اختﻻق قطرات اللزوجة عالية باستخدام "جهاز الشعرية موائع جزيئية" مع "هيكل تدفق" المشارك عكس المرحلة
April 17th, 2018
ويتجلى جهاز تدفق المشارك انعكاس مرحلة لتوليد مونوديسبيرسي عالية اللزوجة قطرات أعلاه 1 نظام تقييم الأداء، التي من الصعب أن ندرك في ميكروفلويديكس الحبرية.
الهدف العام من هذا الإجراء هو توليد قطرات أحادية عالية اللزوجة مع لزوجة أعلى من ثانية باسكال واحدة ومرحلة مستمرة منخفضة اللزوجة عبر انعكاس الطور في جهاز بسيط للتدفق المشترك. يمكن لهذه الطريقة أن تحل المشكلة الرئيسية في مجال الموائع الدقيقة بالقطرات حول التلاعب بالسوائل عالية اللزوجة بطبيعتها مثل محاليل البوليمر عالية الجلسرين ومعلقات الجسيمات النانوية. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنها تولد في البداية قطرات منخفضة اللزوجة يسهل تشكيلها والتحكم فيها من القطرات عالية اللزوجة.
يتم تحفيز إصدار المراحل اللاحق لتوليد قطرات عالية اللزوجة عندما تتدفق القطرات منخفضة اللزوجة من مخرج هيكل التدفق المشترك. سيعرض الإجراء السيد Zhongnan Li ، طالب دراسات عليا من جامعة Tsinghua. لبدء تحضير الجهاز ، استخدم كاتب كربيد التنجستن لقطع أنبوب زجاجي دائري بطول ثلاثة سنتيمترات بقطر داخلي وخارجي يبلغ 580 ميكرومتر ومليمتر واحد على التوالي.
سيشكل هذا الأنبوب الأوسط للجهاز. لعمل الأنبوب الداخلي للجهاز ، قم بقص أنبوب زجاجي دائري بطول سنتيمترين بقطر داخلي وخارجي يبلغ 200 و 330 ميكرومتر على التوالي. ضع ملليلتر واحد من ODTS في أنبوب طرد مركزي سعة 1.5 ملليلتر.
اغمر أحد طرفي الأنبوب الأوسط في ODTS لمدة 10 ثوان. ثم اغسل الأنبوب بغاز النيتروجين من الطرف غير المعالج حتى يجف الأنبوب. بعد ذلك ، استخدم شفرة لقطع شق 0.5 ملم × 0.5 ملم.
على حافة محور Luer البلاستيكي لإبرة حادة مقاس 20 نصف بوصة ، قم بقطع شق 0.5 ملم × 0.5 ملم وشق واحد ملليمتر في ملليمتر واحد مقابل بعضهما البعض مباشرة على محور إبرة ثانية. ثم ضع الأنبوب الأوسط بالطول على شريحة مجهر زجاجية قياسية مع امتداد الطرف المطلي ب ODTS الكارهة للماء الذي يمتد حوالي سنتيمتر واحد عبر الطرف الضيق للشريحة. أدخل الأنبوب الداخلي في الطرف غير المعالج للأنبوب الأوسط مع ترك حوالي سنتيمتر واحد من الأنبوب الداخلي خارج الأنبوب الأوسط.
استخدم الايبوكسي لتثبيت الأنابيب في مكانها على طول الخط المركزي للشريحة. للحصول على أداء أفضل ، اضبط موضع الأنبوب الداخلي ليكون مركزا تقريبا على الأنبوب الأوسط. بمجرد أن يتم ضبط الإيبوكسي ، ضع الإبرة ذات الشق الفردي فوق نهاية الأنبوب الداخلي بحيث يتناسب الأنبوب مع الشق.
ثبت الإبرة في مكانها باستخدام الايبوكسي لتشكيل مدخل الزيت منخفض اللزوجة. ثم قم بتثبيت الإبرة ذات الحفر المزدوج فوق التقاطع بين الأنابيب الداخلية والوسطى لتشكيل مدخل المحلول المائي عالي اللزوجة. استخدم الايبوكسي لإغلاق محاور الإبرة حول الأنابيب والركيزة الزجاجية.
