Kendi kendini yaratan ve Kendi kendini kınayan Microfluidic Cihazları Geliştirmek için 4d Baskı

4D Baskı Nedir ve 3D Baskıyı Nasıl genişletiyor?

4D baskı, dördüncü boyut ekleyerek doğrudan 3D baskının temeli üzerine inşa eder: zaman. Geleneksel 3D baskıda, bir nesne, üretimden sonra tabakaya dönüştürülür ve statik kalır. 4D baskı, akıllı malzemeler kullanır - aynı zamanda stimuliresponsive veya programlanabilir malzemeler olarak adlandırılır - dışsal veya elektronik kontroller olmadan ortaya çıkabilir.

Kavram ilk olarak 2013 yılında Skylar Tibbits tarafından popülerleştirildi ve o zamandan beri alan hızla büyüdü, özellikle de miniaturizasyon ve uygunluk gerektiren alanlarda. Anahtar özellik bilimi ile hassas üretim kombinasyonudur, katlama, genişleme, sözleşme, hatta kendilerini bağımsız olarak tamir etmek için mühendislere izin verir.

Geleneksel mikrofluidic üretim, düz çarşaflar veya basit şekiller ve daha sonra kendini karmaşık hale getiren cihazlara, mikrokökezlere yönelik malzemelere göre pahalı, zaman alıcıları önemli ölçüde karmaşıktır.4D baskı, malzemeleri, uygulamaları ve gelecekteki 4D baskı yollarını araştırır ve kendi kendini karmaşıklaştırma sistemleri için baskıya yol açabilir.

4D Printingin Arkasındaki Temel Mekanizmalar

Stimuli-Responsive Materials kullanarak programlanmış Deformasyon

En yaygın mekanizma, ısı (bir geçiş sıcaklığının üzerinde) ve hidrogels'leri şekillendirir ve sonra ısıya (örneğin, bir geçiş sıcaklığının üzerinde) uyarılır.

Hidrogels, nefse veya pH'a cevap verir. İnce bir filmin bir tarafında basılmış bir hidrojek tabakası, temassız, bükme veya kıvrımlara neden olan uzaktan hareketle birleşebilir. stratejik olarak aktif ve pasif tabakalar yerleştirerek mühendisler, tasarımlara, rulolara ve kompleks veyaigamiye benzeyen katlanabilirler.

Kendi kendine benzeyen: 2D Dokümanlardan 3D Mikro Kanallara

4D baskılı mikrofloresanlar genellikle iki malzeme arasında diferansiyel genişleme veya sözleşmeye dayanırlar. Bikatli bir yapı - aktif tabaka (örneğin, hidrojektif filtreler, karıştırıcılar ve hücre-kültürlü scaffoldlar, kendi kendine ait daireler, aktif plakalar, desenleri aktif bir şekilde basarak, tasarımcılar, borular veya kanal ağları üreten katlar oluştururlar.

Başka bir yaklaşım, malzemenin küçülmesinden gerginlik kullanır. SMPs, su altında baskılanmış bir durumda yazdırılabilir; cihazı son şekle çekerler ve çekerler. Bu yöntem, doğrudan kalıp için imkansız olan karmaşık kanallar oluşturmak için özellikle yararlıdır.

Kendi kendine özgü: Mikro ölçekli bir onarım

Kendi kendine özgü cihazlar, mikrokapı veya boklamadan sonra yapısal bütünlüğü geri yükleyebilecek malzemeler içerir: extrinsic şifa (kontraksiyon mikrokapı veya damar ağları) ve intrinsic şifa (dönüşümlü sistemler) Mikrokapsule temelli sistemlerde, mikrokapsules iyileştirici bir ajan içerir (örneğin, bir monomer).

Örneğin, Diels-Alder adducts veya disulfide bağlantıları, materyali tekrar tekrar iyileştirmeye izin verir. Mikrofluidics, kendi kendine özgü stresler, manuel müdahale olmadan sıvıyı korumak.Bu, uzaktan konumlardaki sürekli izleme sistemleri için kritiktir.

Mikrofluidics için 4D Printing'de Kullanılan Malzemeler

Şekil Memory Polimerleri (SMPs)

Common SMPs, poliurethane tabanlı sistemler ve bağlantılı polyesterler içerir.Onlar, yeniden programlanma olmadan iki şekil arasında geçiş yapmak için uygun tıbbi mikrofluidic cihazlar için uygun hale getirir.SMPs ile Baskı genellikle filamentler veya UV eğriliği ile programlanabilir.

