结合微流控与微流变学技术测定软物质在多次相变过程中的流变特性

摘要

我们演示了一种微流控装置的制备与使用方法，该装置可实现多粒子追踪微流变测量，用于研究反复相变对软物质流变特性的影响。

摘要

软物质的微观结构直接影响其宏观流变特性，并可因先前相变过程中的胶体重排或施加的剪切作用等因素而发生变化。为确定这些变化的程度，我们开发了一种微流控装置，可在限制样品所受剪切的前提下，通过更换周围流体诱导多次相变，并实现微流变学表征。该技术为 µ²流变学，结合了微流控与微流变学技术。该微流控装置采用双层设计，具有对称的进样通道，液体流入样品室后可将凝胶样品固定在原位以实现流体交换。可通过在远离样品室的位置施加负压，驱动液体进入样品室。材料的流变特性通过多粒子追踪微流变学（MPT）进行表征。在MPT中，将荧光探针颗粒嵌入材料内部，利用视频显微镜记录探针的布朗运动。追踪颗粒的运动轨迹并计算均方位移（MSD）。通过广义斯托克斯-爱因斯坦关系式，将MSD与宏观流变特性相关联。材料的相态通过与临界松弛指数进行比较来确定，该指数由时间-固化叠加法获得。对一种纤维状胶体凝胶的测量结果展示了该技术的应用价值。这种凝胶具有精细的结构，在施加剪切力时可能发生不可逆改变。µ²流变学数据显示，该材料在每次相变后均反复恢复至相同的流变特性，表明相变并未参与微观结构的变化。为确定剪切的作用，可在将样品注入微流控装置前对其进行预剪切。µ²流变学是一种广泛应用的技术，可用于表征软物质，能够在单一样品中监测其在相变过程中，响应周围环境条件反复变化时精细微结构的流变特性。

引言

软物质中的相变可改变支架结构，这对材料的加工过程及最终稳定性具有重要意义^1,2,3。在动态相变过程中对软材料进行表征，能够提供关于结构演化与平衡结构及流变性能之间关系的关键信息。例如，许多家用护理产品在消费者使用过程中需要发生相变。此外，在制造过程中的稀释和混合等加工步骤可能引入剪切力，从而影响产品的流变性能和最终微观结构。理解相变全过程中的流变特性，有助于确保产品按设计性能发挥作用。此外，若在制造过程中外力改变了材料的初始流变性质，相变可能导致意外且不希望的结果，从而改变材料的预期功能和有效性。在临界凝胶点（定义为材料从缔合胶体或聚合物溶液转变为贯穿整个样品的凝胶网络的时刻），材料性能会随着缔合作用的微小变化而发生剧烈改变。在临界凝胶点处对结构的任何改变都可能影响最终产品⁴。在这些动态转变过程中，软材料具有较弱的力学性能，使用经典实验技术进行测量时，信号可能处于测量噪声极限范围内^5,6,7。为解决这一问题，常采用对低模量范围（10^-3 - 4 Pa）敏感的微流变技术，用于表征动态演化过程中的....

方案

1. 微流控装置的制备

1. 微流控印章的制备
   注意：此步骤需使用挥发性材料，应在化学通风橱中进行。
   1. 使用与载玻片（75×50 mm）尺寸相同的负片打印设计，通道部分为白色，背景为黑色（见图1）。将该设计以1200 dpi分辨率打印在透明醋酸纤维片（透明胶片）上。
   2. 若透明胶片的暗区仍允许光线透过，可叠加多张负片，并使用双面胶带固定。
   3. 打开高强度紫外（UV）光源，预热至输出稳定（约30分钟）。
      注意：使用高强度UV光源时应佩戴防紫外线护目镜。
   4. 准备三个150 mL的培养皿，分别装入丙酮、乙醇和蒸馏水。
   5. 将一张空白透明胶片放置在靠近高强度UV光源但不在其正下方的平坦表面上，作为微流控印章的制备基底。
   6. 用永久性记号笔在空白透明胶片中央标出75 × 50 mm载玻片四个角的位置，并在所标矩形的四个角放置四块玻璃垫片（约30 × 30 × 1 mm）。
   7. 在垫片中央滴加约5 mL的UV固化硫醇-烯树脂，然后小心地将一块75 × 50 × 1 mm的载玻片盖在玻璃垫片上，确保树脂完全被载玻片覆盖且无气泡。
   8. 将印有负片的透明胶片置于载玻片上方，通过小心拖动底部空白透明胶片，将所有组件（从下至上：空白透明胶片、玻璃垫片和UV胶、载玻片....

