Name: Dispositivos a base de vidrio para generar gotas y emulsiones (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-04-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 45 s
Description: Aprende a fabricar dispositivos microfluídicos de vidrio para generar emulsiones estables con tamaños de gota controlados. Este protocolo accesible permite crear superficies hidrofóbicas o hidrofílicas para aplicaciones en agricultura intensiva y otras industrias.

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Los autores no tienen nada que revelar.

El protocolo para fabricar tres dispositivos diferentes basados en vidrio se ha descrito anteriormente. En el caso del dispositivo para generar gotas simples, el caudal y las propiedades del líquido son cruciales para generar gotas de manera controlada. Las gotas se formarán en la punta en el régimen de goteo, o al final del chorro en el régimen de chorro. La transición del goteo al chorro está parametrizada por el número de Weber adimensional, We23. Este número representa la relación entre las fu...

La generación controlada de gotas en la micra y nanoescala con una distribución de tamaño estrecha es una tarea desafiante. Estas gotas son de interés para la ingeniería de materiales blandos con muchas aplicaciones en ciencia y tecnología 1,2,3,4,5,6.
Los dispositivos más comunes para la alta tasa de producción de gotas son los mezcladores7 y los emulsionadores de ultrasonido8. Estos métodos son simples y de bajo costo, pero generalmente resultan en gotas polidispersas con una amplia gama de tamaños. Por lo tanto, se requieren pasos adicionales para producir muestras monodispersas. Los dispositivos microfluídicos se pueden diseñar de manera diferente para proporcionar una forma eficiente de formación de caídas. Además, los caudales generalmente bajos involucrados (es decir, el bajo número de Reynolds) permiten un gran control sobre el flujo de fluido.
Mientras que los dispositivos microfluídicos se fabrican comúnmente utilizando técnicas litográficas con poli(dimetil) siloxano (PDMS), este manuscrito se centra en dispositivos capilares a base de vidrio. Los dispositivos PDMS generalmente se eligen por su capacidad para diseñar patrones de canal complejos y por su escalabilidad. Los dispositivos de vidrio, por el contrario, son rígidos y tienen una mayor resistencia a los solventes que sus contrapartes PDMS. Adicionalmente, el vidrio puede ser modificado para cambiar su humectabilidad, lo que permite controlar la generación de emulsiones complejas. Ser capaz de tratar de forma independiente las paredes de la boquilla y el canal permite la formación de gotas de manera controlada y reproducible, al tiempo que garantiza la estabilidad de las emulsiones resultantes si las gotas tocaran las paredes9; de lo contrario, las gotas pueden fusionarse y acumularse en la pared. Otra diferencia entre estos dos tipos de dispositivos es que en los dispositivos basados en vidrio, el flujo es tridimensional, mientras que es plano en los dispositivos PDMS convencionales. Este hecho minimiza el contacto de la gota con las paredes del canal para que la influencia de las líneas de contacto pueda descuidarse10, protegiendo así la estabilidad de múltiples gotas de emulsión.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63376/63376fig01.jpg"> Figura 1: Diferentes configuraciones de dispositivos microfluídicos. Bocetos de (A) una unión en T, (B) un dispositivo de coflujo y (C) un dispositivo de enfoque de flujo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63376/63376fig01large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Hay tres geometrías principales utilizadas, a saber, la unión T11, el enfoque de flujo12,13 y el flujo de coflujo14. En la geometría de la unión T, la fase dispersa contenida en el canal intersecta perpendicularmente el canal principal que alberga la fase continua. La tensión de cizallamiento ejercida por la fase continua rompe el líquido disperso entrante dando lugar a caídas. Las gotas generadas están limitadas en menor tamaño por las dimensiones del canal principal11. En la geometría de enfoque de flujo, los dos fluidos son forzados a través de un pequeño orificio que se encuentra frente al tubo de inyección. El resultado es la formación de un chorro, que es mucho más pequeño que el tubo de inyección12,13. Finalmente, la geometría de coflujo tiene una configuración caracterizada por el flujo coaxial de dos fluidos inmiscibles14. En general, el goteo y el chorro se pueden observar dependiendo de las condiciones de operación. El régimen de goteo se produce a caudales bajos y las gotas resultantes son muy monodispersas y tienen un diámetro proporcional al tamaño de la punta. El inconveniente es su baja frecuencia de producción. El régimen de chorro ocurre a tasas de flujo más altas en comparación con el régimen de goteo. En este caso, el diámetro de la gota es directamente proporcional al diámetro del chorro, que puede ser mucho menor que el diámetro de la punta en las condiciones adecuadas.
Una alternativa a estos enfoques hidrodinámicos se basa en el uso adicional de fuerzas eléctricas. El electrospray es una técnica muy conocida y ampliamente utilizada para generar gotitas. Se basa en el principio de que un líquido con una conductividad eléctrica finita se deformará en presencia de un campo eléctrico fuerte. El líquido eventualmente adoptará una forma cónica resultante del equilibrio entre las tensiones eléctricas y de tensión superficial15. El proceso comienza con el campo eléctrico induciendo una corriente eléctrica en el líquido que hace que las cargas se acumulen en la superficie. La presencia del campo eléctrico da como resultado una fuerza eléctrica sobre estas cargas, que arrastra el líquido a lo largo, alargando el menisco en la dirección del campo. Bajo diferentes condiciones, el menisco puede arrojar las gotas cargadas o puede emitir uno o varios chorros que luego se rompen en gotas15. Aunque estos métodos microfluídicos asistidos eléctricamente permiten naturalmente la generación de pequeñas gotas, sufren de una falta de funcionamiento en estado estacionario que comprometa la monodispersidad de la emulsión. Las gotas cargadas resultantes tienden a descargarse en las paredes de confinamiento y / o en cualquier lugar del dispositivo donde el potencial eléctrico sea menor que el voltaje externo impuesto. Así, el menisco electrificado se vuelve inestable, emitiendo finalmente gotas de forma caótica y provocando su producción descontrolada y pérdida de monodispersidad.
En el electroflujo, las tensiones eléctricas e hidrodinámicas se acoplan en un dispositivo microfluídico de cofluido16 similar al utilizado para generar emulsiones dobles12. Dos características principales permiten que el electroflujo tenga éxito en alcanzar un régimen de emisión en estado estacionario: (i) la fase dispersa se expulsa a otro líquido viscoso de coflujo, y (ii) el uso de un contraelectrodo líquido o tierra. Tener un líquido exterior que fluye ha demostrado cambiar las propiedades geométricas del proceso de emisión degotas 17. El contraelectrodo líquido permite la descarga y extracción de las gotas resultantes, asegurando la generación de gotas en estado estacionario. Además, al explotar el equilibrio de las fuerzas eléctricas e hidrodinámicas, los tamaños de gota resultantes pueden variar potencialmente dentro de un rango más amplio que los tamaños que pueden ser cubiertos por cualquiera de las técnicas mencionadas anteriormente.
Este protocolo de video detallado está destinado a ayudar a los nuevos profesionales en el uso y fabricación de microfluídica a base de vidrio.

