Fabricación de gotas de alta viscosidad usando dispositivos capilares microfluídicos con estructura de flujo de co inversión de fase

El objetivo general de este procedimiento es generar gotas monodispersas de alta viscosidad con viscosidades superiores a un pascal por segundo y una fase continua de baja viscosidad mediante inversión de fase en un dispositivo microfluídico de coflujo simple. Este método puede resolver el problema clave en el campo de la microfluídica de gotas sobre la manipulación de fluidos inherentemente de alta viscosidad, como soluciones de polímeros con alto contenido de glicerol y suspensiones de nanopartículas. La principal ventaja de esta técnica es que inicialmente genera gotas de baja viscosidad que son más fáciles de formar y controlar que las gotas de alta viscosidad.

La versión de fase posterior para generar gotas de alta viscosidad se induce cuando las gotas de baja viscosidad fluyen desde la salida de una estructura de coflujo. El Sr. Zhongnan Li, estudiante graduado de la Universidad de Tsinghua, demostrará el procedimiento. Para comenzar a preparar el dispositivo, use un trazador de carburo de tungsteno para cortar una longitud de tres centímetros de un tubo de vidrio redondo con un diámetro interior y exterior de 580 micrómetros y un milímetro respectivamente.

Esto formará el tubo central del dispositivo. Para hacer el tubo interior del dispositivo, corte una longitud de dos centímetros de un tubo de vidrio redondo con un diámetro interior y exterior de 200 y 330 micrómetros respectivamente. Coloque un mililitro de ODTS en un tubo de centrífuga de 1,5 mililitros.

Sumerja un extremo del tubo central en el ODTS durante 10 segundos. A continuación, enjuague el tubo con gas nitrógeno desde el extremo no tratado hasta que el tubo esté seco. A continuación, utilice una cuchilla para cortar una muesca de 0,5 milímetros por 0,5 milímetros.

En el borde del cubo Luer de plástico de una aguja roma de media pulgada de calibre 20, corte una muesca de 0,5 milímetros por 0,5 milímetros y una muesca de un milímetro por un milímetro directamente una frente a la otra en el cubo de una segunda aguja. A continuación, coloque el tubo central a lo largo en un portaobjetos de microscopio de vidrio estándar con el extremo recubierto de ODTS hidrofóbico que se extienda aproximadamente un centímetro más allá del extremo estrecho del portaobjetos. Inserte la cámara de aire en el extremo no tratado de la cámara central, dejando aproximadamente un centímetro de la cámara de aire fuera de la cámara de aire del tubo central.

Use epoxi para fijar los tubos en su lugar a lo largo de la línea central del portaobjetos. Para un mejor rendimiento, ajuste la posición de la cámara de aire para que esté aproximadamente concentrada con respecto a la cámara central. Una vez que el epoxi se haya endurecido, coloque la aguja con una muesca simple sobre el extremo del tubo interior para que el tubo encaje en la muesca.

Fije la aguja en su lugar con epoxi para formar la entrada de aceite de baja viscosidad. A continuación, fije la aguja de doble muesca sobre la unión entre los tubos interior y central para formar la entrada de solución acuosa de alta viscosidad. Use epoxi para sellar los cubos de la aguja alrededor de los tubos y en el sustrato de vidrio.

Para asegurarse de que la aguja de entrada de alta viscosidad se asiente firmemente en el sustrato, coloque el tubo central en la muesca grande y el tubo interior en la muesca pequeña. Después de que el epoxi se haya secado, coloque un tubo de polietileno de 20 milímetros de longitud con un diámetro interior de 0,86 milímetros sobre el extremo hidrofóbico del tubo central para completar el dispositivo. Para comenzar el proceso, extraiga 0,8 mililitros de glicerol teñido con tinte azul en una jeringa de un mililitro.

Extraiga 0,8 mililitros de aceite de parafina ligero en una segunda jeringa de un mililitro. Conecte la jeringa de glicerol a la entrada de solución acuosa de alta viscosidad del dispositivo a través de un tubo de polietileno con un diámetro interior de 0,86 milímetros. Conecte la jeringa de parafina líquida a la entrada de aceite de baja viscosidad.

Monte ambas jeringas en bombas de jeringa. A continuación, utilice una pinza de dos dedos y un soporte de laboratorio para fijar el dispositivo verticalmente sobre una placa de Petri de 35 milímetros. Ajuste la posición del dispositivo de modo que el extremo del tubo de salida esté a unos dos milímetros por encima del fondo del plato.

Vierta suficiente parafina líquida en la placa de Petri para sumergir la salida del dispositivo. Agregue la misma cantidad de parafina líquida a una segunda placa de Petri de 35 milímetros. Ajuste el caudal de la bomba de jeringa de glicerol a dos microlitros por minuto.

Ajuste el caudal de la bomba de jeringa de parafina líquida a seis microlitros por minuto. Haga funcionar ambas bombas para comenzar a generar las gotas de glicerol. Monitoree la generación de gotas con una cámara si lo desea.

Espere aproximadamente un minuto para que los flujos de glicerol y parafina líquida se estabilicen lo suficiente como para formar gotas de glicerol uniformes. A continuación, cambie la placa de Petri situada debajo de la salida del dispositivo por la segunda placa líquida llena de parafina para recoger las gotas uniformes. Las gotas de glicerol monodisperso se generaron mediante dispositivos de coflujo de inversión de fase con tubos centrales con diámetros de 200 o 500 micrómetros.

También se generaron gotas monodispersas a partir de otros fluidos de alta viscosidad, como miel, una solución de almidón y una solución de alcohol polivinílico. Las gotas de glicerol generadas por el dispositivo de 500 micrómetros con caudales de aceite y glicerol de 30 y 10 microlitros por minuto respectivamente tenían un diámetro promedio de 521 micrómetros. Las gotas de glicerol generadas por el dispositivo de 200 micrómetros a los mismos caudales tenían un diámetro promedio de 212 micrómetros.

Se encontró que el tamaño de las gotas de glicerol cambiaba con las variaciones en la relación entre el caudal de aceite y el caudal de glicerol. El aumento del caudal de aceite mientras se mantiene constante el caudal de glicerol dio como resultado una disminución en el tamaño de las partículas. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo hacer gotas monodispersas de alta viscosidad con un dispositivo de coflujo de inversión de fase.

A diferencia de los dispositivos de coflujo comunes, no es necesario estrechar el capilar de vidrio interno hasta una punta afilada para hacer el dispositivo de coflujo de inversión de fase. El dispositivo de coflujo de inversión de fase se puede utilizar para generar gotas de alta viscosidad con viscosidades dinámicas de hasta 12 segundos pascale. Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en 30 minutos si se realiza correctamente.