疏水表面直接PEGDA micro-pattern捏造

光聚合水凝胶的电影获得了许多生物医学和工业领域的兴趣。水凝胶装配式设备上直接用作过滤小障碍,然而,由于疲软的机械性能,这些部分需要一个稳定的支持,但沉积的水凝胶non-polymerized状态带来的风险内部结构下沉。可以克服这些限制应用疏水表面。本文提出一种新颖的两步方法,在疏水表面设计和制造使用mask-projection增值税光聚合加法制造(VPP)。后来,PEGDA-based水凝胶光敏聚合物沉积在表面和微尺度模式被治愈。部分受到水浸和加热,以评估水凝胶的膨胀和收缩行为。衬底上的部分保持稳定和维护性能,结果显示形状保持97%以上。这项工作表明,VPP可应用于制造水凝胶的疏水表面光敏聚合物沉积和固化不牺牲关键属性。

图形抽象

水凝胶已获得广泛关注的研究和行业因其多元化的特性,如吸水没有解散,生物相容性和灵活性。在合成水凝胶,PEGDA已成为研究的焦点由于多方面的特征的组合。高活性聚合物材料,合成的聚乙二醇(PEG)的前体和丙烯酸(DA)交联剂制成。PEGDA-based组件可以膨胀下浸在水里,并暴露在足够高的温度,恢复初始状态。此外,由于羟基的可行性对修改,可以定制和加工PEGDA许多制备方法,如旋转涂布,化学蒸汽沉积,electropolymerization [188bet官网亚洲 ,188bet官网亚洲 ]。因此,PEGDA广泛用于湿度传感装置在石英音叉(188bet官网亚洲 ),组织工程细胞增殖(188bet官网亚洲 ,188bet官网亚洲 )和控制药物释放胶囊在药物输送系统(188bet官网亚洲 ]。

一个新兴PEGDA-based水凝胶薄膜和涂层的应用。他们已经被报告为一个有前途的组件抗菌、防污和immunoprotective层(188bet官网亚洲 ,188bet官网亚洲 ]。在这个应用程序中,水凝胶可以设计为保护电影或化学修饰功能作为一个独立的代理对抗菌物质形成障碍(8,9,10,188bet官网亚洲 ]。例子PEGDA-based电影的设备有可能显著改善性能和寿命是透析媒体和助听器,需要配备的过滤器来防止环境和微生物污染(188bet官网亚洲 ]。过滤器是很难清洁由于小尺寸的网格,因此他们往往是一次性,产生浪费。克服这个问题一种多孔的,网状的水凝胶膜可以作为补充附加物理和化学屏障同时提供足够的流动所需的物质。受污染的过滤器可以被淹没在水里触发结构的膨胀和扩张。大净,污染物离开设备可以很容易地删除干净。最后,通过加热,水凝胶过滤可以恢复到初始形状和重用。

然而,PEGDA-based水凝胶力学性能较低,易受损害时处理,需要暂停部分或化学结合底物。这大大禁止物质的流动和侧肿胀或可能导致部分损伤当受机械载荷(13,14,188bet官网亚洲 ]。它可以克服直接制造设备上的一部分,但这种方法需要沉积non-polymerized液态的水凝胶,这可以通过底物泄漏。因此,liquid-repellent基础者优先。这可以通过应用一个疏水的表面,这是一个特别设计的表面液体潴留通过增加液体液滴和底物之间的接触角(188bet官网亚洲 ]。这样的表面生成应用程序很感兴趣,需要控制的润湿性,耐腐蚀、防冻、anti-bioadhesive、液体运输和许多其他人188bet官网亚洲 ]。制造一个组件在水凝胶部分是附加到疏水表面,一个两步生产流程需要适应。在这种方法中,疏水表面是捏造的,作为衬底PEGDA水凝胶沉积和聚合。由于表面的复杂性,一个合适的方法,它可以提供高保真度和分辨率,是必需的。可用的流程中,增值税光聚合加法制造(缩写为VPP)是最合适的方法,因为它的特点是高水平的定制,广泛可用的材料和高分辨率允许sub-millimetre规模生产的零件,制造所需的极端复杂的微结构。这是一个过程,采用结构化的紫外线(UV)光交联液体聚合物和创建一个坚实的结构188bet官网亚洲 ]。部分由VPP构建分层技术,该地区受到辐照度的截面产生部分定义的厚度。随后添加层通过移动构建板在垂直方向。此外,有两种类型的光激发:聚焦激光束和掩模投影,它使用一个高分辨率投影机液晶显示器(LCD)或数字微镜器件(DMD™)。光聚合的水平可以通过优化控制的主要工艺参数、层厚度、紫外光的辐照度水平和曝光时间188bet官网亚洲 ]。VPP发现应用等领域的定制的助听器,牙冠、机器人技术、功能表面和软工具(188bet官网亚洲 ,188bet官网亚洲 ]。VPP技术也可以用于处理PEGDA水凝胶,,当结合剂和暴露于紫外线,可以进行自由基光聚合,由于双键的丙烯酸酯组挂钩链的末端(188bet官网亚洲 ]。