<table><tbody><tr><td>2-[metoxi(polietilenoxi)6-9propil] trimetoxisilano.</td><td>Gelest</td><td>SIM6492.7</td><td></td></tr><tr><td>Baldosa cerámica</td><td>Sutter</td><td>CTS</td><td></td></tr><tr><td>Etilenglicol</td><td>Fisher</td><td>BP230</td><td>Estos se pueden encontrar en otras empresas como Sigma-Aldrich</td></tr><tr><td>Hexane</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>34859</td><td>Disponible en otros proveedores</td></tr><tr><td>ITW Polymers Adhesives Devcon 5 Minute Epoxy Adhesive 25 mL Dev-Tube</td><td>Adhesivos Ellsworth</td><td>470740</td><td></td></tr><tr><td>Microforge</td><td>Narishige</td><td>MF 830</td><td></td></tr><tr><td>Extractor de micropipetas</td><td>Sutter</td><td>P97</td><td></td></tr><tr><td>Portaobjetos de microscopio</td><td>Fisher</td><td>12-544-1</td><td>Disponible en otros proveedores</td></tr><tr><td>Aguja 20 Calibre, .0255" ID, .0355" OD, 1/2" de largo</td><td>McMaster</td><td>75165A677</td><td></td></tr><tr><td>SDS</td><td>Sigma-aldrich</td><td>428015</td><td>Surfactante</td></tr><tr><td>Silicona aceite</td><td>Clearco</td><td>PSF-10cSt</td><td>El número de catálogo corresponde al aceite de viscosidad 10cSt. En esta empresa se pueden encontrar aceites de diferentes viscosidades</td></tr>: <tr><td>Span 80</td><td>Fisher</td><td>S0060500G</td><td>tensioactivo no iónico</td></tr><tr><td>Capilar de vidrio cuadrado de 2 mm de diámetro interno (borosilicato de 300 o 600 mm de largo)</td><td>VitroCom</td><td>S 102</td><td></td></tr><tr><td>Capilares de vidrio estándar, 6 pulg., 2 / 1,12 OD/ID</td><td>Instrumentos de precisión mundial</td><td>1B200-6</td><td>Estos se pueden encontrar en otras empresas como Sutter o Vitrocom</td></tr><tr><td>Bomba de</td> <td>jeringaChemyx</td><td>FUSION 100-X</td><td>Este modelo tiene una buena relación calidad/precio</td></tr><tr><td>Jeringas (dependerá de la compatibilidad con los líquidos)</td><td>El</td> número de catálogo de Fisher <td></td><td>dependerá del tamaño</td></tr><tr><td>Trimetoxi(octil)silano</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>376221</td><td>Disponible en otros proveedores</td></tr><tr><td>Tubos (dependerá de la compatibilidad con los líquidos)</td><td>Productos científicos</td><td>BB3165-PE/5</td><td>Esta referencia es para micro tubos de polietileno. El tamaño se ajusta al tamaño de la aguja que se indica aquí</td></tr></tbody></table>

