Name: La combinación de la microfluídica y Microrheology para determinar las propiedades reológicas de materia blanda durante las transiciones de fase repetido (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 38 s
Description: Aprende a combinar microfluídica y microrreología para medir propiedades reológicas de materia blanda durante transiciones de fase repetidas. Este método permite caracterización en tiempo real.

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Fondos para este trabajo fue proporcionado por la Procter & Gamble Co. y American Chemical sociedad investigación fondo petrolero (54462-DNI7). Se hace reconocimiento a los donantes de americano químico sociedad investigación fondo petrolero para soporte parcial de esta investigación. Los autores desean reconocer el Dr. Marco Caggioni discusiones útiles.

1. fabricación del dispositivo de microfluidos
<ol><li>Fabricación de sello de microfluidos. Nota: Este paso requiere el uso de materiales volátiles y debe realizarse en una campana de humos químicos.<ol>
<li>Utilice un diseño impreso negativa con las mismas dimensiones que el portaobjetos de cristal (75 × 50 m m), el color blanco de canales, y el fondo de color negro (ver figura 1). Imprimir este diseño en una hoja transparente de acetato (transparencia) con una resolución de 1200 dpi.</li>
		<li>Si la sección oscura de la transparencia permite a través de la luz, varios negativos de capa y se adhieren con cinta de doble cara.</li>
		<li>Encienda la fuente luminosa de alta intensidad ultravioleta (UV) y deje que se caliente a una salida constante (aproximadamente 30 min). Nota: Se deben usar gafas protectoras UV cuando se utiliza la fuente de luz UV de alta intensidad.</li>
		<li>Relleno tres platos de Petri de 150 mL con agua destilada, etanol y acetona.</li>
		<li>Coloque una transparencia en blanco sobre una superficie plana cerca de la fuente de UV de alto rendimiento, pero no directamente debajo de la UV luz. Esto proporcionará una base para fabricar el sello de microfluidos.</li>
		<li>Esquema de las esquinas de un 75 × 50 mm portaobjetos de cristal en el centro de la transparencia en blanco usando un permanente marcador y lugar cuatro de cristal los espaciadores (aproximadamente 30 × 30 × 1 mm) en las esquinas del rectángulo delineado.</li>
		<li>Vierta aproximadamente 5 mL de resina de tiol: ene curables UV en el centro de los espaciadores, luego coloque cuidadosamente un 75 x 50 x 1 diapositiva de cristal de mm en los espaciadores de vidrio, para que la cola está totalmente cubierta por el portaobjetos de vidrio con sin burbujas de aire.</li>
		<li>Coloque la transparencia negativo impresa sobre el portaobjetos de cristal y mover todos los componentes anteriores (de abajo hacia arriba: en blanco transparencia, espaciadores para vidrio y pegamento UV, portaobjetos de vidrio y negativo transparencia impresa) arrastrando la transparencia en blanco cuidadosamente bajo la fuente de luz UV.</li>
		<li>Permitir que la luz UV a través de la negativa a la resina y la curación. El tiempo de curación se puede ajustar para cambiar la altura del canal. 45 s cura tiempo resultado de una altura de canal de 1 mm, usando nuestra fuente de luz.</li>
		<li>Aleje de los componentes de la fuente de UV y quitar la transparencia impresa negativo y diapositiva de cristal. El portaobjetos de cristal con los canales fabricado en pegamento Ultravioleta ahora se mencionará como el sello de microfluidos.</li>
		<li>Deseche a los espaciadores de vidrio y transparencia.</li>
		<li>Sumerja el sello de microfluidos en el baño de acetona, seguido por el baño de etanol. Repita este paso dos veces. Acetona degradará el pegamento Ultravioleta, así que no deje la acetona en el sello durante más de 10 s.</li>
		<li>Manteniendo el sello, sumerja el sello en el agua y use un hisopo de algodón para quitar el resto de la resina sin reaccionar. Lo limpie directamente las porciones curadas, ya que hará que los canales áspera.
</li>
		<li>Coloque el sello en una toalla de papel y volver a la fuente de UV para por lo menos 30 minutos asegurar un curado completo.</li>
	</ol></li>
	<li>Moldeado de polidimetilsiloxano (PDMS)
	<ol>
<li>Verter 70 g de base PDMS en una taza transparente y añadir el agente reticulante a base en una proporción de 1:10 crosslinker a la base. Estas son el fabricante recomendado relaciones. No utilice un envase de cristal.
</li>
		<li>Mezclar al vinculante y base completamente con un agitador de metal; la mezcla debe ser turbia debido a las burbujas de aire atrapado, una vez bien mezclado.</li>
		<li>Poner el PDMS en un vacío vacío horno y tire en el PDMS mixto. Desconecte el vacío si la solución comienza a desbordarse de la Copa, luego reanudar vacío después de que el desbordamiento se desploma. La presión total en el horno vacío no importa, ya el vacío sólo acelera el proceso de desgasificación. Dejar en la cámara hasta que todas las burbujas han sido evacuadas de la mezcla (aproximadamente 60 minutos).</li>
		<li>Lugar el sello de microfluidos en una vacía de 150 mm de diámetro de plástico plato de Petri, luego Vierta lentamente el PDMS en la caja Petri, cubriendo por completo el sello de microfluidos. Vierta cerca de la superficie de la placa de Petri para minimizar las burbujas de reformar en el PDMS.</li>
		<li>Cubrir la placa Petri y colocar en un horno de 55 ° C durante la noche para curar. Una vez completamente curado, corte el modelado PDMS con un cuchillo y retire el sello. Conservar exceso PDMS para la construcción de la cuenca del solvente (paso de protocolo 1.6.3) y tapones de PDMS (paso de protocolo 2.2.1.1).</li>