Sorumluluklu Hidrojekte

Hidrojekteler poli(N-isopropylarilamid) (PNIPAM) 32°C'nin üzerinde ısıtıldığında, diğerleri düşük pH'da swell'i sınırlayabilirler, çünkü yüksek basınçlı değişikliklerle baskı altına alınabilirler.

Sıvı Kristal Elastomerler (LCEs)

LCEs, ışık (genellikle UV) veya sıcaklıklara maruz kaldığı zaman şekli geri döndürür ve özellikle kablosuz hareket değerlendirmesi için umut vericidir ve belirli dalgalara cevap vermek için uyarılabilir. Mikrofluidics, LCEs, ışık altındayken açık olan mikrovalves olarak hareket edebilir.

Kendi kendine özgü polimerler

Mikrokapsules veya dinamik bağlar içeren polimer formülasyonları, inkjet ve stereolithography baskısına göre optimize edilmiştir. Örneğin, kürk-maleimide Diels-Alder sistemleri yazdırılabilir ve sonra 120°C'de iyileşebilir.

4D Mikrofluidic Cihazları için İmalat Teknikleri

Stereolithography (SLA) ve Dijital Işık İşleme (DLP)

SLA ve DLP 4D baskı için idealdir çünkü yüksek çözünürlük ( mikrons) sunarlar ve biçim hafıza veya hidrogel bileşenleri içeren kompleksleri baskılayabilirler. Farklı reçinelerin eğriliğini programlamak veya dahil etmek için, mühendisler önceden belirlenmiş stresle mimariler oluşturabilirler.

F used Deposition Modeling (FDM)

FDM SMP filamentler için yaygın olarak kullanılır ve düşük maliyette göz ardı edilebilir veya çok fazla parasal yapılar yaratabilir. Ana sınırlama daha düşük çözünürlükte (100-200 μm kanalları), ancak daha büyük mikrofluidik cihazlar veya kendi içine monte edilen parçalar için FDM pratik kalır. Dual ekstrümanlar bir malzemeye ve aktif bir bileşen olarak hareket etmesine izin verir.

Inkjet Printing and Direct Ink Writing

Inkjet, yüksek hassasiyetle akıllı malzemenin yataklarını baskı altına almak için uygundur. Hidrojekteler ve sıvı kristalleri mikrofluidic cips için bir nozul kullanır.

4D Nanocompositler

Nanopartikülleri (örneğin, manyetik nanotüpler, nanopartiküller) baskı materyaline ek bir duyarlılığa sahip olabilir. Örneğin, manyetik nanopartiküller, manyetik alan aracılığıyla uzaktan tetikleyicilere izin verir. Nanocompositler aynı zamanda mikrofluidic cihazlarındaki bütün sensörlerin açılmasına olanak sağlar.

Kendi kendini yaratan Microfluidic Cihazları

Origami-Inspired Akışkanlar Ağları

Sabit ve esnek (hidrol) ile düz bir sayfa yazdırarak, araştırmacılar, kanalları 3D ağa bağlayan mikrofluidik sistemler yaratır ve tek bir baskı işinden karmaşık cips üretimine olanak sağlar.

Kendi kendini korumak Microtubes

Başka bir teknik, bir substrattan salıverilen bir tüpe yuvarlanan bir bikat filmi kullanır. İç katman, filme curl'e neden olan bir hidrojekte olabilir.

programlanabilir Microvalves ve Micropumps

Şekil hafıza etkisini kullanarak, baskılı bir düz kanal sıvısı ısıtıldığında yukarı yukarı doğru kıvrılarak, normalde kapalı bir kapak olarak hareket ederek, valf talep üzerine açılabilir. Benzer şekilde, bir sıvıdaki değişim şekli değişiklikleri pompalayabilir.Bu dinamik bileşenler dış pnömatik kontroller için ihtiyacını ortadan kaldırır.

Kendi kendini etkileyen Microfluidic Cihazları

Kanal Duvarlarında Mikrokracks'ın İyileştirilmesi

Mikrokracks mikrofluidic çiplerde yaygın bir başarısızlık modudur, özellikle yüksek basınçlı kromatografi için kullanılanlar, kanaldaki baskı bütünlüğünü birkaç test için devretebilirler.Bir örnek olarak, bir PDMS tabanlı kanal mikrokapılı bir kanal test edildi.

Tüm Sensörler için Elektriksel Davranışı Yeniden Keşfetmek

Mikrofluidic cihazlar için entegre elektrotlar (örneğin, algılama için), kendini önleyici polimerler kırık devreleri tamir edebilir. Dinamik bir polimer matrixte dağıtılan gümüş nanoteller ile kompozit malzemeler, sensör fonksiyonunun ardından yeniden bağlantı kurabilir.

