Microfluidic מבוסס סינתזה של מסגרות אורגני קוולנטי (COF): כלי לייצור רציף של סיבים COF והדפסה ישירה על משטח
10 ביולי 2017
אנו מציגים שיטה חדשה microfluidic מבוסס סינתזה של מסגרות אורגניות קוולנטיים (COF). אנו מדגימים כיצד גישה זו יכולה לשמש לייצור סיבי COF רציפה, וגם 2D או 3D מבנים COF על משטחים.
המטרה הכוללת של גישה זו היא להדגים כיצד ניתן להשתמש בפלטפורמה מבוססת מיקרופלואידית לייצור סיבים רציפים של מסגרות אורגניות קוולנטיות שניתן להדפיס על משטחים ליצירת מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים. למרות ההתקדמות המדהימה בסינתזה של מסגרות קוולנטיות ואורגניות, פיתוח שיטה שתקל על יכולת העיבוד של חומרים אלה נותר אתגר, מה שהופך גישה זו למבטיחה מאוד. שיטה זו תורמת למעשה לתחום החומרים הגבישיים באמצעות הכנסת גישה אצילית וסינתטית לייצור סיבים רציפים של מסגרות קוולנטיות ואורגניות, ובכך משפרת את יכולת העיבוד שלהם.
כדי להתחיל בייצור המכשיר, במכסה אדים, הנח תבנית מאסטר סיליקון המיוצרת מפרוסת סיליקון בגודל 4 אינץ' במייבש ואקום. שלח 100 מיקרוליטר של טרימתילסיליל כלוריד לבקבוקון זכוכית והנח את הבקבוקון במייבש הוואקום. סגור את מייבש הכביסה והכניס אותו לוואקום.
אפשר לאדי הטרימתילסיליל כלוריד להצטבר על משטח התבנית הראשי למשך שעה. לאחר מכן, אווררו לאט את חומר הייבוש. הסר את תבנית המאסטר הסילנית וסגור את חומר הייבוש.
אחסן את התבנית הסילנית בכלי סגור או במכסה זרימה למינלי. לאחר מכן, בכוס חד פעמית, השתמש במרית פלסטיק כדי לערבב יחד אלסטומר PDMS וחומר ריפוי ביחס משקל של 10:0.9. מסירים את התערובת במייבש ואקום למשך 30 דקות.
לאחר מכן, הנח בזהירות ארבע מסגרות PTFE על תבנית המאסטר, כך שכל מסגרת תסגור תבנית אחת על התבנית. יוצקים את תערובת ה-PTMS למסגרות ומעל התבנית עד למלא. מרפאים את ה-PDMS בתנור בחום של 70 מעלות צלזיוס למשך שעתיים, ואז מוציאים את התבנית מהתנור ומניחים לשבבי ה-PDMS להתקרר לטמפרטורת החדר במכסה המנוע הלמינר.
לאחר שהתקרר, הפרד בזהירות את המסגרות מהתבנית ביד. החלק בעדינות את שבבי ה-PDMS מהמסגרת. השתמש בניקוב ביופסיה של 1.5 מילימטר כדי לנקב חורי כניסה ויציאה בקצה לתעלות המיקרו-נוזליות בשבבים.
חתוך עודפי PDMS מהשבבים ונקה את השבב וכסה את משטחי ההחלקה בנייר דבק. הנח את השבבים הנקיים בגנרטור פלזמה כשהתעלות הפתוחות פונות כלפי מעלה, יחד עם ארבע החלקות כיסוי זכוכית. פנה את תא הדגימה והפעל את הגנרטור למשך דקה אחת.
לאחר מכן, אוורור את החדר והסר את השבבים המטופלים בפלזמה ואת החלקות הכיסוי. הצמד כל שבב להחלקת כיסוי מטופלת כשהתעלות הפתוחות פונות כלפי מטה על ידי לחיצה עדינה על השבב על החלקת הכיסוי. הכניסו את השבבים המיקרו-נוזליים המתקבלים לתנור בחום של 70 מעלות צלזיוס למשך ארבע שעות לפחות כדי לחזק את הקשר בין ה-PDMS לזכוכית.
