Rzuć kroplę | Nauka w Polsce

Aby rozwiązać ten problem, naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN zademonstrowali niedawno nową technologię mikroprzepływową, która umożliwia generowanie emulsji z dynamiczną kontrolą objętości kropli w celu modyfikowania składu chemicznego matrycy wydrukowanej w 3D na dużą skalę za pomocą linii wyrównanych. dysze umożliwiające dostarczanie materiałów porowatych o całkowicie kontrolowanej porowatości.

Porowate materiały o kontrolowanym kształcie i wielkości porów są bardzo poszukiwane w wielu różnych dziedzinach, od syntezy chemicznej i badań środowiskowych po sektor produkcji energii. W zależności od składu chemicznego materiału porowatość można uzyskać poprzez spienianie, wytłaczanie, odlewanie w paście, granulację, elektroprzędzenie, suszenie rozpyłowe, granulację, emulgowanie i wieloma innymi metodami, w tym tam, gdzie lista metod wytwarzania jest znacznie dłuższa.

Niezależnie od zastosowanej techniki kontrolowanie wielkości i kształtu porów w tych technikach nadal wiąże się z kilkoma ograniczeniami. Niezależnie od kształtu porów, wnęk, kanałów czy szczelin, czy to cylindrycznego, w kształcie kałamarza lub lejka, kulistego czy innego, kontrolowanie ich wielkości, kształtu i stopniowego rozmieszczenia w materiale wciąż stanowi wyzwanie. Zwłaszcza jeśli chodzi o przygotowanie dużych struktur funkcjonalnych.

Jednak dzięki zaprojektowaniu nowego modułu mikroprzepływowego zaproponowanego przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) możliwe jest wytwarzanie materiałów porowatych o kontrolowanej wielkości i rozmieszczeniu porów w całej objętości syntetyzowany materiał. materiał.

Naukowcy połączyli urządzenie mikroprzepływowe z dostosowaną do potrzeb drukarką 3D, gdzie poprzez wygenerowanie i wytłaczanie emulsji olej w wodzie w kąpieli z żelem agarozowym, a następnie polimeryzację, możliwe było kontrolowanie unikalnej struktury hydrożelu wydrukowanego w 3D. Wszystko zaczęło się jednak od zastosowania technologii mikroprzepływowych, które umożliwiają kontrolę przepływu niemieszających się płynów w maleńkich mikrokanałach w celu wygenerowania małych kropelek o stałej objętości w zakresie od femtolitrów do nanolitrów.

Chociaż taka technologia jest dobrze znana na całym świecie i została szeroko rozwinięta trzydzieści lat temu, większość metod pozwala uzyskać krople o objętości w dużym stopniu zależnej od natężenia przepływu. Z tego powodu kontrolowanie średnicy kropli podczas wytłaczania emulsji 3D jest trudnym zadaniem, ponieważ natężenie przepływu musi być utrzymywane na stałym poziomie. W niedawnym artykule opublikowanym w czasopiśmie „Laboratorium na chipie”, badacze IChF PAN zaproponowali nową technologię mikroprzepływową pozwalającą na dynamiczną kontrolę średnicy kropelek bez zmiany szybkości wytłaczania zemulgowanych faz.

Naukowcy połączyli istniejącą technologię (emulsyfikacja etapowa) z elastyczną membraną, która umożliwiła im zmianę geometrii dyszy poprzez regulację ciśnienia na membranie. Zmniejszenie wysokości dyszy zmniejszyło średnicę kropli o trzy rzędy wielkości, co zostało pomyślnie przetestowane dla różnych prędkości przepływu. Ten regulowany etap (znany również jako etap tuńczyka) umożliwił wytworzenie emulsji typu olej w wodzie (O/W) i woda w oleju (W/O) ze zmianami wielkości kropel i frakcji objętościowej, przy zachowaniu stałego wytłaczania.

Dr Marco Costantini stwierdza: „W naszej pracy pokazujemy, jak zmiana geometrii dyszy może kontrolować wielkość kropel i udział objętościowy. Tutaj najpierw analizujemy, w jaki sposób etap tuńczyka można efektywnie wykorzystać do produkcji emulsji W/O i O/W, przy czym ta ostatnia jest możliwa dzięki dodatkowo opracowanej przez nas innowacyjnej strategii modyfikacji powierzchni hydrofilowej PDMS. Następnie zintegrowaliśmy etap tuna-step z niestandardową platformą do drukowania 3D i wytłoczyliśmy emulsje O/W do kąpieli w postaci granulowanego żelu agarozowego. Strategia ta pozwala nam jeszcze bardziej oddzielić właściwości reologiczne atramentu emulsyjnego od jego możliwości drukowania i osiągnąć precyzyjne pozycjonowanie przestrzenne podczas procesu wytłaczania.

Ponieważ do wytworzenia emulsji typu olej w wodzie zastosowano dwie różne konfiguracje, badacze stworzyli niestandardową hydrofilową modyfikację powierzchni chipa za pomocą polidimetylosiloksanu (znanego również jako PDMS), aby zapobiec jej pęcznieniu pod wpływem rozpuszczalników organicznych, takich jak heksadekan. Procedura ta umożliwiła generowanie kropelek oleju w wodzie w sposób ciągły przez prawie 24 godziny, co w połączeniu z technologią druku 3D umożliwiło druk połączony z polimeryzacją materiałów o różnej klasyfikacji funkcjonalnej porowatości i składu.

Jak dotąd, dzięki proponowanemu układowi eksperymentalnemu, połączenie gradientów kompozycyjnych, gradientów mikroarchitektonicznych lub obu typów gradientów w jednym materiale może stworzyć wiele różnych typów materiałów o odrębnych cechach strukturalnych i funkcjonalnych.

Opisane powyżej ustalenia nie tylko pokazują, że nasz projekt etapu tuńczyka nadaje się do druku 3D na emulsjach i materiałoznawstwa, ale także pokazują możliwe przyszłe zastosowania. Co więcej, druk 3D można wykonywać przy użyciu wielu dysz jednocześnie, co czyni proponowaną konfigurację uniwersalnym narzędziem do produkcji materiałów porowatych.

„Nasza wszechstronna konstrukcja pozwoliła nam dodatkowo uzyskać osadzanie 3D wielu materiałów poprzez szybkie przełączanie pomiędzy różnymi ciągłymi fazami. Na koniec pokazujemy potencjał skalowalności naszego kropli wytwarzających etap tuńczyka za pomocą urządzenia z 14 dyszami, zwiększając wydajność systemu o współczynnik ~14, co jest szczególnie ważnym aspektem w przypadku makroskopowego wytwarzania hydrożeli z kontrolowaną porowatością w całości. tom.” – komentuje dr Marco Constantini.

Dlaczego kontrolowana porowatość jest tak ważna? Jak wspomniano, istnieje wiele sektorów zajmujących się tym zasobem, od energii, takiej jak porowata matryca do superkondensatorów, po biokomponenty wzmacniające tkanki miękkie. Proponowany projekt zamyka nas na łatwą produkcję podbudów porowatych o kontrolowanej konstrukcji, a także implantów kostnych lub chrzęstnych o stopniowanej porowatości, jednak lista materiałów, które można wytworzyć za pomocą proponowanej technologii, jest z pewnością znacznie dłuższa.

Źródło: https://ichf.edu.pl/pl/press/drop-the-drop

czapka/