Микрофлюидный синтез ковалентных органических структур (COFs): инструмент для непрерывного производства COF-волокон и прямая печать на поверхности
10 июля 2017 г.
Мы представляем новый метод на основе микрожидкости для синтеза ковалентных органических структур (COFs). Мы демонстрируем, как этот подход можно использовать для получения непрерывных волокон COF, а также структур 2D или 3D COF на поверхностях.
Общая цель этого подхода — продемонстрировать, как микрофлюидная платформа может быть использована для производства непрерывных волокон ковалентных органических каркасов, которые могут быть напечатаны на поверхностях для создания 2D- и 3D-структур. Несмотря на значительный прогресс в синтезе ковалентных и органических каркасов, разработка метода, облегчающего технологическую способность этих материалов, остается сложной задачей, что делает этот подход очень перспективным. Этот метод вносит эффективный вклад в область кристаллических материалов за счет внедрения благородного, синтетического подхода к производству непрерывных волокон ковалентного и органического каркаса, тем самым повышая их технологическую способность.
Чтобы начать изготовление устройства, поместите в вытяжной шкаф силиконовую форму, изготовленную из четырехдюймовой кремниевой пластины, в вакуумный эксикатор. Налейте 100 микролитров триметилсилилхлорида в стеклянный флакон и поместите флакон в вакуумный эксикатор. Закройте эксикатор и поставьте его под вакуум.
Дайте парам триметилсилилхлорида осесть на поверхности основной формы в течение одного часа. Затем медленно выпустите воздухопоглотитель из эксикатора. Снимите силанизированную главную форму и закройте эксикатор.
Храните силанизированную форму в закрытом контейнере или в ламинальном вытяжном шкафу. Затем в одноразовом стаканчике с помощью пластикового шпателя смешайте эластомер PDMS и отвердитель в весовом соотношении 10:0,9. Дегазируйте смесь в вакуумном эксикаторе в течение 30 минут.
Затем осторожно поместите четыре рамки из ПТФЭ на главную форму, чтобы каждая рама содержала один узор на форме. Залейте смесь PTMS в рамы и над формой до полного заполнения. Отверждите PDMS в духовке при температуре 70 градусов Цельсия в течение двух часов, затем выньте форму из духовки и дайте чипсам PDMS остыть до комнатной температуры в вытяжке с ламинарным потоком.
Как только остынет, осторожно отделите рамки от формы вручную. Аккуратно сдвиньте микросхемы PDMS с рамы. С помощью биопсиатального прокола диаметром 1,5 миллиметра пробивайте входные и выходные отверстия на конце микрофлюидных каналов в чипах.
Обрежьте излишки PDMS от стружки и очистите скол и закройте скользящие поверхности клейкой лентой. Поместите чистую микросхему в плазменный генератор открытыми каналами вверх вместе с четырьмя стеклянными крышками. Опорожните камеру для образцов и запустите генератор в течение одной минуты.
Затем проветрите камеру и удалите обработанную плазмой стружку и защитные стекла. Приклейте каждую стружку к обработанному покровному листу открытыми каналами вниз, осторожно надавливая на покровное стекло. Поместите полученные микрофлюидные чипсы в духовку при температуре 70 градусов Цельсия не менее чем на четыре часа, чтобы укрепить сцепление между PDMS и стеклом.
Чтобы начать подготовку к синтезу, наберите в пятимиллилитровый шприц три миллилитра 40 моляров BTCA в уксусной кислоте. Наберите три миллилитра 40 миллилитров молярного TAPB в уксусной кислоте в другой пятимиллилитровый шприц. Используйте трубки из ПТФЭ с внутренним диаметром 0,8 миллиметра и подсоедините трубки с одной стороны к шприцам.
Установите оба шприца на шприцевой насос. Далее наполните уксусной кислотой два пятимиллилитровых шприца, используйте трубки из ПТФЭ с внутренним диаметром 0,8 миллиметра и подсоедините трубки с одной стороны к шприцам. Закрепите эти шприцы в шприцевых насосах.
Затем получите однослойный четырехканальный микрофлюидный чип. Подсоедините другую сторону трубки из ПТФЭ к входным отверстиям микрофлюидного устройства и подсоедините шприцы к входным отверстиям внешнего канала. Подсоедините трубку из ПТФЭ длиной 15 сантиметров к выходному отверстию для стружки.