כדי להתחיל להתכונן לסינתזה, צייר שלושה מיליליטר של 40 מילי-BTCA מולארי בחומצה אצטית למזרק של חמישה מיליליטר. שאב שלושה מיליליטר של 40 מילי-מולארי TAPB בחומצה אצטית למזרק נוסף של חמישה מיליליטר. השתמש בצינורות PTFE בקוטר פנימי של 0.8 מילימטרים וחבר את הצינורות מצד אחד למזרקים.
הרכיב את שני המזרקים על משאבת מזרק. לאחר מכן, מלאו שני מזרקים של חמישה מיליליטר בחומצה אצטית, השתמשו בצינורות PTFE בקוטר פנימי של 0.8 מילימטרים וחברו את הצינורות מצד אחד למזרקים. אבטח את המזרקים הללו למשאבות מזרק.
לאחר מכן, השג שבב מיקרו-נוזלי בשכבה אחת עם ארבעה ערוצים. חבר את הצד השני של צינור ה-PTFE לכניסות של המכשיר המיקרו-נוזלי וחבר את המזרקים לכניסות התעלה החיצוניות. חבר את אורך 15 הסנטימטר של צינורות PTFE לשקע השבב.
תקן את קצה הצינור בצלחת פטרי בגודל 60 מילימטר המכילה 10 מיליליטר חומצה אצטית. הניחו תלוש כיסוי זכוכית ליד צלחת הפטרי. הגדר כל משאבת מזרק לקצב זרימה של 100 מיקרוליטר לדקה והפעל את המשאבות.
המתן דקה אחת עד שהזרימות יתייצבו תוך ניטור היווצרות הסיבים MF-COF בשבב. שנה את קצב הזרימה של החומצה האצטית ובדוק את צינורות היציאה. אם זרימת המעטפת של חומצה אצטית גבוהה מדי ביחס לזרימות ה-BTCA וה-TAPB, מתלה המיקרו-מבנה של סיבי MF-COF יהיה מדולל מכדי ליצור סיב רציף.
אם זרימת הנדן של חומצה אצטית נמוכה מדי ביחס לזרימות המגיב, הריכוז הגבוה של סיבי MF-COF יסתום את צינורות היציאה. הגדר כל מזרק לקצב זרימה של 100 מיקרוליטר לדקה והמתן דקה אחת עד שהזרימות יתייצבו. לאחר שהזרימות התייצבו וסיבי MF-COF הרציפים מגיעים לקצה צינור היציאה, החזק את קצה הצינור, כמה מילימטרים מעל פני השטח.
הזז לאט את הצינור כדי לצייר מבנה MF-COF. התכונות המכניות המתאימות מונעות מהארגון המיקרוסקופי של MF-COF, מאפשרות שימוש בסיבי MF-COF ליצירה קונפורמית של מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים על סרפאזיס. הרם לאט את הצינור שניים עד שלושה סנטימטרים מפני השטח כדי לייצר סיב MF-COF יציב העומד בפני עצמו.
הורד לאט את הצינור כדי להמשיך לצייר מבנה דו-ממדי או תלת-ממדי ישירות על החלקת הכיסוי. סיבי MF-COF סונתזו מ-TAPB ו-BTCA, באמצעות מכשיר מיקרו-נוזלי בעל ארבעה ערוצים. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק הראה שהסיבים מורכבים ממיקרו וננו סיבים מחוברים זה לזה במבנים נקבוביים דמויי ספוג תלת מימדיים המעניקים את התכונות המכניות הדרושות להדפסת מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים.
מבני MF-COF דו-ממדיים הודפסו על משטחי זכוכית על ידי ציור צורות כאשר הסיב נוצר ברציפות. הדיוק היחסי של תהליך ההדפסה הודגש עוד יותר בניסויי כתיבה על זכוכית. הסיבים לא התמזגו כאשר הם עוצבו זה על גבי זה, מה שאפשר הדפסה של מבנים תלת מימדיים.
