Za kroplą do celu

Materiały porowate są niezbędne w wielu procesach chemicznych, takich jak gromadzenie energii słonecznej, adsorpcja, kataliza, transfer energii, a nawet nowe technologie do zastosowania w materiałów elektronicznych. Stąd, podjęto wiele wysiłków w celu kontrolowania porowatości materiałów podczas ich syntezy. Ostatnio, naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk zademonstrowali możliwość wytwarzania materiałów o określonej porowatości stosując technologie mikroprzepływowe, w których generowano emulsje z dynamiczną kontrolą objętości kropli i modyfikacją składu chemicznego matrycy drukowanej 3D.

Materiały porowate o kontrolowanym kształcie i wielkości porów są stosowane i porządane w wielu dziedzinach, od syntezy chemicznej i badań środowiskowych po sektor produkcji energii. W zależności od składu chemicznego materiału, określoną wielkość porów można uzyskać wieloma technikami tj. spienianie, wytłaczanie, odlewanie, granulację, elektroprzędzenie, suszenie rozpyłowe, emulgowanie itd. Jednak, niezależnie od zastosowanej techniki, kontrola wielkości i kształtu porów nadal ma kilka ograniczeń. Wytworzenie porów w postaci wgłębień, kanałów lub szczelin, które są cylindryczne, kuliste, w kształcie butelki, lejka, itp., czy też kontrolowanie ich wielkości, kształtu i stopniowego rozkładu w materiale jest nie lada wyzwaniem, zwłaszcza jeśli chodzi o przygotowanie funkcjonalnych struktur na dużą skalę.

Dzięki zaprojektowaniu nowatorskiego modułu mikroprzepływowego zaproponowanego przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) możliwe jest wytwarzanie materiałów o kontrolowanej wielkości porów i ich rozkładzie w całej objętości wytwarzanego materiału. Naukowcy połączyli urządzenie mikroprzepływowe z technologią druku 3D, gdzie poprzez generowanie i wytłaczanie emulsji typu olej w wodzie w kąpieli z żelem agarozowym, a następnie polimeryzację, możliwe było kontrolowanie unikalnej struktury w drukowanym, trójwymiarowym hydrożelu. Skąd taki pomysł? Wszystko zaczęło się od zastosowania technologii mikroprzepływowych, które pozwalają modulować przepływ niemieszających się płynów w maleńkich mikrokanałach do generowania małych kropel o stałej objętości od femtolitrów do nanolitrów. Chociaż technologia ta jest dobrze znana na całym świecie i jest szeroko rozwijana od trzech dekad, większość metod wytwarza krople o objętości, która w znacznym stopniu zależy od natężenia przepływu w kanale. A to dlatego, że natężenie przepływu powinno być utrzymywane na stałym poziomie.

W ostatnim artykule opublikowanym w czasopiśmie Lab on the Chip, naukowcy z IChF PAN zaproponowali nową technologię mikroprzepływową do dynamicznej kontroli średnicy kropli bez zmiany szybkości wytłaczania zemulgowanych faz. Naukowcy połączyli istniejącą technologię (etapowa emulsyfikacja) z elastyczną membraną, która pozwala na zmianę geometrii dyszy, dostosowując ciśnienie na membranie. Redukcja wysokości dyszy zmniejszyło średnicę kropli o ponad trzy rzędy wielkości i zostało pomyślnie przetestowane dla różnych prędkości przepływu. Ten przestrajalny krok (znany również jako tuna-step) pozwolił na generowanie emulsji typu olej w wodzie (O/W) i woda w oleju (W/O) ze zmianami wielkości kropli i frakcji objętościowej przy zachowaniu stałej szybkości wytłaczania.