结果

采用PDMS构建一个双层微流控装置（图1a,b），PDMS在微流控印章上进行图案化，印章的设计如图1c所示。不正确的实验设置可能导致被动微流变学测量误差以及在周围液体交换过程中的微流控流动异常（图2）。不正确实验设置的示例详见讨论部分。在装置运行过程中，凝胶样品周围的液体被更换。该液体交换过程可在材料处于凝胶相和溶胶相时均进行。该微流控装置的设计能够在不显著损失凝胶材料及嵌入的示踪微粒的前提下实现液体交换。本研究采用两种液体交换方式：重力流（由低密度液体向高密度液体更换时使用）和抽吸流（由高密度液体向低密度液体更换时使用）。在我们的HCO凝胶体系中，采用抽吸流诱导降解，而采用重力流诱导成胶。两种流动方式对样品施加的剪切力均极小，抽吸流和重力流产生的剪切应力分别约为0.01 Pa和1 Pa。这些剪切应力均低于凝胶的屈服应力（约10.......

讨论

这种双层微流控装置（图1）可依据已有详细记录的微流控 fabrication 技术轻松制备²⁹。在装置底部添加玻璃支撑以减少探针运动时的振动影响。玻璃载片非常薄（0.10 mm），以便适应显微镜物镜的工作距离。然而，这也使得装置容易受到实验环境及建筑物中微小振动的影响，而这些振动会被高速相机检测到。玻璃支撑能有效消除这些外部干扰。选择短工作距离的物镜是为了获取精确的MPT数据，这需要满足以下两个条件：（1）每个粒子至少占据4个像素；（2）有限的工作距离，以避免成像不在二维平面上的粒子。

该装置的设计（图1a-c）基于先前将微流变学与微流控技术相结合的研究。Schultz 和 Furst 开发了 µ²流变学技术，并采用了与本研究相同的微流控器件制备方法。他们的装置旨在生成50至100个水凝胶样品，各样品由连续相分隔，并在聚合物主链和交联剂浓度上形成梯度

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
150 x 15 mm 培养皿	Corning, Inc.	351058
75 x 50 x 0.15 mm 玻璃载片	Fisher Scientific	Custom
75 x 50 x 1.0 mm 玻璃载片	Fisher Scientific	12-550-C
75 x 25 x 1.0 mm 玻璃载片	Fisher Scientific	12-550-A3
22 x 22 玻璃盖玻片	Fisher Scientific	12-542-B
丙酮，99.5%	VWR Analytical	67-64-1
低强度紫外光源	UVP	UVL-56
氯仿，99.9%	Fisher Chemical	C298-500
棉签	Q-tips	83289205
乙醇，90%	Fisher Chemical	A962-4
Fluoresbrite® YG 羧基微球 0.50µm	Polysciences, Inc.	15700-10
高强度紫外灯	Spectroline Corp.	SB-100P
加热板	Corning, Inc.	PC-420
盐酸，6N	Ricca Chemical Company	3750-32
甲基三乙氧基硅烷，98%	Acros Organics	174622500
微量离心机	Eppendorf	5424
等离子清洗仪	Harrick Plasma, Inc.	PDC-32G
聚二甲基硅氧烷 (PDMS)	Robert McKwown Company	2065622
超声波清洗器	Branson, Emerson Electric	1800
钢制连接器，内径 0.023 英寸	New England Small Tube Corp.	Custom
四乙氧基硅烷，98%	Alfa Aesar	A14965
硫醇-烯树脂（紫外光固化）	Norland Products, Inc.	NOA81
透明胶片	Staples Inc.	21828
Tygon 管，内径 1/32 英寸	McMaster-Carr	E-3603
真空烘箱	Fisher Scientific	282A
8 mm 活检打孔器	World Precision Instruments	504535
0.5 mm 活检打孔器	World Precision Instruments	504528
30 mL 注射器	BD	309659
3 mL 注射器	BD	309651
18 号针头	BD	305195
微量离心管，1.5 mL	Eppendorf	22-36-320-4
高速相机	Vision Research	Miro M120
显微镜	Carl Zeiss AG	Zeiss Observer, Z1
注射泵	New Era Pump Systems	NE-300
氢化蓖麻油	Procter & Gamble	N/A
Afício MP 6002 打印机	Ricoh Company, Ltd.	415877