Kombination von Mikrofluidik und Microrheology während wiederholter Phasenübergänge rheologische Eigenschaften der weichen Materie ermitteln

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, mit Hilfe der Mikrofluidik aufeinanderfolgende Phasenübergänge in einer einzigen Probe weicher Materie zu induzieren, indem die umgebende Flüssigkeit ausgetauscht wird, während gleichzeitig Änderungen der rheologischen Eigenschaften mit Hilfe der Mikrorheologie mit Hilfe mehrerer Partikelverfolgungsmikrorheologie gemessen werden. Diese Methode kann Schlüsselfragen im Bereich der weichen Materie beantworten, wie z. B. den Einfluss von Phasenübergängen, einschließlich molekularer oder kolloidaler Umlagerung, auf die dynamischen rheologischen Eigenschaften. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass die Probe während mehrerer Phasenübergänge an Ort und Stelle bleibt, was eine Echtzeit-Charakterisierung ermöglicht.

Dies ermöglicht die Quantifizierung rheologischer Eigenschaften, insbesondere einzigartiger Eigenschaften in heterogenen Systemen. Um den Vorgang zu starten, drucken Sie das Negativ des mikrofluidischen Geräts auf eine durchsichtige Acetatplatte und erwärmen Sie eine hochintensive UV-Lampe. Zeichnen Sie auf einer zweiten durchsichtigen Acetatplatte die Ecken eines 75 Millimeter x 50 Millimeter großen Objektträgers nach.

Platzieren Sie einen Millimeter hohe Glasabstandshalter an den Ecken. Gießen Sie etwa fünf Milliliter UV-härtendes Thiol-en-Harz in die Mitte der Abstandshalter. Legen Sie vorsichtig einen 75 Millimeter x 50 Millimeter x 1 Millimeter großen Objektträger auf die Abstandshalter, um das Harz abzudecken.

Stellen Sie sicher, dass sich keine Luftblasen zwischen dem Objektträger und dem Harz befinden. Legen Sie das gedruckte Negativ auf das Objektträger. Ziehen Sie die Baugruppe vorsichtig unter die UV-Lampe und lassen Sie das Harz 45 Sekunden lang aushärten.

Schieben Sie dann die Baugruppe von der UV-Lampe weg und entfernen Sie den gemusterten Glasobjektträger oder den mikrofluidischen Stempel. Tauchen Sie den mikrofluidischen Stempel nicht länger als 10 Sekunden in Aceton und tauchen Sie den Stempel dann für die gleiche Zeit in Ethanol. Wiederholen Sie diese Immersionssequenz einmal.

Tauchen Sie dann den Stempel in destilliertes Wasser. Verwenden Sie mit minimalen Handbewegungen ein Wattestäbchen, um das restliche, nicht umgesetzte Harz zu entfernen, ohne das ausgehärtete Harz zu berühren. Setze das Wattestäbchen wieder ein, wenn es mit Wasser gesättigt ist.

Härten Sie den Stempel weitere 30 Minuten unter UV-Licht aus. Mischen Sie dann 70 Gramm PDMS-Base mit Vernetzungsmittel im Verhältnis eins zu 10 und entgasen Sie das PDMS eine Stunde lang oder bis das PDMS nicht mehr trüb ist. Legen Sie den mikrofluidischen Stempel mit der Vorderseite nach oben in eine 150 Millimeter große Petrischale aus Kunststoff.

Gießen Sie das PDMS langsam in die Schale und gießen Sie es nahe an die Oberfläche der Schüssel, um die Blasenbildung zu minimieren und den Stempel vollständig zu bedecken. Decken Sie die Petrischale ab und härten Sie das PDMS über Nacht bei 55 Grad Celsius aus. Schneiden Sie mit einem Messer das überschüssige PDMS ab.

Trennen Sie das gemusterte PDMS von Hand vom Stempel. Entfernen Sie den Stempel und das überschüssige PDMS von der Petrischale. Legen Sie dann die Schale auf ein Blatt Papier, auf dem die Positionen der symmetrischen Außenlöcher für die Probenkammer bedruckt sind.

Richten Sie das gemusterte PDMS an der Schablone aus und stanzen Sie mit einem 5-Millimeter-Biopsiestanzer an den markierten Stellen Löcher durch das PDMS. Das Hauptmerkmal dieses Geräts ist die Symmetrie zwischen den Einlasskanälen und der gleichen Kammer. Dies ermöglicht den Austausch von Flüssigkeit ohne Probenverlust.

Es ist wichtig, ein Führungsmuster zu verwenden, um die Genauigkeit beim Schneiden der Kanäle zu gewährleisten. Zum Schluss stanzen Sie ein Loch in die Mitte der Probenkammer, an den inneren Rand der Saugkammer und an jedes Ende der langen äußeren Kanäle. Decken Sie die Petrischale ab, wenn Sie das gemusterte PDMS aufbewahren.

