Permeation control in hydrogel-layered patterned PET membranes with defined switchable pore geometry – Experiments and numerical simulation

AbstractPermeation through polymeric membranes can be controlled by surface coating of a polyethylene terephthalate (PET) membrane with poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) and inserting pores of defined geometry. When the temperature of the system rises above the volume phase transition temperature, the pores open, which allows permeation of formerly blocked particles. The exact control of the temperature allows defined change of the pore size and therefore enables separation abilities. Free swelling experiments are conducted to obtain the swelling behaviour of PNIPAAm. Then, a temperature expansion model is derived in order to simulate this behaviour with the finite element tool ABAQUS. The gained results are in excellent agreement with the observed shape change. Membranes with permeation control of particles can be used for biomedical application in microfluidics to analyse the size distribution of cells or in chemical information processing as a transistor-like component for an information-bearing chemical species. The possibility to simulate the behaviour of such permeation systems allows computer aided design and prediction of permeation abilities in these areas

Hydrogel patterns in microfluidic devices by do-it-yourself UV-photolithography suitable for very large-scale integration

The interest in large-scale integrated (LSI) microfluidic systems that perform highthroughput biological and chemical laboratory investigations on a single chip is steadily growing. Such highly integrated Labs-on-a-Chip (LoC) provide fast analysis, high functionality, outstanding reproducibility at low cost per sample, and small demand of reagents. One LoC platform technology capable of LSI relies on specific intrinsically active polymers, the so-called stimuli-responsive hydrogels. Analogous to microelectronics, the active components of the chips can be realized by photolithographic micro-patterning of functional layers. The miniaturization potential and the integration degree of the microfluidic circuits depend on the capability of the photolithographic process to pattern hydrogel layers with high resolution, and they typically require expensive cleanroom equipment. Here, we propose, compare, and discuss a cost-efficient do-it-yourself (DIY) photolithographic set-up suitable to micro-pattern hydrogel-layers with a resolution as needed for very large-scale integrated (VLSI) microfluidics. The achievable structure dimensions are in the lower micrometer scale, down to a feature size of 20 µm with aspect ratios of 1:5 and maximum integration densities of 20,000 hydrogel patterns per cm. Furthermore, we demonstrate the effects of miniaturization on the efficiency of a hydrogel-based microreactor system by increasing the surface area to volume (SA:V) ratio of integrated bioactive hydrogels. We then determine and discuss a correlation between ultraviolet (UV) exposure time, cross-linking density of polymers, and the degree of immobilization of bioactive components. © 2020 by the authors

全部國産に依る16ミリ「レ」線映晝 : 第2編

<div><p>Microfluidics is a great enabling technology for biology, biotechnology, chemistry and general life sciences. Despite many promising predictions of its progress, microfluidics has not reached its full potential yet. To unleash this potential, we propose the use of intrinsically active hydrogels, which work as sensors and actuators at the same time, in microfluidic channel networks. These materials transfer a chemical input signal such as a substance concentration into a mechanical output. This way chemical information is processed and analyzed on the spot without the need for an external control unit. Inspired by the development electronics, our approach focuses on the development of single transistor-like components, which have the potential to be used in an integrated circuit technology. Here, we present membrane isolated chemical volume phase transition transistor (MIS-CVPT). The device is characterized in terms of the flow rate from source to drain, depending on the chemical concentration in the control channel, the source-drain pressure drop and the operating temperature.</p></div