		<li>Usando un punzón de biopsia de 0,5 mm, cortar agujeros en las siguientes ubicaciones: uno en cada esquina, uno en la cámara de succión cerca del borde del canal, seis en la cámara de muestra colocado simétricamente 60° aparte y uno en el centro de la cámara de muestra. Para asegurar los agujeros simétricamente colocados impresión un patrón en una hoja de papel y lugar en la cámara de muestras. Puesto que el PDMS es claro, puede ver fácilmente dónde deben colocarse los agujeros.</li>
	</ol></li>
	<li>Preparación de solución sol-gel para crear paredes de cristal en dispositivo de microfluidos
	<ol>
<li>En un tarro de 100 mL, agregar 25 mL de etanol al 90%, 25 mL de pH 4 (0,0001 M) solución de ácido clorhídrico, 25 mL de tetraethoxysilane 98% y 25 mL de methyltriethoxysilane de 98%. Coloque la solución de 100 mL, ahora conocida como el líquido preconverted, en el microondas sin cubrir durante 10 segundos, luego introduzca en un 80 ° C durante la noche.</li>
	</ol></li>
	<li>Montaje del dispositivo
	<ol>
<li>Coloque ambos el modelado PDMS y un 75 × 50 × 0,10 mm limpiador de cristal corredera en el plasma y ajustar la válvula de 3 vías a la posición de apagado.</li>
		<li>Encienda la bomba de vacío y espere un minuto evacuar la sala.</li>
		<li>Poner la válvula de 3 vías para posición del regulador de flujo y dejar que la cámara se equilibre durante 5 segundos. La posición del regulador de caudal permite un pequeño caudal de aire entre el plasma más limpio, lo suficiente para mantener la cámara a bajas presiones. Encienda el interruptor de radio frecuencia (RF) al medio durante 40 segundos, luego apagar el interruptor de RF y la bomba de vacío.</li>
		<li>Coloque la válvula de 3 vías a la posición abierta para devolver la cámara a las condiciones atmosféricas. Quitar la corredera PDMS y vidrio estampada.</li>
		<li>Siga cuidadosamente el modelado PDMS para el portaobjetos de cristal poniendo las dos superficies en contacto entre sí.</li>
		<li>Aplicar Imprimación UV a las costuras alrededor del modelado PDMS y curación durante 5 minutos bajo luz ultravioleta de baja intensidad.</li>
	</ol></li>
	<li>Fabricación de paredes de cristal en los canales de microfluidos. Nota: Este paso debe completarse dentro de 30 minutos de tratamiento del plasma, como se basa en los cambios de superficie de PDMS que ocurren durante el tratamiento de plasma. El espesor de la capa será aproximadamente 5-10 μm. Este paso requiere el uso de materiales volátiles y debe realizarse en una campana de humos químicos.<ol>
<li>Fijar una placa a 100 ° C y preparar cuatro jeringas (tres de 30 mL y 3 mL) con agujas de calibre 18 y longitud de aproximadamente 30 cm de la tubería termoplástica transparente.</li>
		<li>Llene tres jeringas de 30 mL con etanol, cloroformo y aire, respectivamente. Llene una jeringa de 3 mL con preconverted líquido (del paso de protocolo 1.3.1.)</li>
		<li>Inserte el tubo termoplástico transparente con conectores de acero inoxidable en cada uno de los orificios en el modelado PDMS, a excepción del agujero de una de las esquinas. Este agujero se utilizará como entrada, mientras que todos los demás puntos de venta.</li>
		<li>Llene el dispositivo microfluídico con preconverted líquido de la jeringa, luego coloque el dispositivo de microfluidos en el plato caliente de 100 ° C para que el vidrio inferior toca la superficie de la placa.</li>
		<li>Flujo 3 mL de líquido preconverted a través del dispositivo de microfluidos durante 10 segundos. El espesor de las paredes de cristal se ajusta cambiando la velocidad de flujo del líquido preconverted.</li>
		<li>Retire el dispositivo de microfluidos de la placa. Vuelva a colocar la jeringa de la solución preconverted con la jeringa de aire y expulsar cualquier exceso de líquido preconverted.</li>
		<li>Vuelva a colocar la jeringa de aire con la jeringa de cloroformo y flujo lentamente 15 mL de cloroformo a través del dispositivo de microfluidos. Vuelva a colocar la jeringa de cloroformo con la jeringuilla del etanol y flujo lentamente 30 mL de etanol a través del dispositivo de microfluidos. Estos pasos deben tomar aproximadamente 1 minuto.</li>
		<li>Vuelva a colocar la jeringa de etanol con el aire de la jeringa y el flujo de aire a través del dispositivo de microfluidos hasta que se seque.</li>
	</ol></li>
	<li>Aplicación de soportes para vidrio y cuenca del solvente
	<ol>
<li>75 × 10 × 1 mm de corte tiras de vidrio de 75 x 25 x 1 mm vidrio portaobjetos.</li>
		<li>Aplicar Imprimación UV a las tiras de vidrio. Coloque el dispositivo de microfluidos en las tiras, con la cara PDMS hacia arriba. Mueva bajo fuente de luz de UV de baja intensidad durante 5 minutos.</li>
		<li>Corte un 30 × 30 mm cuadrado de PDMS. Con un punch de biopsia, corte un agujero lo suficientemente grande como para cubrir la cámara de muestra de 10 mm.</li>
		<li>Colóquela la PDMS cuadrados y dispositivo de microfluidos en el plasma, luego poner la válvula de 3 vías a la posición de apagado y encender la bomba de vacío.</li>
		<li>Espere un minuto evacuar la cámara. La válvula de 3 vías a la posición del regulador de flujo y la cámara de equilibrar durante 5 segundos.</li>
		<li>Encender interruptor de RF a medio durante 40 segundos y luego apague el interruptor de RF y la bomba de vacío.</li>
		<li>Coloque la válvula de 3 vías a la posición abierta para devolver la cámara a las condiciones atmosféricas.</li>
		<li>Retire el dispositivo de Cuenca y microfluídicos solventes de la cámara plasma y siga poniéndose en contacto con las superficies. Asegúrese de colocar el cuenca solventes sobre el compartimiento de muestra.</li>
	</ol></li>
</ol>2. μ2reología procedimiento