这项工作提出了一个过程链,mask-projection VPP技术用于生产水凝胶的疏水性底物沉积。水凝胶是随后治愈变成固体模式和受水浸和加热实验评估swelling-shrinking上的表面行为的影响。这部小说的方法探索的可行性应用促进了水凝胶的疏水结构配件制造和应用无水凝胶的性质的损失。

设计、材料和制造

拟议的结构设计为双组份装配由liquid-repellent衬底和一个简单的水凝胶特性位于顶端。模仿过滤设备,这两个组件垂直对齐的光阑和他们的总尺寸是相互依存的。一部分的概述图所示。188bet官网亚洲 。基质的功能是提供一个基础的液体水凝胶沉积,光聚合和膨胀和收缩的过程。为此标本制作被分为两个阶段。首先,基础设计作为疏水表面和制造使用掩模投影VPP设置。接下来,photoreactive合成水凝胶,表面沉积和治愈使用一种专门设计的超分辨率的光聚合设置。

Liquid-repellent基地

Cassie-Baxter状态后的基础设计,疏水性的发生由于roughness-induced形成表面之间的气泡和液体滴188bet官网亚洲 ]。这样的表面通常由柱结构,宽,凹角上部和尖或粗糙度增强的上衣188bet官网亚洲 ,188bet官网亚洲 ]。Cassie-Baxter模型比提出组件配置,提升上面的液体空气的口袋,而不是让它穿透表面的特性。表面是由装配设计4\ \(\倍)4组由特性与锋利的技巧,然后放在支柱陷阱沉积材料与衬底之间的空气。的尺寸特性是基于几个约束,推导的决议VPP单位,树脂的固化特性和表面设计方面(即微尺度和排列安排)。柱子的直径是0.6毫米,较小的值导致分层的层由于拉部队在构建板块的垂直运动。穹顶的直径取决于倾角的凹角结构。这是选择60岁\(^ \保监会\)相对于水平面(150\(^ \保监会\)的支柱),之前的研究认为,尽管它可能达到一个较低的角度,一个过硫化通常发生倾斜的影响下楼梯的效果(188bet官网亚洲 ]。90年\(^ \保监会\)角结构的顶部是一个首选的增强的粗糙度和较低的阶梯效应之间的权衡。单一的凹角之间的近距离结构旨在模拟互联网络结构,在过滤设备。最后的特性图中描述。188bet官网亚洲 概述的。图中可以看到。188bet官网亚洲 b。

商业Anycubic\ (^ \ circledR \)光子年代桌面自下而上,掩模投影VPP单位申请制造基地。系统使用一个405纳米液晶投影仪分辨率为2560\ \(\倍)1440像素,像素间距的47岁\ \ upmu \ ()米和50 W额定功率。曝光时间的标本被生产在4 s和50层厚度\ \ upmu \ ()m。超声波的后处理包括与异丙醇清洗单位10分钟,风干的高压氮和post-cured泛光照明紫外线单位20分钟。商业FTD表面的材料\ (^ \ circledR \)雪白的光敏聚合物树脂。

Hydrogel-based部分

PEGDA-based光敏聚合物树脂两种分子量准备;Mn = 250克/摩尔和Mn = 575克/摩尔,进一步称为PEGDA250和PEGDA575。单体合成与Phenylbis (2、4、6-trimethylbenzoyl)膦氧化物(97%)剂的自由基聚合(2 wt %)。额外PEDGA250组成的解决方案,光和1 - (Phenyldiazenyl) naphthalen-2-ol)(被称为苏丹我0.7 wt %)。苏丹我抑制紫外线固化速率,因此通常用于高分辨率特性。所有化学品都从默克公司购买。的解决方案是混合电磁搅拌器在120 rpm 24小时室温。

部件组装使用内部开发的高分辨率使用10倍物镜mask-projection系统能够实现像素大小为1.3\ \ upmu \ ()米(188bet官网亚洲 ]。它有一个标准的分辨率为1930\ \(\倍)1080像素的最大图像大小为3.46\ \(\倍)1.94毫米。在此设置中,可以扩大建筑信封通过应用高的镜头放大,以牺牲有限的光学衍射因此像素大小。在这项研究中,10 x镜头提供足够的分辨率和最大模式面积之间的权衡。掩模投影是意识到405 nm紫外线发光二极管,DLP LightCrafter^™6500年维生素与模式^™模块从德州仪器^™、模块化元素光操纵(镜头,镜广告分束器)和CCD相机。过程中截面部分的位图图像发送到DMD^™。这进一步反映光模式通过激活选择性镜子(188bet官网亚洲 ]。图中所示的设置。188bet官网亚洲 。

