Productie van drie-dimensionaal Microgestructureerde Nanocomposieten door Microfluidic Infiltratie
12 maart 2014
Driedimensionale (3D) microstructured samengestelde liggers zijn gefabriceerd door middel van de gerichte en lokale infiltratie van nanocomposieten in 3D poreuze microfluïdische netwerken. De flexibiliteit van deze produktiemethode maakt het gebruik van verschillende thermohardende materialen en vulstof teneinde verschillende functionele 3D versterkte nanocomposiet macroscopische producten te verbeteren.
Het algemene doel van deze procedure is om 3D micro gestructureerde composietbalken te produceren door de gerichte en gelokaliseerde infiltratie van nanocomposiet in 3D poreuze microfluïdische netwerken. De microfluïdische netwerken worden gefabriceerd door vloeibare inkt laag voor laag te deponeren. Vervolgens worden de lege ruimtes tussen de filamenten gevuld met een hars met lage viscositeit en wordt het inkapselende epoxy uitgehard.
De vluchtige inkt wordt vervolgens uit de structuur verwijderd door de inkt te vervloeien, gevolgd door een wassing van de kanalen met heet water en heane. Vervolgens worden de resulterende tubulaire microfluïdische netwerken geïnfiltreerd met thermohardende nanocomposiet suspensies bevattende nanovullers en vervolgens uitgehard. De laatste stap is het uitharden van de geproduceerde balk en het snijden van de overtollige delen tot de gewenste afmetingen.
Uiteindelijk worden verschillende morfologische en mechanische karakteriseringstechnieken gebruikt om de capaciteit van de fabricagetechniek voor het ontwerp van functionele nanocomposiete macroscopische producten te laten zien. We hebben al enkele jaren gewerkt aan de ontwikkeling van geavanceerde materialen, met name thermoplastische en thermocel gebaseerde nanocomposiet. We proberen nu de grenzen van onze methode te verleggen door naar een nieuw materiaalsysteem en ook nieuwe manieren te kijken om complexe 3D-onderdelen te produceren.
Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden zoals spuitgieten, is dat de PRIs-techniek voldoende controle mogelijk maakt over de driedimensionale oriëntatie en positionering van de nanobuisversterking tijdens de fabricage van een product voor optimale omstandigheden. Deze flexibele fabricagetechniek kan worden uitgebreid naar de toepassing van andere thermohardende materialen en nanovullers. Enkele toepassingen omvatten structureel gezondheidsbewaking, trillingsabsorptieproducten en micro-elektronica. Om de vluchtige inkt te laten smelten, smelt en meng microkristallijne was en vaseline op een heet plaat magnetische mixer op 80 graden Celsius wanneer gesmolten en laad de inkt in een drie cc-spuitvat.
Installeer een 150 micrometer dispositie-naald op de spuit en monteer de spuit op de spuithouder van de doseerrobot. Gebruik een Excel-programma om het bewegingspatroon van de doseerrobot te ontwerpen voor de fabricage van de gewenste 3D-scaffoldstructuur. Deze informatie moet de afmetingen, de filamentafstand, het aantal lagen en de aan/uit-status van het doseren op elke locatie tijdens de fabricage omvatten.
In dit geval zijn de afmetingen 60 millimeter in lengte, 7,5 millimeter in breedte en 1,7 millimeter in dikte met 0,25 millimeter horizontale afstand tussen elk filament voor een filamentdiameter van ongeveer 150 micrometer. Stel de depositiedruk in op 1,9 megapascal op de drukregelaar en stel de robotsnelheid in op 4,7 millimeter per seconde. Activeer vervolgens de depositie van de inktvlakken op een epoxy substraat.
Dit resulteert in een 2D-patroon, wat de eerste laag van de micro-scaffold is. Ga door met het deponeren van extra lagen van de micro-scaffold door de Z-positie van de doseeruitloop succesvol te verhogen met een hoeveelheid gelijk aan de diameter van het filament. Elke laag duurt ongeveer vier tot vijf minuten om zelfdragende structuren te maken die een paar honderd lagen op deze manier kunnen worden gebouwd.
De volgende stap is het bereiden van de epoxy die zal worden gebruikt voor inkapseling. Begin met het mengen van de hars en verharder en degas vervolgens de epoxymix onder vacuüm gedurende 30 minuten. Na het degasseren, laad de epoxy in een drie cc-spuitvat door negatieve druk toe te passen met behulp van een vloeistofdispenser.
