert wurde Mikron und Submikron-Maßstab Drähte und Strukturen zu schaffen. Eine Einschränkung dieses bestimmten Direktschreibsystem war das Fehlen von Flusskontrolle der Polymerlösung durch die Nadelspitze. Obwohl die gefederte Dosiersystem erfolgreich generiert konstant flow durch die Spitze wurde ein kontinuierlich erweitert kugelförmigen Wulst aus Polymerlösung am Auslaß der Spritzenspitze, die in Größe und Volumen in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen variiert erstellt. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> Abbildung 1. Foto von Ultra High Precision Mikrofräsen Machine:. Die erste Direktschreibsystem bei der Herstellung von Mikrometer / Sub-Mikron-Skala Strukturen beschäftigt <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Die Inkonsistenz dieser Quelle Wulst beeinflusst die Fähigkeit des Systems, um wiederholt zu fertigen Drähte eines vorgegebenen Durchmessers. Wenn auch Strukturen wurden erfolgreich mit diesen Direktschreibverfahren erzeugt würden Verbesserung des Verfahrens durch Erhöhung der Steuerung des Durchflusses des Polymerlösung für mehr preci ermöglichense, vorgeschriebenen Faserdurchmesser durch Regulierung der Größe der Kügelchen an der Spitze der Spritze. So beschreibt diese Arbeit die Durchführung einer 3-Achsen-automatisierten Abgabesystem mit pneumatisch betätigten Abgabeventil genau zu steuern, die Polymerlösung Flussrate und Kopfperle Größe der vorgeschriebenen create, micron / Sub-Mikrometer-Strukturen aufgehängt.

<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.

Bilder von den tatsächlichen über den 3-Achs-Roboter und Direktschreibverfahren für jede der jeweiligen Motive und JR C-Punkt-Algorithmen in den 3-5A &amp; B oben definiert erzeugten Strukturen sind in den Figuren 6A, 7A und 8A gezeigt ist. Wie in den resultierenden Bildern ersichtlich ist, dreidimensionale, frei hängenden Fasern wurden erfolgreich &quot;geschrieben&quot; auf die Substrate durch genaues Manipulieren der Spenderspitze zu vorgeschriebenen räumlichen Orten einschließlich des initiierenden / Abschlußpunkte sowie die Schnittpunkte sind. Die Einschübe dieser Zahlen vergrößern die Schnittpunkte von suspendierten Fasern, die die Fähigkeit des Systems, um genau zu steuern, Faserorientierung (6B, 7B und 8B) in 3D-Raum zu demonstrieren. <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> Abbildung 6. (A) Op<html> tische Bild hergestellt &quot;quad&quot; ausgesetzt Bahnstruktur mit 2 Stützfasern (Diagonalen) und 12 gabelförmig verzweigte PMMA Fasern (15X optische Vergrößerung, Maßstab = 1 mm), (B) SEM-Bild einer einzigen gegabelten Faser (289x Vergrößerung, Skala bar = 100 &amp; mgr; m). <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 7" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> Abbildung 7 (A) Optische Aufnahme hergestellt &quot;symmetrisch&quot; suspendiert Web-Struktur mit 1 Tragfaser (horizontal) und 11 gabelförmig verzweigte PMMA Fasern (15X optische Vergrößerung, Maßstab = 1 mm), (B) SEM-Bild einer einzigen gegabelten Faser (107x Vergrößerung, Maßstab = 100 &amp; mgr; m).52834fig7large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="8" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> Abbildung 8 (A) Optische Aufnahme hergestellt &quot;Dual Chevron&quot; suspendiert Web-Struktur mit 1 Tragfaser (horizontal) und 22 gabelförmig verzweigte PMMA Fasern (15X optische Vergrößerung, Maßstab = 1 mm), (B) SEM-Bild einer einzigen gegabelten Faser. (80X Vergrößerung, Maßstab = 100 &amp; mgr; m) <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Abbildung 9 zeigt die Nahaufnahme von der sequentiellen Punkt-zu-Punkt-Reihenfolge der Faserherstellung, bei der die 3-Achsen-Roboter und Ausgabesystem können die freihängend bahnförmigen Strukturen zu erzeugen. Die p<html> olymer Kontaktstellen mit Zahlen angezeigt entsprechen dem programmierten initiierende und Abschlußpunkte in der JR-C-Software oben in 3B Bezug genommen. Die Pfeile stellen Robotertrajektorie. Abbildung 10 zeigt Mikron und Submikron-Polymerfasern, die die Fähigkeit des Direktschreibsystem, um Drähte in unterschiedlichen Größen herzustellen demonstriert. <img alt="9" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> Abbildung 9. SEM-Bild, das den sequentiellen Punkt-zu-Punkt-Fertigung, um zum Zeichnen der Mikron und Submikron-Polymerfasern (29X Vergrößerung, Maßstab = 200 &amp; mgr; m). <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 2834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; Abbildung 10. REM-Aufnahme des Mikrometer (6,5 um) und Sub-Mikrometer (555 nm) mit einer Konzentration von 20% PMMA Polymerlösung gezogenen Fasern. (2,270X Vergrößerung, Maßstab = 2 &amp; mgr; m) <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version zu sehen diese Zahl.</a> Polymerfaserlänge und Durchmesser wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie 2 zeigt die Polymerparameter, die gemessen wurden, gemessen. Tabelle 1 zeigt die durchschnittliche Drahtdurchmesser für jede einzigartige Struktur in Figuren 6-8 oben entsprechend den gegabelten Verzweigungsfasern und Trägerfasern dargestellt. Tabelle von den 24% PMMA-Lösungen, die verwendet wurden, um die oben erwähnten Strukturen herzustellen. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> Struktur Durchmesser in 6</td><td> Struktur Durchmesser in 7 </td><td> Struktur Durchmesser in 8 </td></tr><tr><td> Stützfasern </td><td> 8,65 ± 1,43 &amp; mgr; m </td><td> 9,39 ± 1,23 &amp; mgr; m </td><td> 9,31 ± 1,65 um </td></tr><tr><td> Zweigfasern </td><td> 20.96 ± 3.35 &amp; mgr; m </td><td> 15,92 ± 1,44 &amp; mgr; m </td><td> 12.24 ± 5.42 &amp; mgr; m </td></tr></tbody></table> Tabelle 1. Mittlere Durchmesser der suspendierten Träger und Zweigfasern in den Figuren 6-8 für eine 24% PMMA-Lösung gezeigt. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> 24% PMMA </td></tr><tr><td> Viskosität (Pa · s) </td><td> 35,19 </td></tr><tr><td> Oberflächenspannung (mN / m) </td><td> 262,01 </td></tr><tr><td&gt; Stoffübergangskoeffizienten (m / sec) </td><td> 8,59 x 10 -8 </td></tr></tbody></table> Tabelle 2 Polymer-Parameter der 24% PMMA-Lösungen, die verwendet wurden, um die in dieser Arbeit vorgeFaserStrukturen herzustellen.