Intermodale Displays auf Basis intrinsisch aktiver Polymere

Der in dieser Arbeit verfolgte Ansatz ermöglicht die generelle Herstellung taktiler Displays mit fotolithographischen Methoden. Dabei werden alle Aktorelemente Schicht für Schicht und gleichzeitig während des Herstellungsprozesses erzeugt. Somit ist eine Miniaturisierung und Skalierung möglich, wie sie für Prozesse in der Halbleitertechnik üblich ist. Um die Aktorgröße jedes einzelnen Aktors zu kontrollieren, wurde das temperatursensitive Hydrogel Poly(N-Isopropylacrylamid) verwendet und zur Steuerung eine elektronikkompatible thermische Schnittstelle entwickelt. Dabei entsteht ein hochaufgelöstes thermisches Feld, welches aktorgenau den Zustand von jedem visuellen Pixel und taktilem Taxel einstellt. Es wurde ein System zur Wiedergabe von sowohl glatten als auch rauen Oberflachen und ein weiteres System zur Wiedergabe von Konturen aufgebaut. Da die Aktoren ihre optischen Eigenschaften verändern, haben die Displays damit zusätzlich auch eine visuelle, monochrome Funktionalität.:1 Einleitung 2 Präzisierte Problemstellung 3 Stand der Technik 3.1 Haptik 3.2 Kutane Displays 3.3 Taktile Wahrnehmung als Grundlage kutaner Displays 3.3.1 Frequenzabhängigkeit der Hautwahrnehmung 3.3.2 Sensortypen der Haut 3.3.3 Zusammengesetzte Wahrnehmung und Wahrnehmbarkeitsschwellen 3.3.4 Auswahl des Aktorfunktionsprinzips 3.4 Grundlagen stimulisensitiver Hydrogele 3.4.1 Arten von Gelen 3.4.2 Thermodynamisches Gleichgewicht der Gelquellung 3.4.3 Quellkinetik: Zeitliche Beschreibung der Quellung 3.4.4 Herstellung von Hydrogelstrukturen 3.5 Erzeugung eines Temperaturprofils zur Aktorsteuerung 4 Herstellung des Aktorchips und Elementansteuerung 4.1 Trägersubstratherstellung 4.1.1 Trägersubstrat-Schichtaufbau: vereinfachtes Modell 4.1.2 Projektionsschicht 4.1.3 Herstellung einer transparenten Schicht definierter thermischer Eigenschaften 4.2 Aktorarrays auf Hydrogelbasis 4.3 Fotolithografischer Prozess 4.3.1 Belichtungseinheit 4.3.2 Lichtleistung und Uniformität 4.3.3 Fotolithografische Maske 4.3.4 Proximity-Belichtung – 1:1 Schattenprojektion 4.4 Hydrogelsynthese 4.4.1 Vernetzergehalt 4.4.2 Fotoinitiator 4.4.3 Losungsmittel- und Monomerkonzentration 4.4.4 Lösungsmittelqualitat und Temperatur 4.4.5 UV-Intensitat 4.4.6 Lithografische Hydrogelstrukturierung 4.4.7 UV-Belichtungszeit 4.4.8 Belichtungsprozess und Lichtleistung 4.4.9 Auswirkungen von Sauerstoff auf die Hydrogelstruktur 4.5 Strukturierungsgrenze 4.6 Haftvermittlung zwischen Hydrogelaktoren und Tragersubstrat 4.7 Thermische Aktorsteuerung 4.7.1 Temperatursteuerung im Quellungsgleichgewicht 4.7.2 Quellverhalten bei schneller Temperaturanderung und kurzer Quellzeit 4.8 Fertigungstechnologie fur Grosflächenmikrostrukturierung 4.8.1 Herstellung von Grosflächenmaster 4.8.2 Elastische Displayabdeckung 4.8.3 Mikrofluidische Quellmittelversorgung des Aktorchips 5 Optoelektrothermischer Controller 5.1 Konzept Warmesteuerung durch Licht 5.2 Aktorchip-Aufnahmeeinheit mit Licht-Wärme-Umwandlung 5.3 Mechanischer und optischer Aufbau 5.4 Zusatzoptik für Projektion auf 2,5 Zoll Displaydiagonale 5.5 Umlenkspiegel 5.6 Leistungsparameter der verwendeten Projektions-Systeme 5.7 Projektorcharakteristik 5.8 Setup der Thermografiekamera 5.9 Optimierung und Charakterisierung der Aktorsteuerung 5.9.1 Design-, Betriebs- und Messgrosen der thermischen Steuerung 5.9.2 Dimensionierung und Optimierung der thermischen Steuerung 5.9.3 Zeitliche und räumliche Auflösung der Aktorsteuerung 5.9.4 Optische Temperaturbestimmung durch Kontrastfunktion 6 Multimodales Display 6.1 Displayfunktionen 6.1.1 Basisaktorchip als Aktorarray mit Substrat und Abdeckung 6.1.2 Monochrome Displayfunktion 6.1.3 Ausgabe taktiler Oberflächeneigenschaften 6.1.4 Taktile Kantenhervorhebung der Kontur 6.2 Kombinierte Monochrom und Displacementfunktionalität 7 Zusammenfassung 8 Ausblic