Teredilemez Clog Yok

Parçacık yapımı nedeniyle Clogs, bir SMP geçiş sıcaklığının üzerindeki kanalı ısıtmak tarafından çözülebilir, duvarların genişlemesine ve engellenmesine neden olur.Bir kez tetik kaldırıldıktan sonra, kanal orijinal şekline döner.Bu pasif, kimyasal-özgür bir yoldur.

Lab-on-Chip ve Organ-on-Chip'teki uygulamalar

Point-of-Care Tanıklar

4D baskılı cipsi monte etmek, taşıma sırasında bile çiplerin işlevsel kalması veya yanlış kalmasın sağlar. Self-healing properties ensure that chips function even if falled or wrong.

Organ-on-Chip Modelleri

Organ-on-çip cihazlar insan organ mikroenvironments. 4D baskı, sözleşme ve rahatlamaya muktedir dinamik kültür odalarının yaratılmasına izin verir, kalp kasını veya bağırsak peristalsisini basitleştirir.

İlaç Teslim Sistemleri

Miniature 4D baskılı mikrofluidic cihazlar, vücut ısısı veya pH tarafından pulsatile modellerinde uyuşturucu serbest bırakmak için implante edilebilir ve tetiklenebilir taşıyıcılar haline getirir.

Çevresel İzleme

Su veya havayı örnekleyen uzak sensörler, altmerged olduğunda genişletilebilir cihazlar yaratılmasını sağlar.

Meydanlar ve Güncel Sınırlar

Malzeme Uyumluluk ve Baskı Çözümü

Birçok akıllı malzeme yüksek çözünürlüklü katkı üretimi ile işlemek zordur. Hydrogels genellikle destek yapıları gerektirir ve kurutmaya ciddi şekilde dönüştürülebilir. SMP reçineleri düşük sert olabilir. Balancing baskılanabilirlik, duyarlılık ve mekanik sağlamlık bir araştırma odağı kalır.

Scalability and Cost

Çoğu 4D baskı teknikleri hala laboratuvar büyüklüğündedir. Saat başına yüzlerce çipin azaltılması, çok fazla miktarda baskı hızı ve güvenilirlik gerektirir. Uzman polimerlerin ve nanopartiküllerin maliyeti büyük ölçekli dağıtım için yasaklanabilir.

Tesadüf Yenidenlenebilirlik

Kendi kendine benzeyen ve kendi kendine özgü, tutarlı tetikleyici koşullara (sıcak, pH) bağlı olmayan ortamlarda erken şekil değişikliklerine neden olabilir. Seçici veya çok fazla beslenme materyali tasarlayan bir alandır.

Biocompatability ve Long-Term Stability

Tıbbi uygulamalar için, malzemeler haftalar boyunca toksik olmayan ve istikrarlı olmalıdır. Birçok kendi kendine özgü kimyagerler, sittooksit olabilir katalizörler veya ürünler içerir. Uzun vadeli dinamik bağlar yorgunluk da değerlendirmeye ihtiyaç duyar.

Future Perspektifleri

Makine öğrenimi ile entegrasyon, istenen şekilleri ve şifalı kinetics için 4D baskı parametrelerini optimize edebilir. Multi-mal yazıcılar, onlarca malzemeden tasarruf edebilecek kompleks cihazlara inşa edilmiş sensörler ve eylemcilerle birlikte çalışır. 4D baskının kombinasyonlarını mikrofluidic[muhtemelen çipler) zaten ilaç taramalarına dayanan “akıllı laboratuvarlar” yol açacaktır.

Diğer bir sınır, yeniden yazılabilir polimerizasyona sahip olan mikrofluidic cihazlar oluşturmak için 4D baskının kullanımıdır. Bu, laboratuvardaki sürdürülebilir hedeflerle uyumlu hale getirilmesine izin verebilir.

Son olarak, 4D baskı için standart simülasyon araçlarının gelişimi, yeni araştırmacılar için bariyeri azaltacaktır.COMSOL Multifizik[DDDD 1) değiştirilebilir, ancak katkı maddeleri için özel eklentiler hala ortaya çıkar.Bu araçlar olgun olarak daha hızlı bir şekilde kabul göreceğiz.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

4D baskı, mikrofloresanları düz eyaletlerden ve kendi kendine ait mikrofloresanları geri çekiyor. Bu yetenekler, üretim karmaşıklığını, sağlamlığı azaltır ve yeni uygulamaları teşhislerde, organ-on-çizorlar ve uzaktan algılamada geliştirirken, bu teknolojinin tam potansiyel sorunlarını çözmeye devam etmelidir.