<ol><li>
Preparación de muestras de materia blanda
	<ol>
<li>Partículas de la sonda de lavado<ol>
<li>Pipetear agua y 0,5 μm sondas en un tubo de microcentrífuga en una proporción de agua a las sondas de 10:1. Mezclar bien utilizando pipeta mezcla, luego coloque el tubo de microcentrífuga en la microcentrífuga y vuelta a 4600 x g durante 10 minutos. Nota: La solución de sonda utilizada en este trabajo se recibió suspendidos en el agua con una concentración inicial de sólidos/volumen de 2.6%, y la concentración final de sondas de la muestra es 0.1% sólidos/volumen.</li>
			<li>Retire el tubo de microcentrífuga y pipeta hacia fuera el sobrenadante. Vuelva a colocar el sobrenadante con agua desionizada. Repetir la centrifugación por un total de tres veces.</li>
			<li>Coloque el tubo de microcentrífuga en sonicador y someter a ultrasonidos en baja durante 15 minutos para eliminar cualquier agregados.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Combinación de sondas y materia blanda. Nota: Para este procedimiento, se utilizó un gel coloidal como la muestra de materia blanda.<ol>
<li>En un 75 × 50 mm portaobjetos de vidrio, medir 1 mL de muestra del material. Pipetear 40 μl de la solución de la sonda en el centro de la muestra.</li>
			<li>Doblar suavemente la muestra con una espátula de metal hasta que totalmente combinado. Sirva la muestra en un tubo de microcentrífuga y centrifugar a 2340 x g durante 15 s para remover el aire atrapado.</li>
			<li>Llene una jeringa de 1 mL provista de una aguja de calibre 18 y tubo transparente termoplástico con la mezcla de sonda/HCO.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Transiciones de la fase consecutiva inducidas por intercambio de fluidos
	<ol>
<li>El dispositivo de microfluidos de relleno<ol>
<li>Para crear tapones de PDMS, con PDMS exceso de paso de protocolo 1.2.5, corte una sección cuadrada de 5 mm de PDMS. Usando un punzón de biopsia 0,5 mm de diámetro, orificio a medio camino en el tope PDMS. Inserte un conector de acero inoxidable en el agujero de 0,5 mm de diámetro.</li>
			<li>Conecte la tubería termoplástica a tres de los canales de entrada de la esquina y el canal de salida de la cámara de aspiración. Llene completamente el aparato con agua utilizando una jeringa conectada al dispositivo. Asegurarse de que no queden burbujas en la cámara de muestras o en los canales de microfluidos. Bloquear el orificio de la esquina restante con tapones de PDMS.</li>
			<li>El cuenca solventes debe llenarse parcialmente de paso 2.2.1.2; Si no se llena, llenar la bañera solvente con agua.</li>
			<li>La jeringa de paso protocolo 2.1.2.3, inyectar 10 μl de la mezcla de la sonda de muestreo a través del canal del centro de la cámara de la muestra a aproximadamente 2 μl/s, entonces use un tapón PDMS para bloquear el canal central de la cámara de muestras.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Recogida de datos de microrheological<ol>
<li>Gire los ajustes de la cámara a los optimizados para minimizar partículas estáticas y dinámicas, seguimiento de errores, y cambiar el objetivo de inmersión de agua × 63 pipeta una gota de agua sobre la lente.</li>
			<li>Coloque el dispositivo de microfluidos en la platina del microscopio y eleve el objetivo hasta que se centra en la muestra.</li>
			<li>Tienen videos del movimiento browniano de las sondas sobre intervalos de tiempo apropiados para la longitud total de un cambio de fase. Para la gelificación, seguir tomando videos hasta que el movimiento de la sonda se ha detenido completamente. Nota: Recopilamos datos cada 10 minutos. Si empezamos con un experimento de degradación, se recogen datos hasta que las puntas de prueba están difundiendo completamente.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Intercambio de fluidos en la cámara de la muestra (flujo por gravedad, cambio de líquidos de densidad inferiores con fluidos de densidad mayor)<ol>
<li>Retire el dispositivo de microfluidos de la platina del microscopio.</li>
			<li>El agua de la cuenca del solvente mediante una pipeta de succión, luego pipetear 4 mL de líquido de densidad más alta en la cuenca del solvente.</li>
			<li>Devuelva el dispositivo de microfluidos para la platina del microscopio y repita paso 2.2.2.3</li>
		</ol>
</li>
		<li>Intercambio de fluidos en la cámara de la muestra (flujo de succión, intercambio de fluidos de densidad más alta con fluidos de densidad baja)<ol>
<li>Retire el dispositivo de microfluidos de la platina del microscopio y quite el tapón PDMS de la cámara de succión.</li>
			<li>Inserte una jeringa con aguja calibre 18 y tubo transparente termoplástico, el canal de la cámara de aspiración y conectar la jeringa hasta una bomba de jeringa. Ajustar la bomba de jeringa para tirar de a 1 mL/min.</li>
			<li>Quitar a exceso agente gelificante en el cuenca solventes y enjuagar tres veces con agua llenando el cuenca solventes y luego aspirar hacia fuera el líquido de enjuague.</li>
			<li>Comience la succión con la bomba de jeringa añadiendo agua a la cuenca del solvente durante un minuto. No deje el cuenca solventes vacíela totalmente, ya que esto le tire aire en la cámara de muestra.
</li>
			<li>Retire la jeringa del dispositivo de microfluidos y reemplace el tapón PDMS en la cámara de succión.</li>
			<li>Devuelva el dispositivo de microfluidos para la platina del microscopio y seguir tomando las muestras</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>Continúe tomando muestras a intervalos regulares durante la degradación/congelación hasta que se complete el número de ciclos o hay suficientes sondas para la medición de los ciclos.</li>
</ol>