Intermodale Displays auf Basis intrinsisch aktiver Polymere

Der in dieser Arbeit verfolgte Ansatz ermöglicht die generelle Herstellung taktiler Displays mit fotolithographischen Methoden. Dabei werden alle Aktorelemente Schicht für Schicht und gleichzeitig während des Herstellungsprozesses erzeugt. Somit ist eine Miniaturisierung und Skalierung möglich, wie sie für Prozesse in der Halbleitertechnik üblich ist. Um die Aktorgröße jedes einzelnen Aktors zu kontrollieren, wurde das temperatursensitive Hydrogel Poly(N-Isopropylacrylamid) verwendet und zur Steuerung eine elektronikkompatible thermische Schnittstelle entwickelt. Dabei entsteht ein hochaufgelöstes thermisches Feld, welches aktorgenau den Zustand von jedem visuellen Pixel und taktilem Taxel einstellt. Es wurde ein System zur Wiedergabe von sowohl glatten als auch rauen Oberflachen und ein weiteres System zur Wiedergabe von Konturen aufgebaut. Da die Aktoren ihre optischen Eigenschaften verändern, haben die Displays damit zusätzlich auch eine visuelle, monochrome Funktionalität.:1 Einleitung 2 Präzisierte Problemstellung 3 Stand der Technik 3.1 Haptik 3.2 Kutane Displays 3.3 Taktile Wahrnehmung als Grundlage kutaner Displays 3.3.1 Frequenzabhängigkeit der Hautwahrnehmung 3.3.2 Sensortypen der Haut 3.3.3 Zusammengesetzte Wahrnehmung und Wahrnehmbarkeitsschwellen 3.3.4 Auswahl des Aktorfunktionsprinzips 3.4 Grundlagen stimulisensitiver Hydrogele 3.4.1 Arten von Gelen 3.4.2 Thermodynamisches Gleichgewicht der Gelquellung 3.4.3 Quellkinetik: Zeitliche Beschreibung der Quellung 3.4.4 Herstellung von Hydrogelstrukturen 3.5 Erzeugung eines Temperaturprofils zur Aktorsteuerung 4 Herstellung des Aktorchips und Elementansteuerung 4.1 Trägersubstratherstellung 4.1.1 Trägersubstrat-Schichtaufbau: vereinfachtes Modell 4.1.2 Projektionsschicht 4.1.3 Herstellung einer transparenten Schicht definierter thermischer Eigenschaften 4.2 Aktorarrays auf Hydrogelbasis 4.3 Fotolithografischer Prozess 4.3.1 Belichtungseinheit 4.3.2 Lichtleistung und Uniformität 4.3.3 Fotolithografische Maske 4.3.4 Proximity-Belichtung – 1:1 Schattenprojektion 4.4 Hydrogelsynthese 4.4.1 Vernetzergehalt 4.4.2 Fotoinitiator 4.4.3 Losungsmittel- und Monomerkonzentration 4.4.4 Lösungsmittelqualitat und Temperatur 4.4.5 UV-Intensitat 4.4.6 Lithografische Hydrogelstrukturierung 4.4.7 UV-Belichtungszeit 4.4.8 Belichtungsprozess und Lichtleistung 4.4.9 Auswirkungen von Sauerstoff auf die Hydrogelstruktur 4.5 Strukturierungsgrenze 4.6 Haftvermittlung zwischen Hydrogelaktoren und Tragersubstrat 4.7 Thermische Aktorsteuerung 4.7.1 Temperatursteuerung im Quellungsgleichgewicht 4.7.2 Quellverhalten bei schneller Temperaturanderung und kurzer Quellzeit 4.8 Fertigungstechnologie fur Grosflächenmikrostrukturierung 4.8.1 Herstellung von Grosflächenmaster 4.8.2 Elastische Displayabdeckung 4.8.3 Mikrofluidische Quellmittelversorgung des Aktorchips 5 Optoelektrothermischer Controller 5.1 Konzept Warmesteuerung durch Licht 5.2 Aktorchip-Aufnahmeeinheit mit Licht-Wärme-Umwandlung 5.3 Mechanischer und optischer Aufbau 5.4 Zusatzoptik für Projektion auf 2,5 Zoll Displaydiagonale 5.5 Umlenkspiegel 5.6 Leistungsparameter der verwendeten Projektions-Systeme 5.7 Projektorcharakteristik 5.8 Setup der Thermografiekamera 5.9 Optimierung und Charakterisierung der Aktorsteuerung 5.9.1 Design-, Betriebs- und Messgrosen der thermischen Steuerung 5.9.2 Dimensionierung und Optimierung der thermischen Steuerung 5.9.3 Zeitliche und räumliche Auflösung der Aktorsteuerung 5.9.4 Optische Temperaturbestimmung durch Kontrastfunktion 6 Multimodales Display 6.1 Displayfunktionen 6.1.1 Basisaktorchip als Aktorarray mit Substrat und Abdeckung 6.1.2 Monochrome Displayfunktion 6.1.3 Ausgabe taktiler Oberflächeneigenschaften 6.1.4 Taktile Kantenhervorhebung der Kontur 6.2 Kombinierte Monochrom und Displacementfunktionalität 7 Zusammenfassung 8 Ausblic