生产阶段的关键步骤是曝光时间和水平测定紫外线辐照度水凝胶树脂。为此,独立的解决方案被治愈,之前liquid-repellent上的沉积结构。建立可接受的紫外线剂量水平,与微尺度空心板归属标志设计,如无花果所示。188bet官网亚洲 。一部分是确定最终治愈各种参数和设置时获得的特性,为图中所示。188bet官网亚洲 b。最令人满意的结果,大约10的最小特征尺寸\ \ upmu \ ()m,取得了0.2秒的曝光时间和辐照度38.07 mW /厘米²轻微过硬化被发现在一些地区,但减少紫外线剂量显示缺乏交联。固化后,用乙醇清洗零件。

定量分析需要一个简单的设计,这是图所示。188bet官网亚洲 。方角的尺寸试样的几何对应的中心距距离由衬底的技巧。类比推理,开放的特性是上方的空间之间的柱子liquid-repellent基础。液体的制造发生首先沉积PEGDA树脂使用注射器的顶部疏水基地。接下来,该模式从DMD™投射到材料和聚合成一个艰难的结构。获得最后一部分,残留水凝胶与乙醇冲洗。图188bet官网亚洲 描述了制造工艺链。

水凝胶性能评价

表面的疏水性能的评估

在固化之前,表观接触角(CA)和基质之间的沉积水凝胶是测量。为参考,CA对水也。此外评估衬底的效率,结果相比,CA的PEGDA-based树脂沉积在平面基板由商业FTD相同\ (^ \ circledR \)树脂。

尺寸稳定性的部分

水凝胶的稳定性评价部分的设计,内孔的直径的水凝胶特性是用乙醇清洗后立即测量24 h后,检查执行部件的运动或分层使用显微照片。

水凝胶的膨胀和收缩性能部分

标本展示内在的能力水凝胶行为-膨胀和收缩的研究通过浸没在水中接触热60紧随其后\(^ \保监会\)c程序都保持时间一分钟,其次是内孔直径测量。

表面接触角

图188bet官网亚洲 显示了获得CA值。数据显示本机亲水材料的属性在65年的水平\(^ \保监会\)(188bet官网亚洲 ),27\(^ \保监会\)和44.5\(^ \保监会\)水,分别PEGDA250和PEGDA575。在右面板上的分析可以看出,应用程序提出表面显著增加液体排斥性。获得的CA分别为112.5±1.4\(^ \保监会\)水,101.2±3.7\(^ \保监会\)PEGDA250和99±2\(^ \保监会\)PEGDA575。数据188bet官网亚洲 b和c显示沉积PEGDA575水凝胶在平面和疏水性底物的不同液体表面蔓延。沉积的最后的解决方案,苏丹PEGDA250 +我,不可以实现的材料立即沉没在柱结构由于其低表面张力性能(188bet官网亚洲 ]。因此,它并没有被视为进一步研究。

尺寸稳定性的部分

图188bet官网亚洲 显示了显微镜的照片固化后水凝胶特性。制造部分是成功的解决方案与分子量。大量unpolymerized水凝胶在外层空间上的洞,在图中可以看到一部分。188bet官网亚洲 a。乙醇冲洗去除剩余的光敏聚合物,导致清洁结构,图中可以看到。188bet官网亚洲 b。在清洗时,保留部分固定的,指示的效率呈网状结构的支柱装配,这实际上提供了足够的固化水凝胶和衬底之间的附着力。此外,支柱之间的空间特性促进了清洁过程。的清洁是至关重要的一部分,剩余的材料可能导致堵塞的孔水凝胶特性产生影响,扭曲了几何和降低材料特性。

图188bet官网亚洲 和表188bet官网亚洲 显示生成的水凝胶的孔直径之间的区别特征后立即测量乙醇冲洗后24 h。PEGDA250的初始直径较大PEGDA575相比,这是由于更多的C = C债券的unpolymerized状态PEG-based分子量较低的水凝胶(188bet官网亚洲 ,188bet官网亚洲 ]。因此,在光聚合的初始阶段,债券以较慢的速度,防止当地过硬化,在这种情况下在洞里面。

24 h材料孔都经历了扩张可能由于从乙醇和水吸收逐渐肿胀。与最初的设计相比,减少直径在119.36水平观察\ \ upmu \ ()PEGDA250和127.52米\ \ upmu \ ()PEGDA575 m。这是由于一个狭窄的窗口过程造成非常高的敏感性水凝胶的紫外线剂量的转变。期间观察到的定性分析,结合低曝光时间或辐照度导致完全缺乏交联,因此参数的增加,导致孔内过硫化。PEGDA250表现出更高的形状保留6.92%,由于交联密度增加,因此更高的结构稳定性(188bet官网亚洲 ]。