<ol><li>Mitchell, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidics-downsizing+large-scale+biology%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Biotech%22%5BJournal%5D)">Microfluidics-downsizing large-scale biology.</a> Nat. Biotech. 19, 717-721 (2001).</li>
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El dispositivo de microfluidos dos capas (figura 1) se puede hacer fácilmente por siguientes microfluídicos documentado fabricación técnicas29. Soportes para vidrio se agregan a la parte inferior del dispositivo para disminuir los efectos vibracionales en el movimiento de la sonda. El portaobjetos de cristal es muy fino (0,10 mm) para acomodar la distancia del objetivo de microscopio. Esto hace que el dispositivo sensible a pequeñas vibraciones en el edificio y el ent...

Transiciones de fase en materia blanda pueden cambiar la estructura del andamio, que tiene implicaciones en la estabilidad final y procesamiento de los materiales1,2,3. La caracterización de los materiales blandos durante las transiciones de la fase dinámica proporciona información esencial acerca de la relación entre la estructura de equilibrio y evolución estructural y propiedades reológicas. Por ejemplo, muchos productos de cuidado del hogar requieren un cambio de fase durante el uso del consumidor. También, durante la fabricación, pasos de procesamiento, incluyendo la dilución y mezcla, puede impartir la cizalla que afectan las propiedades reológicas y la microestructura final del producto. Comprensión de las propiedades reológicas a través de un cambio de fase asegura que el producto funciona como diseñado. Además, si las fuerzas de modificar la reología a partir del material durante la fabricación, las transiciones de fase pueden producir resultados inesperados y no deseados, cambiar la función y la eficacia. En el punto de gelificación crítico, definido como el punto donde el material de las transiciones de una solución de coloides asociados o polímeros a una red de gel que atraviesan la muestra, las propiedades del material cambian drásticamente con ligeros cambios a la asociación. Cualquier modificación de la estructura en el punto crítico del gel puede afectar el producto final4. Durante estas transiciones dinámicas, materiales blandos tienen débiles propiedades mecánicas y medidas que utilizan técnicas experimentales clásicas pueden ser dentro de la medición ruido límite5,6,7. Para tener en cuenta esto, técnicas como la microrheology, que es sensible en la gama de módulos bajos (10-3 - 4 Pa), se utilizan para caracterizar el gel incipiente débil durante la evolución dinámica. Algunos materiales son susceptibles a cambios en la microestructura debido a fuerzas externas, que presenta un desafío durante la caracterización, ya que cualquier cambio de material o líquido puede afectar la estructura y, en definitiva, las propiedades del material finales. Para evitar alterar la microestructura del material, hemos desarrollado un dispositivo de microfluidos que puede intercambiar el fluido ambiental en una muestra reduciendo al esquileo. Intercambiando el ambiente líquido, cambios en las propiedades reológicas y microestructura se miden durante las transiciones de fase con aportes mínimos de corte. El dispositivo se combina con múltiples partículas microrheology (MPT) de seguimiento de una técnica llamada μ2reología. Esta técnica se utiliza para cuantificar las propiedades del material durante los cambios de fase consecutiva de un gel en respuesta a una fuerza impulsora externa. La técnica se ilustrará mediante un gel coloidal fibroso, aceite de ricino hidrogenado (HCO)9,10,11.
Andamios de gel pueden experimentar cambios en la asociación y disociación debido a su muestra medio ambiente12,13,14,15. La fuerza de gelificación y degradación son material específico y debe ser adaptado para cada material de interés. μ2reología puede utilizarse para caracterizar sistemas de gel que responden a estímulos externos, incluidas las redes coloidales y poliméricas. Alteración de pH, presión osmótica o la concentración de la sal es ejemplos de fuerzas que pueden inducir cambios en la microestructura del material de la conducción. Por ejemplo, HCO sufre transiciones de fase controlada mediante la creación de un gradiente de presión osmótica. Cuando una muestra de gel concentrada de HCO (4% en HCO) es sumergida en agua, debilitaran las fuerzas atractivas entre las partículas coloidales, causando degradación. Por otra parte, cuando una solución diluida de HCO (% en peso de 0,125 HCO) se pone en contacto con un material hidrofílico (conocido como el agente gelificante y conformada en su mayoría glicerina y surfactante), el atractivo fuerzas de retorno, provocando gelificación. Este sistema de gel se utilizará para mostrar el funcionamiento del aparato como una herramienta para medir las transiciones de fase consecutivos en una sola muestra9,10. Para caracterizar estos andamios de gel durante las transiciones dinámicas y la estructura del delicado gel incipiente en la transición de fase crítica, utilizamos MPT para caracterizar estos materiales con alta resolución espacio-temporal.
Microrheology se utiliza para determinar propiedades de gel y la estructura, especialmente en la transición crítica, de una gran variedad de materiales blandos, como los geles coloidales y poliméricos5,6,9,16. MPT es una técnica de microrheological pasiva que utiliza la microscopia video para grabar el movimiento browniano de las partículas de la sonda fluorescente incrustado dentro de una muestra. Las posiciones de la partícula a lo largo de los videos se determinan precisamente para dentro de 1/10th de un píxel utilizando clásico seguimiento algoritmos17,18. El conjunto un promedio de desplazamiento de media-squared (MSD, (Δi2(t))) se calcula a partir de estas trayectorias de la partícula. MSD se relaciona con propiedades de los materiales, tales como el cumplimiento de la fluencia, usando la relación de Stokes-Einstein generalizó17,19,20,21,22, 23. El estado del material se determina mediante el cálculo de la pendiente logarítmica de la curva MSD en función del tiempo de retraso, α,
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57429/57429eq1.jpg">
donde t es el tiempo de retraso y comparándolo con el exponente crítico de relajación, n. n se determina mediante la superposición de tiempo de curación, una técnica bien documentada que fue modificada para analizar datos MPT por Larsen y Furst6. Por la comparación de n α el estado del material se determina cuantitativamente. Cuando α &gt; n el material es un sol y cuando α &lt; n el material es un gel. Trabajo previo ha caracterizado el sistema HCO microrheology determinar el exponente crítico relajación9. Con esta información, determinamos precisamente cuando el material de las transiciones de un gel a un sol durante un experimento. Además, se puede calcular el parámetro no-gausiano, αNG, para determinar el grado de heterogeneidad estructural de un sistema de
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donde Δx(t) es el movimiento de la partícula unidimensional en la dirección x . Con el MPT, podemos caracterizar una transición de fase única, pero por la caracterización de materiales con MPT en un dispositivo de microfluidos, somos capaces de manipular el entorno fluido y recopilar datos de varias transiciones de fase en una muestra de gel solo.
Este dispositivo de microfluidos está diseñado para investigar las transiciones críticas de una muestra de gel solo que sufre cambios de fase en respuesta a cambios en el entorno fluido. El dispositivo de intercambios de líquido que rodea la muestra cuando es en el estado de gel o de sol por la muestra en su lugar para inducir una transición de fase minimizando el corte de cierre. Una cuenca de solvente se encuentra directamente encima de la cámara de muestras, que están conectados por seis canales de entrada simétricamente espaciados. Esta simetría permite el intercambio del líquido de la cuenca del solvente a la cámara muestra al crear igual presión alrededor de la muestra, trabándolo en el lugar. Ha habido varios estudios que utilizan esta técnica para sola partícula y captura de ADN, pero este trabajo escala hasta el volumen de las moléculas individuales para las muestras que son aproximadamente 10 μl24,25,26. Este diseño único permite también caracterización de la microrheological en tiempo real durante las transiciones de fase.
μ2reología es una técnica robusta que es aplicable a muchos sistemas de materia blanda. La técnica descrita en este documento fue diseñada para los geles coloidales, pero puede ser adaptado fácilmente a otros materiales tales como polímeros o soluciones micelares. Con esta técnica, determinan no sólo cómo las transiciones de fase afectan las propiedades del equilibrio material, pero pasos de tratamiento también diferentes pueden tener efectos sobre la evolución reológica del material y la estructura de andamio final duraderos y propiedades.