בנוסף לזכוכית, מבני MF-COF הודפסו על נייר טישו, קרטון, נייר אלומיניום ופוליסטירן. בעת ניסיון הליך זה, זכור לבצע את כל השלבים לייצור המכשיר המיקרו-נוזלי בתוך מכסה הזרימה הלמינרי ואת כל שלבי הסינתזה הכרוכים בטיפול בחומצה אצטית מתחת למכסה אדים. לאחר פיתוחה, טכניקה זו סוללת את הדרך לחוקרים בתחום החומרים הגבישיים לחקור יישומים טכנולוגיים חדשים הדורשים דפוס מתקדם של מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים העשויים מסיבים גבישיים וסרפאזיס שונים.
לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד לסנתז את הסיב הרציף של מסגרות קוולנטיות ואורגניות באמצעות פלטפורמה מיקרו-נוזלית וכיצד להדפיס סיב וסרפאזיס המיוצרים ליצירת מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג שיטה חדשנית מבוססת מיקרופלואידיקה לסינתזה של מסגרות אורגניות קוולנטיות (COFs). הגישה מאפשרת ייצור של סיבי COF רציפים ויצירת מבני COF דו-ממדיים ותלת-ממדיים על פני שטח.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- מדע החומרים
- מיקרופלואידיקה
- מסגרות אורגניות קוולנטיות
רקע
- מסגרות אורגניות קוולנטיות הן חומרים מבטיחים הודות לתכונותיהם הניתנות לכיוונון.
- שיטות סינתזה מסורתיות ניצבות בפני אתגרים בנוגע ליכולת העיבוד.
- טכניקות מיקרופלואידיות מציעות בקרה מדויקת על תנאי הסינתזה.
- מחקר זה שואף לשפר את יכולות הייצור של COFs.
מטרת המחקר
- להדגמת פלטפורמה מיקרופלואידית לסינתזה של COF.
- להפקה של סיבים רציפים של COFs.
- ליצירת מבני COF דו-ממדיים (2D) ותלת-ממדיים (3D) על משטחים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- ייצור תבנית מאסטר מסיליקון מסיליקון וייפר (silicon wafer).
- שימוש ב-trimethylsilyl chloride בתוך דסיקטור ואקום.
- טכניקות מיקרופלואידיות עבור סינתזה מבוקרת.
- אפיון של מבני COF שהופקו.
תוצאים עיקריים
- ייצור מוצלח של סיבי COF רציפים.
- הדגמה של מבני COF דו-מממדיים (2D) ותלת-מממדיים (3D) על פני שטח.
- שיפור היכולת לעיבוד של מסגרות אורגניות קוולנטיות.
- הצגת גישה סינתטית חדשנית לייצור COF.
מסקנות
- השיטה המיקרופלואידית היא התקדמות מבטיחה בסינתזה של COF.
- גישה זו מקלה על יצירת מבני COF מורכבים.
- יישומים פוטנציאליים בתחומים שונים הודות ליכולת עיבוד משופרת.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטת סינתזה זו, המבוססת על מיקרופלואידיקה, פותרת את אתגר היכולת לעיבוד של מסגרות אורגניות קוולנטיות (COFs) על ידי מתן אפשרות לייצור סיבים רציף והדפסה ישירה על פני השטח. גישה זו משפרת את הטיפול בחומר עבור יישומים המשכיים בתחומי החישוש, הקטליזה ואגירת אנרגיה, וזאת באמצעות הפיכת אבקות שאינן ניתנות לעיבוד לסיבים ניתנים להדפסה ועמידים מבחינה מכנית. היא תומכת בחקר ראשוני של ציפויים ומבנים פונקציונליים המבוססים על COF מבלי להזדקק לעיבוד של החומר בכמויות גדולות.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר חקירה של קשרי מבנה-תכונה בחומרים גבישיים נקבוביים באמצעות סינתזה מבוקרת של ארכיטקטורות COF הניתנות לכיוונון.
- ערך תפעולי: מספק ייצור הדיר של סיבי COF בטמפרטורת החדר תחת תנאי דיפוזיה מוגדרים, ובכך מפחית את השונות בין סדרות ייצור.
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- ערך מדעי: ייצור סיבי COF גבישיים וסטנדרטיים בעלי נקבוביות מיקרו/ננו מקושרות, לצורך פונקציונליזציה עקבית של פני השטח בממשקי חישה ביולוגית.