Закрепите конец трубки в 60-миллиметровой чашке Петри, содержащей 10 миллилитров уксусной кислоты. Поставьте стеклянную крышку рядом с чашкой Петри. Установите каждый шприцевой насос на расход 100 микролитров в минуту и запустите насосы.
Подождите одну минуту, пока потоки стабилизируются, наблюдая за формированием волокна MF-COF в чипе. Измените скорость потока уксусной кислоты и проверьте выпускную трубку. Если потоки оболочки уксусной кислоты слишком высоки по отношению к потокам BTCA и TAPB, микроструктурная суспензия волокна MF-COF будет слишком разбавлена, чтобы сформировать непрерывное волокно.
Если потоки оболочки уксусной кислоты слишком малы по сравнению с потоками реагента, высокая концентрация волокон MF-COF приведет к засорению выпускной трубки. Установите скорость потока в каждом шприце 100 микролитров в минуту и подождите одну минуту, пока поток стабилизируется. После того, как потоки стабилизируются и непрерывное волокно MF-COF достигнет конца выпускной трубки, держите конец трубки на высоте нескольких миллиметров над поверхностью.
Медленно перемещайте трубку, чтобы нарисовать структуру MF-COP. Подходящие механические свойства, обусловленные микроскопической организацией MF-COF, позволяют использовать волокна MF-COF для конформного создания 2D и 3D структур на сарафазе. Медленно поднимите трубку на два-три сантиметра от поверхности, чтобы получилось свободно стоящее стабильное волокно MF-COF.
Медленно опустите трубку, чтобы продолжить рисование 2D или 3D структуры прямо на защитном листе. Волокна MF-COF были синтезированы из TAPB и BTCA с использованием четырехканального микрофлюидного устройства. Сканирующая электронная микроскопия показала, что волокна состоят из взаимосвязанных микро- и нановолокон в 3D-губчатых пористых структурах, которые обеспечивают механические свойства, необходимые для печати 2D- и 3D-структур.
Структуры 2D MF-COF печатались на стеклянных поверхностях путем рисования форм по мере непрерывного образования волокна. Относительная точность процесса печати была еще больше подчеркнута в экспериментах по написанию текстов на стекле. Волокна не сливались при нанесении рисунка друг на друга, что позволяло печатать 3D-структуры.
Помимо стекла, конструкции MF-COF печатались на папиросной бумаге, картоне, алюминиевой фольге и полистироле. Пытаясь выполнить эту процедуру, не забудьте выполнить все этапы изготовления микрофлюидного устройства внутри ламинарного проточного колпака и все этапы синтеза, связанные с обращением с уксусной кислотой под вытяжным шкафом. После своего развития этот метод открывает путь исследователям в области кристаллических материалов к изучению новых технологических приложений, требующих усовершенствования 2D и 3D структур из кристаллических волокон и различных серафозов.
После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее понимание того, как синтезировать непрерывное волокно ковалентных, органических каркасов с помощью микрофлюидной платформы и как напечатать произведенное волокно и серафаз для создания 2D и 3D структур.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании представлен новый метод синтеза ковалентных органических каркасов (COFs) на основе микрофлюидики. Этот подход позволяет получать непрерывные волокна COF, а также создавать 2D и 3D структуры COF на поверхностях.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Материаловедение
- Микрофлюидика
- Ковалентные органические каркасы
Теоретические основы
- Ковалентные органические каркасы являются перспективными материалами благодаря их настраиваемым свойствам.
- Традиционные методы синтеза сталкиваются с трудностями в плане технологичности процесса.
- Микрофлюидные методы обеспечивают точный контроль условий синтеза.
- Данное исследование направлено на расширение возможностей производства COF.
Цель исследования
- Продемонстрировать микрофлюидную платформу для синтеза COF.
- Получить непрерывные волокна COF.
- Создать 2D- и 3D-структуры COF на поверхностях.
Используемые методы
- Изготовление кремниевой мастер-формы из кремниевой пластины.
- Использование триметилсилилхлорида в вакуумном эксикаторе.
- Микрофлюидные методы для контролируемого синтеза.
- Характеристика полученных структур COF.
Основные результаты
- Успешное получение непрерывных волокон COF.
- Демонстрация 2D- и 3D-структур COF на поверхностях.
- Улучшение технологичности ковалентных органических каркасов.
- Внедрение нового синтетического подхода к производству COF.
Выводы
- Микрофлюидный метод является перспективным достижением в синтезе COF.
- Данный подход облегчает создание сложных структур COF.