Bereiten Sie einen Tag vor der Montage des Geräts die vorumgewandelte Flüssigkeit vor, die zur Erstellung von Glaswänden im mikrofluidischen Gerät verwendet wird. Um mit der Montage des Geräts zu beginnen, behandeln Sie das gemusterte PDMS und einen dünnen Objektträger 40 Sekunden lang mit Plasma. Drücken Sie die plasmabehandelten Flächen des Objektträgers und das gemusterte PDMS vorsichtig zusammen.

Tragen Sie UV-härtendes Harz auf die Naht zwischen dem PDMS und dem Objektträger auf und härten Sie das Harz fünf Minuten lang unter schwachem UV-Licht aus. Führen Sie als Nächstes thermoplastische Schläuche mit Edelstahlverbindern in alle bis auf ein Eckloch des gemusterten PDMS ein. Verbinden Sie eine Drei-Milliliter-Spritze mit vorumgewandelter Flüssigkeit mit einer 18-Gauge-Nadel, einem thermoplastischen Schlauch und einem Verbindungsstück mit dem letzten Loch.

Füllen Sie das mikrofluidische Gerät mit vorumgewandelter Flüssigkeit. Stellen Sie dann das Gerät auf eine auf 100 Grad Celsius erhitzte Heizplatte und lassen Sie im Laufe von 10 Sekunden drei Milliliter vorumgewandelte Flüssigkeit durch das Gerät fließen, um die Glaswände herzustellen. Nehmen Sie dann das Gerät von der Kochplatte.

Verwenden Sie eine 30-Milliliter-Spritze mit Luft, um überschüssige vorumgewandelte Flüssigkeit auszustoßen. Lassen Sie langsam 15 Milliliter Chloroform durch das Gerät fließen, gefolgt von 30 Millilitern Ethanol, jeweils im Laufe von etwa einer Minute. Drücken Sie dann Luft durch das mikrofluidische Gerät, bis sie trocken ist.

Entfernen Sie den Schlauch aus den Löchern. Anschließend befestigen Sie mit UV-härtendem Harz einen Millimeter dicke Glasstreifen an den Unterseiten der Längskanten des Geräts. Schneiden Sie ein 30 x 30 Millimeter großes Stück überschüssiges ausgehärtetes PDMS und stanzen Sie ein Loch, das breiter als die Probenkammer in der Mitte ist, um das Lösungsmittelbecken zu bilden.

Plasma behandeln das Becken und das mikrofluidische Gerät für 40 Sekunden. Platzieren Sie die plasmabehandelte Fläche des Beckens auf dem Gerät, wobei die Probenkammer in der Mitte des Lochs liegt. Üben Sie leichten Druck aus, um das Becken am Gerät zu befestigen.

Schneiden Sie zum Schluss sechs Fünf-Millimeter-Quadrate aus dem überschüssigen PDMS aus. Verwende einen 5-Millimeter-Biopsiestanzer, um ein Loch in die Mitte jedes Quadrats zu schneiden. Führen Sie in jedes Loch einen Edelstahlstecker ein, um die PDMS-Stopper zu bilden.

Nachdem Sie die Probe der weichen Materie in eine Ein-Milliliter-Spritze geladen haben, führen Sie einen thermoplastischen Schlauch in drei der Eckeinlasskanäle des Geräts und den Auslass der Saugkammer ein. Füllen Sie eine weitere Spritze mit entionisiertem Wasser. Befestigen Sie einen thermoplastischen Schlauch an der Spritze und stoßen Sie alle Luftblasen aus.

Verbinden Sie die Spritze mit dem Einlasskanal an der vierten Ecke. Füllen Sie das Gerät und das Lösungsmittelbecken mit entionisiertem Wasser. Stellen Sie sicher, dass sich keine Blasen in der Probenkammer oder in den mikrofluidischen Kanälen befinden.

Füllen Sie das Wasser im Lösungsmittelbecken bei Bedarf mit einer Transferpipette auf. Es ist wichtig, dass das mikrofluidische Gerät korrekt eingerichtet ist. Am wichtigsten ist, dass sich keine Luftblasen im Gerät befinden, da diese sowohl den mikrofluidischen Fluss als auch die mikrorheologischen Daten stören können.

Injizieren Sie dann 10 Mikroliter der Weichmasseprobe über den mittleren Einlass mit etwa zwei Mikrolitern pro Sekunde in die Probenkammer. Verschließen Sie den mittleren Einlass nach dem Laden der Probe. Nehmen Sie mit einem inversen Mikroskop und einer Hochgeschwindigkeitskamera mindestens 20 Videos der Brownschen Bewegung der Sonden in der Probenmischung über Zeitintervalle auf, die für die Dauer des Phasenübergangs geeignet sind.