<table><tbody><tr><td>Placa de Petri de 150 x 15 mm Corning</td><td>, Inc.</td><td></td><td></td>351058</tr><tr><td>Portaobjetos de vidrio de 75 x 50 x 0,15 mm</td><td>Fisher Scientific</td><td>Custom</td><td></td></tr><tr><td>75 x 50 x 1,0 mm Portaobjetos de vidrio</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-550-C</td><td></td></tr><tr><td>75 x 25 x 1,0 mm Portaobjetos de vidrio</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-550-A3</td><td></td></tr><tr><td>22 x 22 Cubreobjetos de vidrio</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-542-B</td><td></td></tr><tr><td>Acetona, 99.5%</td><td>VWR Analytical</td><td>67-64-1</td><td></td></tr><tr><td>Fuente UV de baja intensidad</td><td>UVP</td><td>UVL-56</td><td></td></tr><tr><td>Cloroformo, 99.9%</td><td>Fisher Chemical</td><td>C298-500</td><td></td></tr><tr><td>Hisopos de algodón</td><td>Q-tips 83289205</td><td></td><td></td></tr><tr><td>etanol, 90%</td><td>Fisher Chemical</td><td>A962-4</td><td></td></tr><tr><td>Fluoresbrite&reg; Microesferas de carboxilato YG 0.50 y micro; m</td><td>Policiencias, Inc.&nbsp;</td><td>15700-10</td><td></td></tr><tr><td>Lámpara UV de alta intensidad</td><td>Spectroline Corp.</td><td>SB-100P Placa</td><td></td></tr><tr><td>caliente</td><td>Corning, Inc.</td><td>PC-420</td><td></td></tr><tr><td>Ácido clorhídrico, 6N</td><td>Ricca Chemical Company</td><td>3750-32</td><td></td></tr><tr><td>Metiltrietioxisilano, 98%</td><td>Acros Organics</td><td>174622500</td><td></td></tr><tr><td>Microcentrífuga</td><td>Eppendorf</td><td>5424</td><td></td></tr><tr><td>Limpiador de plasma</td><td>Harrick Plasma, Inc.</td><td>PDC-32G</td><td></td></tr><tr><td>Polidimetilsiloxano (PDMS)</td><td>Robert McKwown Company</td><td>2065622</td><td></td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>Branson, Emerson Electric</td><td>1800</td><td></td></tr><tr><td>Conectores de acero, ID 0.023 pulgadas</td><td>New England Small Tube Corp.</td>Tetraetoxisilano <td>personalizado</td><td></td></tr><tr><td>, 98%</td> <td>Alfa Aesar</td><td>A14965</td><td></td></tr><tr><td>Resina de tiol-eno (curable UV)</td><td>Norland Products, Inc.&nbsp;</td><td>NOA81</td><td></td></tr><tr><td>Transparencia</td><td>Grapas Inc.&nbsp;</td><td>21828</td><td></td></tr><tr><td>Tubo Tygon, ID 1/32 pulgadas</td><td>McMaster-Carr</td><td>E-3603</td><td></td></tr><tr><td>Horno de vacío</td><td>Fisher Scientific</td><td>282A</td> Punzón de biopsia <td></td></tr><tr><td>de 8 mm</td><td>World Precision Instruments</td><td>504535</td><td></td></tr><tr><td>Punzón Bioposy de 0,5 mm</td> Jeringa <td>de 504528</td><td></td><td>de World Precision Instruments</td></tr><tr><td>, 30 mL</td><td>BD</td><td>309659</td><td></td></tr><tr><td>Jeringa, 3 mL</td><td>BD</td><td>309651</td><td></td></tr><tr><td>Aguja, calibre 18</td><td>BD</td><td>305195</td><td></td></tr><tr><td>Tubo de microcentrífuga, 1,5 mL</td> Cámara de alta velocidad <td>Eppendorf</td><td>22-36-320-4</td><td></td></tr><tr><td>Vision Research</td><td>Miro</td><td>M120&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Microscopio</td><td>Carl Zeiss AG</td><td>Zeiss Observer, Z1</td><td></td></tr><tr><td>Bomba de jeringa</td><td>New Era Pump Systems</td><td>NE-300</td><td></td></tr><tr><td>Aceite de ricino hidrogenado</td><td>Procter & Gamble</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Af&iacute; cio MP 6002 Impresora</td><td>Ricoh Company, Ltd.</td><td></td><td></td>415877</tr></tbody></table>