للتأكد من أن إبرة المدخل عالية اللزوجة تجلس بإحكام على الركيزة ، قم بتركيب الأنبوب الأوسط في الشق الكبير والأنبوب الداخلي في الشق الصغير. بعد أن يجف الإيبوكسي ، قم بتركيب أنبوب بولي إيثيلين بطول 20 ملم بقطر داخلي يبلغ 0.86 ملم فوق الطرف الكارهة للماء للأنبوب الأوسط لإكمال الجهاز. لبدء العملية ، ارسم 0.8 مل من الجلسرين الملون بصبغة زرقاء في حقنة سعة مليلتر واحد.
اسحب 0.8 مل من زيت البارافين الخفيف في حقنة ثانية سعة مليلتر. قم بتوصيل حقنة الجلسرين بمدخل المحلول المائي عالي اللزوجة للجهاز عبر أنابيب البولي إيثيلين بقطر داخلي يبلغ 0.86 ملم. قم بتوصيل حقنة البارافين السائلة بمدخل الزيت منخفض اللزوجة.
قم بتركيب كلتا المحاقن على مضخات الحقنة. ثم استخدم مشبك بإصبعين وحامل مختبر لتثبيت الجهاز عموديا فوق طبق بتري مقاس 35 ملم. اضبط موضع الجهاز بحيث تكون نهاية أنبوب المخرج أعلى من قاع الطبق بحوالي ملليمترين.
صب كمية كافية من البارافين السائل في طبق بتري لغمر مخرج الجهاز فقط. أضف نفس الكمية من البارافين السائل إلى طبق بتري ثان مقاس 35 ملم. اضبط معدل تدفق مضخة حقنة الجلسرين على ميكرولتر في الدقيقة.
اضبط معدل تدفق مضخة حقنة البارافين السائلة على ستة ميكرولتر في الدقيقة. قم بتشغيل كلتا المضختين لبدء توليد قطرات الجلسرين. راقب توليد القطرات بالكاميرا إذا رغبت في ذلك.
انتظر حوالي دقيقة واحدة حتى يستقر تدفق الجلسرين والبارافين السائل بدرجة كافية لتشكيل قطرات جلسرين موحدة. ثم استبدل طبق بتري الموجود أسفل مخرج الجهاز بالطبق الثاني المملوء بالبارافين السائل لجمع القطرات الموحدة. تم إنشاء قطرات الجلسرين أحادية التشتت بواسطة أجهزة التدفق المشترك للانعكاس الطور مع أنابيب متوسطة بأقطار 200 أو 500 ميكرومتر.
كما تم إنشاء قطرات أحادية التشتت من سوائل أخرى عالية اللزوجة بما في ذلك العسل ومحلول النشا ومحلول كحول البولي فينيل. يبلغ متوسط قطر قطرات الجلسرين الناتجة عن الجهاز 500 ميكرومتر بمعدلات تدفق الزيت والجلسرين 30 و 10 ميكرولتر في الدقيقة على التوالي 521 ميكرومتر. يبلغ متوسط قطر قطرات الجلسرين الناتجة عن جهاز 200 ميكرومتر بنفس معدلات التدفق 212 ميكرومتر.
تم العثور على حجم قطرات الجلسرين يتغير مع الاختلافات في نسبة معدل تدفق الزيت إلى معدل تدفق الجلسرين. أدت زيادة معدل تدفق الزيت مع الحفاظ على معدل تدفق الجلسرين ثابتا إلى انخفاض في حجم الجسيمات. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية صنع قطرات أحادية عالية اللزوجة باستخدام جهاز التدفق المشترك انعكاس الطور.
على عكس أجهزة التدفق المشترك الشائعة ، لا تحتاج إلى تفتق الشعيرات الدموية الزجاجية الداخلية إلى طرف حاد لصنع جهاز التدفق المشترك لانقلاب الطور. يمكن استخدام جهاز التدفق المشترك للانعكاس الطور لتوليد قطرات عالية اللزوجة مع لزوجة ديناميكية تصل إلى 12 ثانية باسكالية. بمجرد إتقانها ، يمكن القيام بهذه التقنية في 30 دقيقة إذا تم إجراؤها بشكل صحيح.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
نظرة عامة
توضح هذه الدراسة جهازًا مشتركًا لعكس الطور قادر على توليد قطرات عالية اللزوجة أحادية التشتت تتجاوز 1 باسكال. يعالج هذا التقدم التحديات في مجال الميكروفلويديكات القطرية، خاصة مع السوائل عالية اللزوجة.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلوم
- الميكروفلويديكات
- ديناميات السوائل
- توليد القطرات
الخلفية
- تشكل السوائل عالية اللزوجة تحديات في مجال الميكروفلويديكات القطرية.
