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

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.