Rounding of Negative Dry Film Resist by Diffusive Backside Exposure Creating Rounded Channels for Pneumatic Membrane Valves

Processing of dry film resist is an easy, low-cost, and fast way to fabricate microfluidic structures. Currently, common processes are limited to creating solely rectangular channels. However, it has shown that rounded channels are necessary to ensure proper closing of pneumatic membrane valves for microfluidic devices. Here, we introduce a modification to the standard lithography process, in order to create rounded channels for microfluidic structures. Therefore, a diffuser element was inserted into in the optical path between the light source and glass substrate, which is then exposed through the backside, hence altering the exposure to the dry resist spatially. Characterization of the process was carried out with different exposure times, features sizes, and substrate thickness. The process modification is almost effortless and can be integrated in any lithography process

Improved PNIPAAm-Hydrogel Photopatterning by Process Optimisation with Respect to UV Light Sources and Oxygen Content

Poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAAm) hydrogels, known for their sensor and actuator capabilities, can be photolithographically structured for microsystem applications. For usage in microsystems, the preparation, and hence the characteristics, of these hydrogels (e.g., degree of swelling, size, cooperative diffusion coefficient) are key features, and have to be as reproducible as possible. A common method of hydrogel fabrication is free radical polymerisation using a thermally-initiated system or a photoinitiator system. Due to the reaction quenching by oxygen, the polymer solution has to be rinsed with protective inert gases like nitrogen or argon before the polymerisation process. In this paper, we focus on the preparation reproducibility of PNIPAAm hydrogels under different conditions, and investigate the influence of oxygen and the UV light source during the photopolymerisation process. The flushing of the polymer solution with inert gas is not sufficient for photostructuring approaches, so a glove box preparation resulting in better quality. Moreover, the usage of a wide-band UV light source yields higher reproducibility to the photostructuring process compared to a narrow-band UV source

Full Polymer Dielectric Elastomeric Actuators (DEA) Functionalised with Carbon Nanotubes and High-K Ceramics

Dielectric elastomer actuators (DEA) are special devices which have a simple working and construction principle and outstanding actuation properties. The DEAs consist of a combination of different materials for the dielectric and electrode layers. The combination of these layers causes incompatibilities in their interconnections. Dramatic differences in the mechanical properties and bad adhesion of the layers are the principal causes for the reduction of the actuation displacement and strong reduction of lifetime. Common DEAs achieve actuation displacements of 2% and a durability of some million cycles. The following investigations represent a new approach to solving the problems of common systems. The investigated DEA consists of only one basic raw polymer, which was modified according to the required demands of each layer. The basic raw polymer was modified with single-walled carbon nanotubes or high-k ceramics, for example, lead magnesium niobate-lead titanate. The development of the full polymer DEA comprised the development of materials and technologies to realise a reproducible layer composition. It was proven that the full polymer actuator worked according to the theoretical rules. The investigated system achieved actuation displacements above 20% regarding thickness, outstanding interconnections at each layer without any failures, and durability above 3 million cycles without any indication of an impending malfunction