la combinación de la microfluídica y microrheology para determinar las propiedades reológicas de materia blanda durante las transiciones de fase repetido

Combining Microfluidics and Microrheology to Determine Rheological Properties of Soft Matter during Repeated Phase Transitions

La microestructura de la materia blanda directamente afecta las propiedades reológicas macroscópicas puede modificarse por factores como el cambio coloidal durante los cambios de la fase anterior y aplicado corte. Para determinar la magnitud de estos cambios, hemos desarrollado un dispositivo de microfluidos que permite repetir las transiciones de fase inducidas por el cambio de la caracterización de fluidos y microrheological circundante limitando esquileo en la muestra. Esta técnica es μ2reología, la combinación de la microfluídica y microrheology. El dispositivo de microfluidos es un diseño de dos capas con streams de entrada simétrica que entra en una cámara de muestra que atrapa a la muestra de gel en su lugar durante el intercambio de fluidos. Succión puede aplicarse lejos de la cámara de muestra para extraer fluidos en la cámara de muestras. Propiedades reológicas de los materiales se caracterizan mediante rastreo microrheology (MPT) de múltiples partículas. En el MPT, las partículas de la sonda fluorescente están incrustadas en el material y el movimiento browniano de las sondas se registra usando microscopia video. Se realiza un seguimiento del movimiento de las partículas y se calcula el desplazamiento de media-squared (MSD). MSD se relaciona con propiedades reológicas macroscópicas, utilizando a la relación de Stokes-Einstein generalizada. La fase del material se identifica por la comparación al exponente crítico relajación, determinó la superposición del tiempo de curación. Las mediciones de un gel coloidal fibroso ilustran la utilidad de la técnica. Este gel tiene una estructura delicada que puede ser irreversiblemente cuando se aplica el corte. μ2reología datos muestran que el material se equilibra repetidamente a las mismas propiedades reológicas después de cada transición de fase, lo que indica que las transiciones de fase no desempeñar un papel en los cambios microestructurales. Para determinar el papel de la corte, las muestras pueden ser esquiladas antes de la inyección en nuestro dispositivo de microfluidos. μ2reología es una técnica extensamente aplicable para la caracterización de materia blanda lo que permite la determinación de las propiedades reológicas de microestructuras delicados en una sola muestra durante las transiciones de fase en respuesta a cambios repetidos en la las condiciones ambientales circundantes.

Se construye un dispositivo microfluídico dos capas con PDMS (figura 1a, b), que está estampado en un sello de microfluidos. El diseño del sello se muestra en la figura 1c. Disposición experimental incorrecta puede resultar en errores en los flujos microrheology y microfluídicos pasivos durante alrededor de intercambio fluido (figura 2). Ejemplos de incorrecta dispos...

Demostramos la fabricación y el uso de un dispositivo de microfluidos que permite múltiples partículas seguimiento medidas de microrheology para estudiar los efectos reológicos de transiciones de fase repetidos sobre materia blanda.

