Controlled fabrication of microfibers using microfluidic devices

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Hofmann, Eddie:
Controlled fabrication of microfibers using microfluidic devices.
Bayreuth , 2020 . - X, 129 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005164

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Abstract

Microfibers are of great interest in a wide variety of research fields because of their high surface-area-to-volume ratio and unique mechanical properties. Accordingly, they are basis of diverse applications in tissue engineering, biomedicine, filtration, and sensor technology.
The multidisciplinary field of microfluidics deals with the behavior and manipulation of fluids confined to such small dimensions that surface forces, energy dissipation, and diffusive mixing start to dominate the system. Microfluidics has already proven its potential in various research areas such as modern medicine, biology and chemistry.
The scope of this thesis is to explore the options, select suitable approaches and exhaust the possibilities of utilizing microfluidic devices for spinning of microfibers. Microfluidics offers some key advantages associated with laminar flow and provide unique control over the entire spinning process.
Two different methods of conventional fiber spinning were identified and adapted for microfluidic spinning of microfibers. Both approaches, which are variants of wet and dry spinning, have in common that a spinning solution of a natural or synthetic polymer is ejected through a spinneret. When the solvent is removed or exchanged by the surrounding medium, this causes the polymer to solidify and form a mechanically stable fiber. The macromolecules are aligned within the nozzle by shear and elongational forces. When collecting the fiber on a rotating spool, the mechanical properties can be further enhanced by additional stretching.
Microfluidics offers a high degree of control of all relevant spinning parameters and the possibility to optimize the nozzle design. Computer-aided design software allows to design almost any channel geometry, which can be created using lithographic techniques. This allows not only to fabricate fibers of uniform diameter and endless length in a steady and controlled process, but also to gain insights on the formation of fibrous microstructure by applying suitable characterization methods.
Collagen microfibers are in the focus of biomedical research projects. In this thesis it could be shown that microfibers can be produced from pure type I collagen in a microfluidic wet spinning process using hydrodynamic flow focusing and an asymmetric channel architecture. Irreversible clogging of the channels by the assembling collagen could be prevented by reducing wall adhesion with an elaborate channel geometry, which ultimately results in a continuous and adjustable process. These microfluidically produced collagen fibers stand out due to their exceptional small diameter, while their tensile strength and Young’s modulus exceed that of classical wet-spun fibers and even natural tendon. Cell culture tests showed directional axon growth of neuronal NG108-15 cells along the microfiber axis, which qualifies these fibers for a potential application in peripheral nerve repair.
The second approach for microfluidic fiber spinning is a special variant of dry spinning, which is called micro solution blow spinning (μSBS). Here, the spinneret is replaced by a microfluidic nozzle device, which allows to produce ultrafine fibers of virtual endless length having precise diameter control. The gas dynamic virtual nozzle (GDVN) principle is applied to generate a fine liquid jet by three-dimensional air focusing of the spinning solution. When the polymer solution is ejected from the nozzle, the solvent evaporates, and the solid polymer fiber remains. The ejected fibers can either be sprayed directly onto a substrate as a nonwoven mesh or collected on a rotating spool as filament yarn. From hydrodynamic considerations and mass balance, equations were derived which allow to quantitatively predict and control the diameter of the jetted polymer solution and the resulting fiber.
In the last part of this thesis, micro solution blow spinning is combined with small- and wide-angle X-ray scattering (SAXS, WAXS) to directly relate the macroscopic spinning conditions to the molecular structure of the resulting fibers. Having precise control of the jet diameter and velocity also gives excellent control of the fiber diameter and the internal macromolecular alignment. Using the software Scatter, 2D-SAXS patterns were simulated and compared with the measured ones to determine the orientational order parameter. It was shown that the elongation rate is the decisive parameter that transduces the macroscopic flow properties to the local macromolecular structure and orientation and thus determines the mechanical properties of the resulting fiber. The well-defined shish–kebab crystal structure of the fluorinated terpolymer THV transforms into an extended chain crystal structure upon plastic deformation in tensile tests.
In summary, this thesis contributes to the methodical advancement of microfluidic devices for the purpose of spinning microfibers and the fundamental understanding of structure formation in the process of fiber spinning.