Dr Marco Costantini twierdzi: "W naszej pracy wykazaliśmy, w jaki sposób zmiana geometrii dyszy może kontrolować wielkość kropli i frakcję objętościową. Najpierw przeanalizowaliśmy, w jaki sposób tuna-step może być skutecznie wykorzystywany zarówno do produkcji emulsji W/O, jak i O/W, przy czym ta ostatnia jest możliwa dzięki innowacyjnej, hydrofilowej strategii modyfikacji powierzchni PDMS, którą dodatkowo opracowaliśmy. Następnie zintegrowaliśmy tuna-step z niestandardową platformą druku 3D i wytłaczaliśmy emulsje O/W do granulowanej kąpieli agarozowo-żelowej. Strategia ta pozwala na dalsze oddzielenie właściwości reologicznych tuszu emulsyjnego od jego drukowalności i osiągnięcie precyzyjnego pozycjonowania przestrzennego podczas procesu wytłaczania".

Ponieważ do tworzenia emulsji typu olej w wodzie wykorzystano dwie różne konfiguracje, naukowcy stworzyli niestandardową hydrofilową modyfikację powierzchni chipa za pomocą polidimetylosiloksanu (znanego również jako PDMS), aby zapobiec jego pęcznieniu pod wpływem rozpuszczalników organicznych, takich jak heksadekan. Procedura ta pozwoliła na generowanie kropel oleju w wodzie w sposób ciągły przez prawie 24 godziny, co w połączeniu z technologią druku 3D umożliwiło drukowanie połączone z polimeryzacją funkcjonalnie stopniowanych materiałów o różnej porowatości i składzie. Jak dotąd, dzięki proponowanej konfiguracji eksperymentalnej, łączenie gradientów składu, mikroarchitektury lub obu rodzajów gradientów w jednym materiale może tworzyć wiele rodzajów różnych materiałów o określonej porowatości i składzie oraz wielu funkcjonalnościach.

Odkrycia opisane powyżej nie tylko pokazują, że zaproponowane rozwiązanie jest odpowiednie do drukowania 3D emulsji, ale także pokazują potencjalne przyszłe zastosowania w wielu dziedzinach. Ponadto, druk 3D może być wykonywany przy użyciu wielu dysz jednocześnie, dzięki czemu proponowana konfiguracja jest wszechstronnym narzędziem do produkcji różnych materiałów porowatych.

"Konstrukcja zaproponowanego układu pozwoliła nam dodatkowo osiągnąć wielomateriałowe osadzanie 3D poprzez szybkie przełączanie między różnymi fazami ciągłymi. Co więcej, zademonstrowaliśmy potencjał skalowalności naszego rozwiązania typu tuna-step, wytwarzając krople za pomocą urządzenia z 14 dyszami, zwiększając przepustowość systemu o współczynnik ∼14, co jest aspektem szczególnie ważnym dla produkcji makroskopowego hydrożelu o kontrolowanej porowatości w całej objętości". - zauważa dr. Marco Costantini.

Dlaczego kontrolowana porowatość jest tak ważna? Jak wspomniano, istnieje wiele sektorów, które zajmują się tym tematem, od energii np. wytwarzanie porowatych matryc do superkondensatorów, po biokomponenty wzmacniające tkanki miękkie. Zaproponowane rozwiązanie zbliża nas do prostej produkcji porowatych układów o kontrolowanej strukturze jak choćby implanty kostne lub chrzęstne o stopniowej porowatości, ale lista materiałów, które mogą być wytwarzane przy użyciu opisanej technologii, jest z pewnością znacznie dłuższa.

KONTAKTY:

Dr Marco Costantini

Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk

Telefon: +48 22 343 3406

e-mail: mcostantini@ichf.edu.pl

ARTYKUŁY NAUKOWE:

“Tuna-step: tunable parallelized step emulsification for the generation of droplets with dynamic volume control to 3D print functionally graded porous materials”

Francesco Nalin, Maria Celeste Tirelli,  Piotr Garstecki, Witold Postek, Marco Costantini

Lab on a Chip, 2024, 113-126

https://doi.org/10.1039/D3LC00658A