- ערך תפעולי: מקל על הכנת שכבות COF המקובעות לפני השטח ללכידת אנליטים, ובכך מאפשר פיתוח של פלטפורמת בדיקה ניתנת להרחבה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך ברציפות תרגומית על ידי מתן אפשרות להדפסה ישירה של מבני COF על מצעים מגוונים (זכוכית, נייר, פולימרים) לצורך בניית אבות-טיפוס של התקני חישה גמישים או לבישים.
- ערך תפעולי: מאפשר חזרה מהירה על גיאומטריות COF דו-ממדיות ותלת-ממדיות להערכה פרה-קלינית של אינטראקציות בין חומר לרקמה ללא צורך בניסוח מחדש של התמיסה.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
שיטה זו משתלבת בתהליך הגילוי כשלב להכנת חומרים המגשר בין הסינתזה ליישום, ותומכת בזיהוי מובילים (leads) באמצעות מערכות נקבוביות הניתנות לכיוונון, ובעבודה פרה-קלינית באמצעות ארכיטקטורות פונקציונליות בעלות תבניות שטח.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בבדיקת השערות על השפעות של חומרים נקבוביים על ידי מתן שליטה מדויקת בגבישיות של COF ובסביבת הנקבים למחקרי מעורבות של מטרה.
- סריקה: מספקת סרטי COF קשורי פני שמוכנים לבדיקה, בעבי ונקבוביות הדירות, להשגת יעילות עקבית של לכידת ליגנדים או אנליטים.
- אנליטיקה: מספקת פלט מבני כמותי באמצעות מורפולוגיית סיבים ומדדי נקבוביות המתואמים עם ביצועים פונקציונליים בקריאות של חישוש או קטליזה.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין שלב הגילוי לרציפות פרה-קלינית באמצעות הדפסה ישירה על מצעים גמישים, מה שמאפשר שילוב התקנים קונפורמיים לבדיקת מודלים in vitro.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמה מיקרופלואידית מודולרית ליצירת סיבי COF לפי דרישה, המפחיתה את בזבוז החומרים ומאפשרת שימוש חוזר בין מספר צוותי פרויקטים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי על ידי הפקת סיבי COF גבישיים דמויי ספוג עם נקבוביות ניתנת לכיוונון למען קורלציה מהימנה בין מבנה לתפקוד.
- ערך תפעולי: מבטיח סטנדרטיזציה ויכולת הרחבה באמצעות ייצור רציף של סיבים תחת קצבי זרימה מבוקרים, ובכך ממזער סטיות בסינתזה.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת החלטות ה-go/no-go על ידי מתן אפשרות לבניית אבות-טיפוס מהירה של ממשקים מבוססי COF, ובכך מפחית סיכונים של אי-תאימות חומרים בשלבים מאוחרים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בקידום מותאם סיכונים על ידי יצירת פורמטים של COF הניתנים לעיבוד בשלב מוקדם, דבר המקל על הערכת ההיתכנות של חומרים גבישיים בהגדרות יישומיות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בייצור התקני מיקרופלואידקה, בחיבור פלזמה (plasma bonding) ובתפעול משאבות מזרק לשליטה מדויקת בנוזלים.
- תלוי בגישה למייבשי ואקום, תנורים, מחוללי פלזמה ותשתיות של צינורות PTFE עבור סינתזת השבבים והולכת הנוזלים.
- מחייב סטנדרטיזציה של יחסי קצבי זרימה ופרוטוקולי נוזל מעטפת (sheath fluid) בין צוותים שונים כדי להבטיח יצירת סיבים הדירה ויציבות של פתחי היציאה.
- כולל שיקולי התאמה בעת הדפסה על מצעים נקבוביים או גמישים (למשל, נייר רקמה, פוליסטירן) כדי לשמור על שלמות הסיבים ועל הדיוק המבני.
- כולל מגבלות מעשיות כגון רגישות לסתימות כאשר קצבי הזרימה אינם מאוזנים, והצורך בטיפול בחומצה אצטית תחת תנאי מנדף כימי.