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

Hier stellen wir ein Protokoll frei aufgehängten, Mikron / Sub-Mikrometermaßstab Polymerfasern und Strukturen &quot;web-like&quot; durch automatische Direktschreibverfahrens mittels einer 3-Achsen-Ausgabesystem erzeugten fertigen.

Vorgeschriebene 3-D direkte Schreiben von Hänge Micron / Sub-Mikrometer-Maßstab Faserstrukturen über eine Robotic Dosiersystem

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 de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

8.0K Aufrufe.  University of Louisville.  Hier stellen wir ein Protokoll frei aufgehängten, Mikron / Sub-Mikrometermaßstab Polymerfasern und Strukturen "web-like" durch automatische Direktschreibverfahrens mittels einer 3-Achsen-Ausgabesystem erzeugten fertigen. 

Serie: 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.

Fabrication, Verdichtung, und Replica Molding von 3D-Carbon Nanotube Mikrostrukturen

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

Forschung

Ingenieurwesen

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.

Ein Verfahren zur Getrennt Silber Nanostrukturen in 3D Fabricate

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.

Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Mikrostrukturen mit Verdampfung eines Opferbauteil

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.

Planar-und Drei-Dimensional Printing von Leitfähige Druckfarben

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

Biotechnik

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.

Herstellung von dreidimensional Mikrostrukturierte Nanokomposite durch Mikrofluidik-Infiltration

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

Chemie

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.

Laser-induzierte Vorwärts Übertragung von Ag von Nano

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.

Mikrofluidische Herstellung von Polymer- und Biohybridfasern mit vorgefertigter Größe und Form

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.

Mikrofluidische trocken-Spinnen und Charakterisierung von regenerierten Seide Fibroin Fasern

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.

Automatische Robotic Dosiertechnik für Oberflächen Ausrichtungs- und Bioprinting von Zellen

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.

Elektrospinnen Schreiben von dreidimensionalen Poly(ε-caprolactone) Gerüste mit steuerbaren Morphologien für Tissue Engineering Anwendungen zu schmelzen

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