Für die Gelierung fahren Sie mit der Videoaufzeichnung fort, bis die Bewegung der Sonde vollständig gestoppt ist. Um eine Degradation zu erzielen, fahren Sie mit der Videoaufzeichnung fort, bis die Sonden vollständig diffus sind. Nehmen Sie dann das Gerät vom Mikroskoptisch.

Um das Wasser gegen eine Flüssigkeit mit höherer Dichte auszutauschen, ziehen Sie das Wasser mit einer Transferpipette aus dem Lösungsmittelbecken und pipettieren Sie vier Milliliter der Flüssigkeit mit höherer Dichte in das Becken. Stellen Sie das Gerät wieder auf den Mikroskoptisch und fahren Sie mit der Videoaufnahme fort. Um eine Flüssigkeit mit höherer Dichte gegen Wasser oder eine andere Flüssigkeit mit geringerer Dichte auszutauschen, schließen Sie eine Spritze über eine 18-Gauge-Nadel und einen thermoplastischen Schlauch an den Saugkammerkanal an.

Montieren Sie die Spritze auf eine Spritzenpumpe, die so eingestellt ist, dass sie mit einem Milliliter pro Minute entnimmt. Pipettieren Sie den größten Teil der Flüssigkeit mit hoher Dichte aus dem Lösungsmittelbecken und spülen Sie das Becken dreimal mit der Flüssigkeit mit niedriger Dichte aus, ohne dass das Becken vollständig abläuft. Füllen Sie das Becken nach dem Spülen mit Flüssigkeit geringer Dichte.

Füllen Sie eine Transferpipette mit der Flüssigkeit mit geringer Dichte. Verwenden Sie dann die Spritzenpumpe, um die Flüssigkeit mit hoher Dichte eine Minute lang zu entnehmen. Geben Sie die Flüssigkeit mit niedriger Dichte nach Bedarf während des Flüssigkeitswechsels tropfenweise in das Becken.

Verschließen Sie dann die Saugkammer und stellen Sie das Gerät zur Aufzeichnung wieder auf den Mikroskoptisch. Auf diese Weise können Videos von Degradationsgelierungszyklen für die gewünschte Anzahl von Zyklen oder bis zur unzureichenden Anzahl von Sonden für die Messung aufgenommen werden. Die ensemblegemittelte mittlere quadratische Verschiebung der Sondenpartikeltrajektorien wurde während sukzessiver Phasenübergänge eines hydrierten Rizinusölsystems zwischen Gel und Sol verfolgt.

Die Gelierung wurde durch Schwerkraftströmung induziert, der Austausch von Wasser gegen ein Geliermittel mit höherer Dichte. Die Degradation wurde durch den Saugstromtausch des Geliermittels gegen Wasser induziert. Die Probenkammer wurde erneut mit Wasser gespült, wenn das Phasenverhalten darauf hindeutete, dass das Geliermittel nicht vollständig aus der Kammer entfernt worden war.

Es wurden keine Veränderungen der rheologischen Eigenschaften beobachtet, wenn die Probe etwa 600 Minuten lang in der Solphase ohne Flüssigkeitsaustausch belassen wurde. Wiederholte Phasenübergänge induzierten keine beobachtbaren Änderungen der rheologischen Gleichgewichtseigenschaften, wie die logarithmischen Steigungen der MSD-Kurven oder alpha zeigen, die für jede Phase auf die gleichen Werte zurückkehrten. Der Gleichgewichts-Alpha-Wert der Solphase lag bei weniger als 1,0, was darauf hindeutet, dass das Material auch nach der Degradation eine gewisse Struktur behielt.

Das Gel erfuhr eine Zunahme der strukturellen Heterogenität während des Übergangs zwischen Gel und Sol, was durch die nicht-Gaußschen Parameterpeaks während der Abbauzyklen angezeigt wird. Eine kolloidale Umlagerung kann unmittelbar nach dem Flüssigkeitsaustausch auftreten, was durch einen Anstieg des Alpha-Spiegels angezeigt wird. Wir hatten zunächst die Idee für diese Methode, um festzustellen, ob Phasenübergänge dauerhafte Veränderungen der rheologischen Eigenschaften und der Mikrostruktur eines weichen Materials verursachen.

Im HCO-System ermöglichte dieses Gerät die Messung von zwei möglichen Mechanismen für diese dauerhaften Veränderungen: die kolloidale Umlagerung während der Phasenübergänge oder die während der Probenvorbereitung induzierte Scherung. Sobald diese Technik beherrscht ist, kann sie verwendet werden, um die rheologischen Eigenschaften eines Systems weicher Materie über viele Phasenübergänge als Reaktion auf Veränderungen in der umgebenden Fluidumgebung zu identifizieren.