- تكافح الطرق التقليدية في معالجة مثل هذه السوائل.
- يمكن لتقنيات عكس الطور تعزيز تكوين القطرات.
- من الأسهل التحكم في القطرات منخفضة اللزوجة مقارنة بالقطرات عالية اللزوجة.
هدف الدراسة
- توليد قطرات عالية اللزوجة أحادية التشتت.
- استخدام جهاز ميكروفلويديك مشترك بسيط.
- تحسين معالجة السوائل عالية اللزوجة.
الطرق المستخدمة
- جهاز ميكروفلويديك مشترك لعكس الطور.
- إعداد أنبوب زجاجي بأبعاد محددة.
- توليد أولي للقطرات منخفضة اللزوجة.
- تحفيز قطرات عالية اللزوجة من قطرات منخفضة اللزوجة.
النتائج الرئيسية
- توليد ناجح للقطرات عالية اللزوجة أحادية التشتت.
- تبيان الإجراء من قبل السيد تشونغنان لي.
- تحقق التحكم الفعّال في السوائل عالية اللزوجة.
- سهولة التحكم في القطرات منخفضة اللزوجة وتسهيل تكوينها.
الاستنتاجات
- يعد جهاز عكس الطور المشترك فعّالًا لتوليد قطرات عالية اللزوجة.
- تعالج هذه الطريقة التحديات الرئيسية في مجال الميكروفلويديكات القطرية.
- قد تتوسع التطبيقات المستقبلية لتشمل عمليات معالجة مختلفة للسوائل عالية اللزوجة.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Generating monodisperse high-viscosity droplets remains a persistent challenge in droplet-based applications, particularly for viscous formulations in drug delivery and materials synthesis. This phase-inversion co-flow method enables reliable production of uniform droplets from fluids exceeding 1 Pas viscosity, addressing a key bottleneck in handling high-viscosity actives and excipients. By leveraging initial low-viscosity droplet formation followed by controlled phase inversion, the approach improves process robustness and reproducibility for downstream biopharma workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables encapsulation of high-viscosity bioactive compounds for screening assays requiring precise dosing.
- Operational Value: Facilitates formulation screening of viscous drug candidates without complex emulsification.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Produces monodisperse droplets ensuring consistent reaction kinetics in high-throughput screening.
- Operational Value: Supports standardized droplet generation for assay miniaturization and reagent conservation.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Allows preparation of uniform drug-loaded droplets for in vivo efficacy and pharmacokinetic studies.
- Operational Value: Enables scalable production of viscous formulations for preclinical toxicity and biodistribution testing.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within early discovery to preclinical stages, supporting hypothesis testing of viscous formulations and enabling standardized assay inputs for lead optimization.
- Discovery Biology: Supports interrogation of therapeutic hypotheses involving viscous macromolecules or nanoparticle suspensions.
- Screening: Delivers reproducible droplet sizes critical for comparing compound behavior across conditions.
- Analytics: Provides quantitative size and uniformity metrics to evaluate formulation performance.
- Translational Research: Connects discovery-stage droplet generation to preclinical continuity through consistent physicochemical properties.
- Enterprise Reuse: Offers a modular microfluidic platform adaptable to various high-viscosity systems across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence by reducing variability in droplet-based assays.
- Operational Value: Improves reproducibility and scalability of viscous fluid handling in microfluidic workflows.
- Strategic Value: Supports better go/no-go decisions by enabling reliable assessment of high-viscosity drug candidates.
- Portfolio Impact: Reduces late-stage formulation risk through early-stage de-risking of viscous active ingredients.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device assembly and surface treatment techniques.
- Depends on precision fluid control systems such as syringe pumps for flow rate regulation.
- Necessitates optical monitoring capabilities for droplet generation visualization and quality control.
- Involves material compatibility assessment for ODTS coating and epoxy sealing with target fluids.
- Limited by the need for immiscible fluid pairs and wettability control at the device exit.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
1:06
Construction of a Phase-inversion, Co-flow Capillary Device for FabricatingAqueous High-viscosity Droplets with a Diameter of ~500 μm
4:04
Generating and Collecting Glycerol Droplets in Liquid Paraffin
6:06
Results: Generation of Monodisperse Aqueous High-viscosity Droplets
7:13
Conclusion