Plaats vervolgens een naald met een ID van 0,51 millimeter in het spuitvat. Plaats de inktvlakken op een helling om de stroom van de hars te helpen. Gebruik vervolgens dezelfde vloeistofdispenser en gemonteerde naald om druppels epoxy op het bovenste uiteinde van de hellende scaffoldstructuur te plaatsen.
De epoxy stroomt vervolgens in de lege ruimtes tussen de filamenten, aangedreven door zwaartekracht en capillaire krachten. Ga door met het plaatsen van druppels epoxy over de scaffold totdat de lege ruimte tussen de scaffoldfilamenten volledig is gevuld. Laat de inkapselende epoxy 24 uur op kamertemperatuur voorcureren en plaats de structuur vervolgens in een oven om twee uur postcureren bij 60 graden Celsius.
Na het uitharden, gebruik een precisiezaag om de overtollige delen van de epoxy te snijden. Boor vervolgens een gat van ongeveer een millimeter in diameter aan elk uiteinde van de structuur. Om de inktvlakken te bereiken, steekt u een plastic buis in elk van de gaten.
De volgende stap is om de vluchtige inkt uit de structuur te verwijderen. Begin door de monsters 30 minuten in een oven bij 90 graden Celsius te plaatsen om de inkt te vervloeien. Nadat de monsters uit de oven zijn verwijderd, spoelt u het kanaalnetwerk door gedurende vijf minuten heet gedestilleerd water door de plastic buizen te zuigen.
Zuig vervolgens vijf minuten lang hexaan door de buizen om de resterende sporen van de inkt van de kanaalwanden te verwijderen na inktverwijdering. Wat overblijft, is een onderling verbonden 3D-microfluïdisch netwerk, dat bij kamertemperatuur kan worden bewaard totdat het nodig is. Om de nanocomposiet voor te bereiden, voegt u 150 milligram koolstofnanobuizen toe aan een 0,1 millimolair oplossing van zink Proto porfyrine negen oppervlakteactieve stof in aceton of di chloor methaan voor een uiteindelijke nanobuisconcentratie van 0,5 gewichtspercent.
Soniceer vervolgens de suspensie in een ultrasoonbad gedurende 30 minuten. Om de nanobuisaggregaten te bundelen. Meng de epoxy of urethaanhars met de nanobuissuspensie op een magnetische roerplaat bij een temperatuur iets onder de oplosmiddeltemperatuur.
40 tot 50 graden Celsius gedurende één uur. Vervolgens verwarmen we het nanocomposiet gedurende 12 uur bij 30 graden Celsius en vervolgens gedurende 24 uur onder vacuüm bij 50 graden Celsius om het resterende oplosmiddel te laten verdampen. De volgende dag.
Stel een deel van het
Overzicht
Deze studie presenteert een methode voor het vervaardigen van driedimensionale (3D) microgestructureerde composietbalken via gerichte infiltratie van nanocomposieten in 3D poreuze microfluïdische netwerken. De techniek maakt het gebruik van diverse thermohardende materialen en nanovullers mogelijk, waardoor de creatie van functionele macroscopische producten mogelijk wordt.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Materiaalkunde
- Nanotechnologie
- Microfabricage
Achtergrond
- 3D microgestructureerde composietbalken zijn essentieel voor geavanceerde materiaaltoepassingen.
- Microfluïdische netwerken maken de precieze infiltratie van nanocomposieten mogelijk.
- Bestaande productiemethoden missen vaak controle over de materiaaloriëntatie.
- Deze studie onderzoekt nieuwe materiaalsystemen en productietechnieken.
Doel van de studie
- Om een flexibele productietechniek te ontwikkelen voor 3D-composietbalken.
- Om het gebruik van diverse thermohardende materialen en nanovullers te onderzoeken.
- Om de mechanische eigenschappen van de resulterende producten te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Laag-voor-laag depositie van vloeibare inkt om microfluïdische netwerken te creëren.
- Infiltratie van laagviskeuze hars in de netwerken.
- Uitharden van de hars en verwijderen van de vluchtige inkt.
- Karakterisering van de mechanische eigenschappen van de eindproducten.
Belangrijkste resultaten
- De methode heeft met succes 3D-microgestructureerde composietbalken geproduceerd.