- Потенциальные области применения в различных сферах благодаря улучшенной перерабатываемости.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Этот метод синтеза на основе микрофлюидики решает проблему переработки ковалентных органических каркасов (COFs), обеспечивая непрерывное производство волокон и возможность прямой печати на поверхностях. Данный подход улучшает возможность использования материала в последующих приложениях для сенсорики, катализа и хранения энергии, превращая не поддающиеся переработке порошки в пригодные для печати механически прочные волокна. Он позволяет проводить предварительные исследования функциональных покрытий и архитектур на основе COF без необходимости объемной переработки материала.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишеней
- Научная ценность: позволяет исследовать взаимосвязь между структурой и свойствами пористых кристаллических материалов посредством контролируемого синтеза настраиваемых архитектур COF.
- Практическая ценность: обеспечивает воспроизводимое получение волокон COF при комнатной температуре в заданных условиях диффузии, что снижает вариативность между сериями образцов.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Позволяет получать стандартизированные кристаллические волокна COF с взаимосвязанной микро- и нанопористостью для обеспечения единообразной функционализации поверхности в биосенсорных интерфейсах.
- Практическая ценность: Облегчает подготовку иммобилизованных на поверхности слоев COF для захвата аналита, что позволяет разрабатывать масштабируемые платформы для анализа.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Обеспечивает трансляционную преемственность, позволяя осуществлять прямую печать структур COF на различных подложках (стекло, бумага, полимеры) для создания прототипов носимых или гибких сенсорных устройств.
- Практическая ценность: Позволяет быстро изменять 2D/3D геометрию COF для доклинической оценки взаимодействий между материалом и тканью без необходимости изменения состава.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Этот метод интегрируется в рабочий процесс поиска новых соединений в качестве этапа подготовки материалов, который связывает синтез и применение, поддерживая идентификацию перспективных соединений с помощью настраиваемых пористых систем и доклинические исследования посредством функциональных архитектур с модифицированной поверхностью.
- Фундаментальная биология: поддерживается проверка гипотез о влиянии пористых материалов за счет обеспечения точного контроля кристалличности COF и среды пор для исследований взаимодействия с мишенями.
- Скрининг: создаются готовые к анализу пленки из COF, связанные с поверхностью, с воспроизводимой толщиной и пористостью для обеспечения стабильной эффективности захвата лигандов или аналитов.
- Аналитика: обеспечиваются количественные структурные данные посредством показателей морфологии и пористости волокон, которые коррелируют с функциональными характеристиками при считывании данных в сенсорных или каталитических анализах.
- Трансляционные исследования: осуществляется переход от фундаментальных открытий к доклиническим исследованиям путем прямой печати на гибких подложках, что позволяет интегрировать конформные устройства для тестирования моделей in vitro.
- Корпоративное повторное использование: создается модульная микрофлюидная платформа для генерации волокон COF по запросу, что сокращает расход материалов и позволяет использовать платформу несколькими проектными группами.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает точность прогнозов за счет получения кристаллических губчатых волокон COF с регулируемой пористостью для надежной корреляции структуры и функции.
- Операционная ценность: обеспечивает стандартизацию и масштабируемость за счет непрерывного производства волокон при контролируемой скорости потока, что минимизирует дрейф параметров синтеза.
- Стратегическая ценность: оптимизирует принятие решений о целесообразности дальнейшей разработки (go/no-go), обеспечивая быстрое прототипирование интерфейсов на основе COF и снижая риски несовместимости материалов на поздних этапах.
- Влияние на портфель проектов: поддерживает риск-ориентированное развитие за счет раннего создания технологичных форматов COF, что облегчает оценку жизнеспособности кристаллических материалов в прикладных условиях.
Особенности реализации
- Требуется опыт в изготовлении микрофлюидных устройств, плазменном склеивании и работе со шприцевыми насосами для точного управления потоком жидкости.
- Необходим доступ к вакуумным эксикаторам, печам, плазменным генераторам и инфраструктуре из ПТФЭ-трубок для синтеза чипов и подачи жидкости.
- Требуется стандартизация соотношений скоростей потока и протоколов использования обволакивающей жидкости между исследовательскими группами для обеспечения воспроизводимого формирования волокон и стабильности на выходе.
- При печати на пористых или гибких подложках (например, салфетках или полистироле) необходимо учитывать особенности адаптации для сохранения целостности волокон и структурной точности.
- Включает такие практические ограничения, как склонность к засорению при несбалансированных скоростях потока и необходимость работы с уксусной кислотой в вытяжном шкафу.