La combinación de la microfluídica y Microrheology para determinar las propiedades reológicas de materia blanda durante las transiciones de fase repetido

The microstructure of soft matter directly impacts macroscopic rheological properties and can be changed by factors including colloidal rearrangement ...

El objetivo general de este procedimiento es utilizar la microfluídica para inducir transiciones de fase consecutivas en una sola muestra de materia blanda mediante el intercambio del fluido circundante mientras se miden simultáneamente los cambios en las propiedades reológicas utilizando la microrreología de seguimiento de partículas múltiples. Este método puede responder a preguntas clave en el campo de la materia blanda, como el impacto de las transiciones de fase, incluido el reordenamiento molecular o coloidal, en las propiedades reológicas dinámicas. La principal ventaja de esta técnica es que la muestra permanece en su lugar durante múltiples transiciones de fase, lo que permite la caracterización en tiempo real.Esto permite cuantificar las propiedades reológicas, especialmente las propiedades únicas en sistemas heterogéneos. Para comenzar el procedimiento, imprima el negativo del dispositivo microfluídico en una hoja de acetato transparente y caliente una lámpara UV de alta intensidad. En una segunda hoja de acetato transparente, trace las esquinas de un portaobjetos de 75 milímetros por 50 milímetros.Coloque espaciadores de vidrio de un milímetro de altura en las esquinas. Vierte unos cinco mililitros de resina de tiol-eno curable por UV en el centro de los espaciadores. Coloque con cuidado un portaobjetos de vidrio de 75 milímetros por 50 milímetros por un milímetro sobre los espaciadores para cubrir la resina.Asegúrese de que no haya burbujas de aire entre el portaobjetos y la resina. Coloque el negativo impreso en la diapositiva de vidrio. Arrastre con cuidado el conjunto debajo de la lámpara UV y deje que la resina se cure durante 45 segundos.Luego, deslice el ensamblaje lejos de la lámpara UV y retire el portaobjetos de vidrio estampado o el sello microfluídico. Sumerja el sello microfluídico en acetona durante no más de 10 segundos y luego sumerja el sello en etanol durante el mismo período de tiempo. Repita esta secuencia de inmersión una vez.Luego, sumerge el sello en agua destilada. Trabajando con un movimiento mínimo de la mano, use un hisopo de algodón para eliminar la resina restante sin reaccionar sin tocar la resina curada. Reemplace el hisopo de algodón cuando esté saturado de agua.Cura el sello bajo luz ultravioleta durante otros 30 minutos. A continuación, mezcle 70 gramos de base de PDMS con agente de reticulación en una proporción de uno a 10 y desgasifique el PDMS durante una hora o hasta que el PDMS ya no esté turbio. Coloque el sello microfluídico boca arriba en una placa de Petri de plástico de 150 milímetros.Vierta lentamente el PDMS en el plato, vertiendo cerca de la superficie del plato para minimizar la formación de burbujas, para cubrir completamente el sello. Cubra la placa de Petri y cure el PDMS a 55 grados centígrados durante la noche. Use un cuchillo para cortar el exceso de PDMS.Separe el PDMS estampado del sello a mano. Retire el sello y el exceso de PDMS de la placa de Petri. A continuación, coloque el plato en una hoja de papel impresa con las ubicaciones de los orificios exteriores simétricos de la cámara de muestras.Alinee el PDMS con patrón con la guía y use un punzón de biopsia de 5 milímetros para perforar agujeros a través del PDMS en las ubicaciones marcadas. La característica clave de este dispositivo es la simetría entre los canales de entrada y la misma cámara. Esto permite el intercambio de fluido sin pérdida de muestra.Es importante utilizar un patrón de guía para garantizar la precisión al cortar los canales. Por último, perfore un orificio en el centro de la cámara de muestras, en el borde interior de la cámara de succión y en cada extremo de los canales exteriores largos. Cubra la placa de Petri cuando guarde el PDMS con patrones.Un día antes del ensamblaje del dispositivo, prepare el fluido preconvertido que se utilizará para crear paredes de vidrio en el dispositivo microfluídico. Para comenzar el ensamblaje del dispositivo, trate con plasma el PDMS estampado y un portaobjetos de vidrio delgado durante 40 segundos. Presione con cuidado las caras tratadas con plasma del portaobjetos y el PDMS estampado.Aplique resina curable por UV en la costura entre el PDMS y el portaobjetos, y cure la resina bajo luz UV de baja intensidad durante cinco minutos. A continuación, inserte el tubo termoplástico equipado con conectores de acero inoxidable en todos los orificios de las esquinas del PDMS estampado, excepto en uno. Conecte una jeringa de tres mililitros de líquido preconvertido al último orificio con una aguja de calibre 18, un tubo termoplástico y un conector.Llene el dispositivo microfluídico con líquido preconvertido. Luego, coloque el dispositivo en una placa caliente calentada a 100 grados Celsius y, en el transcurso de 10 segundos, haga fluir tres mililitros de fluido preconvertido a través del dispositivo para fabricar las paredes de vidrio. A continuación, retire el dispositivo de la placa calefactora.Utilice una jeringa de aire de 30 mililitros para expulsar el exceso de líquido preconvertido. Haga fluir lentamente 15 mililitros de cloroformo a través del dispositivo, seguidos de 30 mililitros de etanol, cada uno en el transcurso de aproximadamente un minuto. Luego, empuje el aire a través del dispositivo microfluídico hasta que se seque.Retire el tubo de los agujeros. A continuación, utilice resina curable por UV para fijar tiras de vidrio de un milímetro de grosor en la parte inferior de los bordes largos del dispositivo. Corta un trozo de 30 por 30 milímetros de PDMS curado en exceso y haz un agujero más ancho que la cámara de muestras en el centro para formar el recipiente de solvente.Tratamiento con plasma de la cuenca y del dispositivo