肿胀和形状保留

评估下尺寸变化的部分水浸和加热显示水凝胶的功能实现swelling-shrinking行为在横向方向上,同时保持在他们的初始位置相对于衬底的中心。快速变化的直径被记录在10年代接触水加热,图中所示。188bet官网亚洲 一个标准差。图188bet官网亚洲 b在实验显示了部分的显微照片。表188bet官网亚洲 显示了获得肿胀、萎缩和形状保持率。提高PEGDA575观察肿胀,这一现象已经在其他研究报告(188bet官网亚洲 ,188bet官网亚洲 ,188bet官网亚洲 ]。作为初始肿胀的乙醇清洗后,这是降低PEGDA水凝胶的交联密度较高的分子量,导致更高的筛孔尺寸。这实际上增加了溶胀比由于增强水吸收(188bet官网亚洲 ,188bet官网亚洲 ]。

加热后,零件的孔直径由PEGDA250保留有更高的形状。此外,尺寸变化是更同质的标本,PEGDA575相比,表现出高偏差,见图。188bet官网亚洲 和表188bet官网亚洲 。这是降低聚合物的稳定性,由于交联密度低导致不均匀的膨胀和收缩PEGDA575部分(188bet官网亚洲 ]。作为一个结果,大空间发生了扭曲。

横向形状发生改变的部分的方式呈现在图。188bet官网亚洲 c。尽管液体的粗糙度的衬底没有观察到的机械损伤,但与此同时,两个组件保持同心。这表明有限PEGDA之间的附着力和表面,这对水凝胶的应用程序有益的属性作为交换过滤器。

在这个研究中,一个新颖的方法制造PEGDA水凝胶在多孔衬底部分是开发和测试。底物被设计为一个疏水表面roughness-inducing特性提供一个稳定的水凝胶沉积和加工基地。Mask-projection增值税光聚合添加剂制造被选作为表面和水凝胶的制备方法部分。网络结构的疏水表面显著促进了清洗过程,随着剩余未硫化的水凝胶可以有效退出通过孔隙在清洁溶剂冲洗。

部分进一步受到水浸和加热,以触发肿胀和逃避属性。PEGDA575经验丰富的高膨胀率在水浸,而PEGDA250导致加热期间更好的复苏。此外,PEGDA250显示更高的稳定性在这两个阶段的测试。这种差异与变化相关联的水凝胶的网格大小不同的分子量。

提出工作表明,疏水表面可以有效地促进液体的沉积水凝胶对后续的光聚合树脂,和肿胀和收缩过程。在整个实验过程中,不需要胶剂是防止水凝胶的横向运动部件没有机械损伤,由于温和的粗糙度单一基质的单位。水凝胶的表面防止分层没有抑制的形状变化,这是一个常见的问题在化学粘合剂。

评估建议的解决方案的适用性,可扩展性研究潜在的真实过程链可以造福的设备。进行实验,得到的结果可以作为一个原型和开放的可能性多材料制造其他高级应用程序需要使用水凝胶,反向几何需要改变的地方。

本研究中所有生成的数据或分析包括在发表的这篇文章。

CA:

接触角

CCD:

电荷耦合器件

液晶显示器:

液晶显示器

DMD^TM:

数字微镜装置

PDMS:

聚二甲硅氧烷

PEGDA:

聚乙二醇diacrylate

紫外线:

紫外线

VPP:

增值税光聚合

不适用。

这项工作是由奥托Mønsted基金会19-11-1009和韩国国家研究基金会(NRF)由韩国政府资助(科技部ICT) (NRF - 2020 r1a2c3004885和联盟- 2020 r1a4a2002728)。

作者和联系

1. 土木和机械工程系,丹麦技术大学,公斤,丹麦

   安娜·Danielak Aminul伊斯兰教和大卫·彼得森输送量

2. 机械工程系、韩国先进科学技术研究所、韩国大田市

   Juhee Ko & Jungchul李

贡献

实验设计和概念化:广告和JK。机械设计:JK和杰。方法和数据分析:广告和JK。监督:杰,AI和菲律宾。稿件的撰写和编辑:广告,JK, AI,菲律宾和杰。所有作者阅读和批准最终的手稿。

相应的作者

对应到安娜Danielak。

伦理批准和同意参与

不适用。

同意出版

作者同意SpringerOpen许可协议发布文章。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

出版商的注意

施普林格自然保持中立在发表关于司法主权地图和所属机构。

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