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《AM》微流控技术助力各向异性微凝胶的延续制备及尺寸、硬度全调控

作为高分子质料的告急分支之一,水凝胶在微纳尺寸下的可控制备及尺寸、呆板遵从调控不绝是此研讨范围内的几大困难。与晶体所具有的的有序化布局性子差异,微纳尺寸下高分子的外形壮实及调控似乎是不约莫的,这将大大限定其在细胞作育及布局工程范围的实际运用。荣幸的是,微流控技术的出现,为研讨的突破带来的了曙光。

微流控技术剖析凝胶原理简图 

微流控技术剖析凝胶原理简图

先来说说微流控:伟大的讲便是运用极细(数十/百微米)的管道举行微量液体操控的技术,两相互不相容的液体在管道内会出现有规律的间歇分列。运用这项技术,完全可以完成微纳凝胶体系,尤其是棒状微凝胶的可控化构建。但是传统的微流控技术重复只能助力维纳尺寸凝胶的粗调控,同时完成(1)延续化制备;(2)硬度;(3)尺寸;(4)纵横比及四参数之间平衡的完全可调控依旧是庞大的寻衅。

源头 

【创新突破】

针对以上标题,德国亚琛莱布尼茨互动质料研讨所Laura De Laporte教授及其团队提出通太过段照射微凝胶先驱溶液,并在放射要领下应用微流控博升娱乐,完成了等长度棒状微凝胶的快速延续化制备。这种微流控放射要领降服了传统微流控的范围性,使得在高流速下斲丧具有准确可调长宽比的(小于通道直径的10%),不等尺寸微凝胶,从而失失高产率成为约莫(见视频)。此变乱以Andreas J.D.Kruger为第一作者颁发在Advanced Materials上。

高流速下微凝胶构成“鱼骨”图案 

高流速下微凝胶构成“鱼骨”图案

总结上去,团队完成的庞大突破紧张聚集在以下三个方面:

1. 将可控频率光源引发聚合与微流控射流技术相连合的新型微凝胶制备要领;

2. 完成高长宽比、刚度可调、内径明白小于孔道直径的棒状微凝胶的延续化制备;

3. 具有特定脉冲序列和频率变乱的光源与微流控装置连合,运用流速及脉冲延续时间调控凝胶棒的长宽比。

【图文剖析】

图1 

1.a)微流控触及的聚集要领及其结果缺陷,此中灰色/紫色区为流体可访问区;b)本文所运用的微流控装置表现图,紧张包括具有以坚定频率及脉冲运转的激光/UV-LED驱动器单位和微流体博升娱乐;c)具有延续或单脉冲情势的UV-LED的博升娱乐上塞流微流装置变乱表现图;d)博升娱乐上微流放射凝胶扮装置的表现图。激光以延续情势运转,以孕育发生直径便是射流直径的柔性微凝胶纤维;脉冲激光则完成了疏散式凝胶化,从而孕育发生直径与射流直径相称的棒状凝胶。

剖析:团队将微流控装置与用于微流控塞流凝胶化实行的365nm紫外发光二极管或用于放射凝胶化实行的405nm单模激光二极管耦合,相应的光源陈设在博升娱乐的玻璃侧,以照射指定的通道局部。以指定浓度的PEG-DA和1wt%的LAP水溶液为内相,以含有2wt%的ABILEM 90外貌活性剂的白腊油为皮毛,在“单脉冲”约莫“延续”情势下,完成片上塞流凝胶化,并将微凝胶网络在抗坏血酸/乙醇溶液中以中缀聚合应声,从而防范博升娱乐外的延续凝胶化,完成了完全非对称微凝胶棒的延续化高产量制备。

图2 

2.a)棒状微凝胶无局部松弛即完全凝胶化所需的最小脉冲延续时间(血色框);b)微凝胶溶胀性与预聚物浓度的干系;c)运用原子力显微镜确定的微凝胶刚性;d)以10wt% PED-GA为例,颠末革新壮实Qout下Qin来革新棒状微凝胶的纵横比;e)差异尺寸的棒状微凝胶(从150μm到1mm)

剖析:由于微凝胶在热力学上更容易出现微球形,要将其壮着实长棒外形状,就必需尽管纵然提高微凝胶的凝胶化水平。团队运用单脉冲实行,革新单脉冲的延续时间,直兰交联微凝胶对峙其不等度外形为止,此时间即为特定聚合物构成的特性凝胶化时间。除此之外,研讨发现微凝胶的溶胀度与预聚物浓度具有风雅讨论干系,较低预聚物浓度孕育发生的微凝胶溶胀度较高,而其刚性变弱,可由溶胀-单调-再溶胀实行得出,AFM测定的PEG-DA浓度与刚性的干系亦说明白这一点。同时,研讨还发现,内相流率(Qin)与凝胶杆长之间出现线性干系,而这一干系与皮毛流率是完全相反的,这就标明,颠末革新表里相的流率或可控制微凝胶的长度。

图3 

3.a)激光延续照射孕育发生的超长微凝胶纤维及坚定脉冲信号在输入通道加宽时孕育发生的特性性“鱼骨”图案;b)运用射流速率v,光斑宽度z和脉冲延续时间ton预测实践杆长;c)微凝胶刚性与预聚物浓度之间的干系;d)放射流率,内管直径与流率之间的干系;e)脉冲延续时间,应用电流及微凝胶棒长度之间的干系;f)80 mA下100ms脉冲延续时间内激光束斑的微凝胶斑;g)运用脉冲延续时间ton革新微凝胶棒长度,并运用明场显微镜监控;h)实践棒长度与实际微凝胶棒长度相比及差异延续时间下的微凝胶天生速率。

剖析:为了拓重办概构成射流的参数空间,并使射活坚定在压力颠簸等外部影响下,团队提出颠末添加2.4wt% PEG(400.000g mol-1)提高PEG-DA相的粘度,并将皮毛互换为Span80以飞扬界面张力。当延续照射20wt% PEG-DA射流时,可孕育发生比通道直径薄六倍的无断裂水凝胶纤维。同时,为了表征微流控射流的特性,将其速率和直径作为流速的函数举行丈量,颠末革新QinQout的比值,告成将射流直径控制在6.8μm-20.6μm不等,而以此射流范围所制备出的最小微凝胶直径为8μm。别的,凝胶动力学测试表现,脉冲延续时间与凝胶长度出现线性干系,着实践谋略与实际测试具有类似的趋向,证明白运用脉冲时间调控凝胶尺寸的可行性。

【小结】

综上,团队提出了一种新的微流控要领,运用此装置及要领所制备出的微凝胶棒内径约为通道直径的1/10,纵横比高达12.5,弹性模量低至3.9kPa,并可以以每秒高达100微凝胶棒数的超高斲丧率举行延续化斲丧,更告急的是,所斲丧出的棒状微凝胶是完全非对称的。传统的剖析水凝胶是颠末聚合物交联制备的,其孕育发生的纳米孔倒运于细胞在布局工程中的渗入渗出排泄和迁移。而微凝胶棒可以互换纳米级聚合物,为制备具有特定呆板和布局特性的布局体提供了新的要领。别的,这种新型装置具有高度的通用性,因此在其他研讨和工程范围也表现出庞大的转移潜力。颠末衔接特定的化学或生物基团,微凝胶可被结果化而用于各个范围,比如微纳和纳米电子学的生物打印、致动器、热传导和电导,以及医学范围等

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