microfluídico durante 40 segundos. Coloque la cara tratada con plasma de la cuenca en el dispositivo con la cámara de muestras centrada en el orificio. Aplique una presión suave para fijar el recipiente al dispositivo.Por último, corta seis cuadrados de cinco milímetros del exceso de PDMS. Usa un punzón de biopsia de 5 milímetros para hacer un agujero a la mitad de cada cuadrado. Inserte un conector de acero inoxidable en cada orificio para formar los tapones PDMS.Después de cargar la muestra de materia blanda en una jeringa de un mililitro, inserte un tubo termoplástico en tres de los canales de entrada de las esquinas del dispositivo y en la salida de la cámara de succión. Llene otra jeringa con agua desionizada. Conecte el tubo termoplástico a la jeringa y expulse las burbujas de aire.Conecte la jeringa al canal de entrada de la cuarta esquina. Llene el dispositivo y el depósito de disolvente con agua desionizada. Asegúrese de que no haya burbujas en la cámara de muestras o en los canales microfluídicos.Rellene el agua del depósito de disolventes con una pipeta de transferencia si es necesario. Es esencial que el dispositivo microfluídico esté configurado correctamente. Lo más importante es asegurarse de que no haya burbujas de aire en el dispositivo, ya que pueden interrumpir tanto el flujo microfluídico como los datos de microrreología.A continuación, inyecte 10 microlitros de la muestra de materia blanda en la cámara de muestras a través de la entrada central a unos dos microlitros por segundo. Taponar la entrada central después de cargar la muestra. Usando un microscopio invertido y una cámara de alta velocidad, grabe al menos 20 videos del movimiento browniano de las sondas en la mezcla de muestras durante intervalos de tiempo apropiados para la duración de la transición de fase.Para la gelificación, continúe grabando videos hasta que el movimiento de la sonda se haya detenido por completo. Para la degradación, continúe grabando videos hasta que las sondas sean completamente difusivas. A continuación, retire el dispositivo de la platina del microscopio.Para cambiar el agua por un fluido de mayor densidad, extraiga el agua de la cuenca de solvente con una pipeta de transferencia y pipetee cuatro mililitros del fluido de mayor densidad en la cuenca. Vuelva a colocar el dispositivo en la etapa del microscopio y continúe grabando vídeos. Para cambiar un fluido de mayor densidad por agua u otro fluido de menor densidad, conecte una jeringa al canal de la cámara de succión a través de una aguja de calibre 18 y un tubo termoplástico.Monte la jeringa en una bomba de jeringa configurada para extraer a un mililitro por minuto. Pipetee la mayor parte del fluido de alta densidad del recipiente de solvente y enjuague el recipiente con el fluido de baja densidad tres veces, sin permitir que el recipiente se drene por completo. Llene el recipiente con líquido de baja densidad después de enjuagar.Llene una pipeta de transferencia con el fluido de baja densidad. Luego, use la bomba de jeringa para extraer el líquido de alta densidad durante un minuto. Agregue el fluido de baja densidad gota a gota a la cuenca según sea necesario durante el intercambio de fluido.Luego, tape la cámara de succión y devuelva el dispositivo a la platina del microscopio para el registro. Adquiera videos de los ciclos de gelificación de degradación de esta manera durante el número deseado de ciclos o hasta que no haya suficientes sondas para la medición. El desplazamiento cuadrático medio promedio del conjunto de las trayectorias de las partículas de la sonda se rastreó durante las sucesivas transiciones de fase de un sistema de aceite de ricino hidrogenado entre gel y sol.La gelificación fue inducida por el intercambio de flujo de agua por gravedad por un agente gelificante de mayor densidad. La degradación fue inducida por el intercambio de flujo de succión del agente gelificante por agua. La cámara de muestras se volvió a lavar con agua cuando el comportamiento de la fase sugería que el agente gelificante no se había eliminado completamente de la cámara.No se observaron cambios en las propiedades reológicas cuando la muestra se dejó en la fase solar sin intercambio de fluidos durante unos 600 minutos. Las transiciones de fase repetidas no indujeron cambios observables en las propiedades reológicas de equilibrio, como lo muestran las pendientes logarítmicas de las curvas MSD o alfa que vuelven a los mismos valores para cada fase. El valor alfa de equilibrio de la fase solar fue inferior a 1,0, lo que indica que el material conservó cierta estructura incluso después de la degradación.El gel experimentó un aumento en la heterogeneidad estructural durante la transición de la fase de gel a sol, como lo indican los picos de parámetros no gaussianos durante los ciclos de degradación. El reordenamiento coloidal podría ocurrir inmediatamente después del intercambio de fluidos, como lo indican los aumentos en alfa. Primero tuvimos la idea de este método para determinar si las transiciones de fase estaban causando cambios permanentes en las propiedades reológicas y la microestructura de un material blando.En el sistema HCO, este dispositivo permitió la medición de dos posibles mecanismos para estos cambios permanentes, el reordenamiento coloidal durante las transiciones de fase o el cizallamiento inducido durante la preparación de la muestra. Una vez dominada, esta técnica se puede utilizar para identificar las propiedades reológicas de un sistema de materia blanda a lo largo de muchas transiciones de fase en respuesta a cambios en el entorno fluido circundante.

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Investigación

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Ingeniería

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La combinación de la microfluídica y Microrheology para determinar las propiedades reológicas de materia blanda durante las transiciones de fase repetido

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