- Mechanische karakterisering toonde verbeterde eigenschappen van de composieten aan.
- De techniek maakt een optimale positionering van nanovullers mogelijk.
- Potentiële toepassingen omvatten structurele conditiemonitoring en micro-elektronica.
Conclusies
- De ontwikkelde methode biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele productietechnieken.
- Flexibiliteit in materiaalkeuze kan leiden tot innovatieve toepassingen.
- Toekomstig werk zal zich richten op het verfijnen van het proces en het verkennen van nieuwe materialen.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Microfluïdische infiltratie maakt de nauwkeurige fabricage van 3D-microgestructureerde nanocomposieten mogelijk, wat bijdraagt aan geavanceerde materiaalinnovatie voor de ontwikkeling van biofarmaceutische apparatuur en sensoren. Deze methode biedt verbeterde controle over de oriëntatie van nanovullers, wat een directe impact heeft op de voorspellende betrouwbaarheid en mechanische stabiliteit van functionele componenten. De flexibiliteit in materiaalkeuze en architectuur positioneert deze techniek als een strategische mogelijkheid voor translationeel R&D en microengineering-workflows van de volgende generatie.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Maakt hypothese-gestuurd ontwerp van microgestructureerde materialen mogelijk voor functionele tests bij het prototypen van apparaten.
- Ondersteunt mechanistische risicoreductie door gecontroleerde integratie van nanovullers voor gerichte verbetering van eigenschappen mogelijk te maken.
- Faciliteert snelle iteratie en validatie van materiaalarchitecturen die relevant zijn voor de ontwikkeling van biosensoren en actuatoren.
Screening & assayontwikkeling
- Maakt reproduceerbare fabricage van microgestructureerde substraten mogelijk voor integratie in downstream assays.
- Levert gestandaardiseerde, kwantificeerbare mechanische en morfologische resultaten voor vergelijkende screening.
- Maakt schaalbare productie van testplatforms mogelijk voor het evalueren van interacties tussen verbindingen en materialen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Sluit aan bij translationele biomarkerstrategieën door de ontwikkeling van robuuste, geminiaturiseerde sensorplatforms te ondersteunen.
- Waarborgt continuïteit van materiaalondekking tot preklinische apparaatvalidatie door middel van modulair ontwerp.
- Vermindert het risico bij het voortbrengen van innovatieve, op materialen gebaseerde apparaten richting gereguleerde omgevingen.
Integratie van pipeline en workflow
Deze microfluïdische infiltratiemethode slaat de brug tussen vroege ontdekking en preklinisch prototype-ontwerp van apparaten, waardoor iteratieve optimalisatie mogelijk is van materiaalsynthese tot functionele tests.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing van nanocomposietarchitecturen voor gerichte mechanische en functionele resultaten.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve resultaten voor het benchmarken van materiaalprestaties.
- Analytiek: Levert mechanische en morfologische gegevens om vergelijkingen tussen condities en ontwerpbeslissingen te onderbouwen.
- Translationeel onderzoek: Faciliteert de afstemming van materiaaleigenschappen op de prestatie-eisen van apparaten in preklinische modellen.
- Herbruikbaarheid binnen de organisatie: Vestigt een modulair, aanpasbaar platform voor voortdurende innovatie van materialen en apparaten over verschillende programma's heen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen in de integratie van materiaal-apparaat en de functionele prestaties.
- Operationele waarde: Standaardiseert fabricage- en karakteriseringsworkflows voor reproduceerbaarheid en schaalbaarheid.
- Strategische waarde: Maakt geïnformeerde go/no-go-beslissingen mogelijk voor apparaatkandidaten op basis van materialen, waardoor risico's in een late fase worden verminderd.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering van innovatieve apparaat- en sensorplatforms.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in microfluidica, nanocomposietformulering en precisie-dispenseringrobotica.
- Vereist toegang tot gecontroleerde uithardingsomgevingen en geavanceerde karakteriseringsinstrumentatie.
- Noodzaak tot strikte standaardisatie tussen teams voor reproduceerbare materiaal- en apparaatoutputs.
- Aanpasbaar aan een reeks thermohardende matrices en nanovullers, ter ondersteuning van diverse applicatiebehoeften.
- Afhankelijk van grondige reiniging van de kanalen om een optimale mechanische interface en apparaatbetrouwbaarheid te garanderen.