Abstract in weiterer Sprache

Mikrofasern sind aufgrund ihres hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses und ihrer einzigartigen mechanischen Eigenschaften für eine Vielzahl von Forschungsgebieten von großem Interesse. Folglich bilden sie die Basis für verschiedenartige Anwendungen in den Bereichen der Gewebetechnik, Biomedizin, Filtration und Sensorik.
Das multidisziplinäre Feld der Mikrofluidik beschäftigt sich mit dem Verhalten und der Manipulation von Fluiden, die auf so kleine Dimensionen beschränkt sind, dass Oberflächenkräfte, Energiedissipation und diffusive Vermischung das System dominieren. Die Mikrofluidik konnte ihr Potenzial bereits in verschiedenen Forschungsbereichen wie der modernen Medizin, der Biologie und der Chemie beweisen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich damit, die Optionen zu erforschen, geeignete Ansätze auszuwählen und die Möglichkeiten auszuschöpfen, wie Mikrofluidiksysteme für das Spinnen von Mikrofasern genutzt werden können. Die Mikrofluidik bietet einige entscheidende Vorteile, die mit der laminaren Strömung einhergehen und eine einzigartige Kontrolle über den gesamten Spinnprozess ermöglichen.
Zwei verschiedene Methoden des konventionellen Faserspinnens wurden identifiziert und für das mikrofluidische Spinnen von Mikrofasern angepasst. Diese beiden Ansätze, die Varianten des Nass- und Trockenspinnens sind, haben gemeinsam, dass eine Spinnlösung eines natürlichen oder synthetischen Polymers durch eine Spinndüse ausgestoßen wird. Sobald das Lösungsmittel entfernt oder durch das umgebende Medium ausgetauscht wird, verfestigt sich das Polymer und bildet eine mechanisch stabile Faser. Die Makromoleküle richten sich durch Scher- und Dehnungskräfte innerhalb der Düse aus. Die mechanischen Eigenschaften können durch zusätzliches Strecken der Faser bei der Aufnahme auf einer rotierenden Spule weiter verbessert werden.
Die Mikrofluidik bietet ein hohes Maß an Kontrolle über alle relevanten Spinnparameter und die Möglichkeit das Düsendesign zu optimieren. Computergestützte Konstruktionssoftware ermöglicht es, fast beliebige Kanalgeometrien zu entwerfen und diese mit Hilfe von lithografischen Techniken herzustellen. So können nicht nur Fasern mit gleichmäßigem Durchmesser und endloser Länge in einem kontinuierlichen und kontrollierten Prozess hergestellt werden, sondern durch geeignete Charakterisierungs-methoden auch Erkenntnisse über die Bildung von Mikrostrukturen in Fasern gewonnen werden.
Kollagen-Mikrofasern stehen im Mittelpunkt biomedizinischer Forschungsvorhaben. Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass Mikrofasern aus reinem Typ-I-Kollagen in einem mikrofluidischen Nassspinnverfahren unter Verwendung hydrodynamischer Strömungsfokussierung und einer asymmetrischen Kanalarchitektur hergestellt werden können. Irreversibles Zusetzen der Kanäle durch sich verfestigendes Kollagen konnte verhindert werden, indem mit einer durchdachten Kanalgeometrie die Wandanhaftungen reduziert wurden, was letztendlich zu einem kontinuierlichen und steuerbaren Prozess führte. Diese mikrofluidisch-erzeugten Kollagenfasern zeichnen sich durch ihren außergewöhnlich kleinen Durchmesser aus, wobei ihre Zugfestigkeit und ihr Elastizitätsmodul die entsprechenden Werte klassisch hergestellter Nassspinnfasern und sogar die der natürlichen Sehnen übertreffen. Zellkulturversuche zeigten ein gerichtetes Axonwachstum neuronaler NG108-15-Zellen entlang der Mikrofaserachse, was diese Fasern für eine mögliche Anwendung bei der Reparatur peripherer Nerven qualifiziert.
Der zweite Ansatz für mikrofluidisches Faserspinnen ist eine spezielle Variante des Trockenspinnens, das als Mikrolösungsblasspinnverfahren (engl. micro solution blow spinning, μSBS) bezeichnet wird. Hierbei wird als Spinndüse ein mikrofluidischer Düsenchip verwendet, der es erlaubt, ultrafeine Endlosfasern unter präziser Steuerung des Durchmessers herzustellen. Das Prinzip der gasdynamischen virtuellen Düse (engl. gas dynamic virtual nozzle, GDVN) wird angewendet, um einen feinen Flüssigkeitsstrahl der Spinnlösung durch dreidimensionale Luftfokussierung zu erzeugen. Sobald die Polymerlösung aus der Düse ausgestoßen wird, verdunstet das Lösungsmittel und eine stabile Polymerfaser bleibt zurück. Die ausgestoßenen Fasern können entweder direkt als Vliesstoff auf ein Substrat aufgesprüht oder als Filamentgarn auf einer rotierenden Spule aufgefangen werden. Aus hydrodynamischen Überlegungen und der Massenbilanz konnten Gleichungen abgeleitet werden, die es ermöglichen, den Durchmesser des Polymerlösungsstrahls und den Durchmesser der resultierenden Faser quantitativ vorherzusagen und zu steuern.
Im letzten Teil dieser Arbeit wird das Mikrolösungsblasspinnverfahren mit Klein- und Weitwinkel-Röntgenstreuung (SAXS, WAXS) kombiniert, um die makroskopischen Spinnbedingungen unmittelbar mit der Molekularstruktur der resultierenden Fasern in Beziehung zu setzen. Die präzise Steuerung des Strahldurchmessers und der Strahlgeschwindigkeit ermöglicht es ebenfalls eine ausgezeichnete Kontrolle auf den Faserdurchmesser und die interne makromolekulare Ausrichtung auszuüben. Mit Hilfe der Software Scatter wurden zweidimensionale SAXS-Streubilder simuliert und mit den gemessenen Streubildern verglichen, um den Orientierungsordnungsparameter zu bestimmen. Es konnte gezeigt werden, dass die Dehnungsrate der ausschlaggebende Parameter ist, der die makroskopischen Fließeigenschaften in die lokale Struktur und Orientierung der Makromoleküle überträgt und damit die mechanischen Eigenschaften der resultierenden Faser bestimmt. Die gut definierte Schaschlikspieß-Kristallstruktur (engl. shish–kebab crystal structure) des Fluorterpolymers THV wandelt sich im Zugversuch durch plastische Verformung zu einer gestrecktkettigen Kristallstruktur (engl. extended chain crystal structure) um.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit zur systematischen Weiterentwicklung von Mikrofluidik-Chips für das Spinnen von Mikrofasern und zum grundlegenden Verständnis der Strukturbildung im Faserspinnprozess beiträgt.