dispositivos a base de vidrio para generar gotas y emulsiones

Glass-Based Devices to Generate Drops and Emulsions

En este manuscrito, se describen tres protocolos paso a paso diferentes para generar gotas de emulsión altamente monodispersas utilizando microfluídica a base de vidrio. El primer dispositivo está diseñado para la generación de gotas simples impulsadas por la gravedad. El segundo dispositivo está diseñado para generar gotas de emulsión en un esquema de coflujo. El tercer dispositivo es una extensión del dispositivo de coflujo con la adición de un tercer líquido que actúa como un suelo eléctrico, permitiendo la formación de gotas electrificadas que posteriormente se descargan. En esta configuración, dos de los tres líquidos tienen una conductividad eléctrica apreciable. El tercer líquido media entre estos dos y es un dieléctrico. Una diferencia de voltaje aplicada entre los dos líquidos conductores crea un campo eléctrico que se acopla con las tensiones hidrodinámicas de los líquidos que fluyen, afectando el proceso de formación de chorros y caídas. La adición del campo eléctrico proporciona un camino para generar gotas más pequeñas que en los dispositivos de coflujo simples y para generar partículas y fibras con una amplia gama de tamaños.

En este manuscrito, se han diseñado tres dispositivos diferentes para generar gotas. Hemos generado gotas con un tamaño de (3.29 ± 0.08) mm (Figura 4B) y (1.75 ± 0.04) mm (Figura 4C) utilizando el dispositivo descrito en el paso 1. Las gotas de emulsión se pueden generar utilizando el coflujo y los dispositivos de electroflujo. Para este último, mostramos el goteo en la Figura 9, mientras que los modos de chorro de cono y azote se m...

Aquí, se presenta un protocolo para fabricar dispositivos microfluídicos a base de vidrio utilizados para generar emulsiones altamente monodispersas con tamaño de gota controlado.

Dispositivos a base de vidrio para generar gotas y emulsiones

In this manuscript, three different step-by-step protocols to generate highly monodisperse emulsion drops using glass-based microfluidics are described. ...

Este protocolo describe cómo fabricar dispositivos microfluídicos a base de vidrio en detalle. Seguir este protocolo permitirá a cualquier persona sin experiencia construir y usar estos dispositivos. Con el vidrio, podemos hacer que las superficies sean fácilmente hidrófobas o hidrófilas, lo que hace que los dispositivos a base de vidrio sean atractivos para generar gotas de emulsión estables.Existen múltiples aplicaciones para gotas y emulsiones en campos tan diversos como la cosmética, la industria alimentaria y la administración de medicamentos. En este manuscrito, enfatizamos un poco más sobre su uso en la agricultura intensiva. Recomendamos ser paciente en cada paso.También verifique que la punta esté limpia y no esté rota. No espere hasta que se complete el dispositivo para verificarlos. Para hacer gotas simples, use una base de vidrio hecha con un portaobjetos de microscopio para construir el dispositivo.Para la punta, use capilares de vidrio redondo de un milímetro de diámetro. A continuación, use una aguja de jeringa de calibre 20 para facilitar la introducción del líquido en el capilar. Usando una cuchilla de afeitar o un bisturí, talle un agujero igual al tamaño del diámetro exterior del capilar en la base de la aguja.Enjuague la aguja con agua para eliminar el polvo y las fibras del corte y permita que la aguja se seque al aire. Para ensamblar el dispositivo, pegue el capilar redondo al portaobjetos del microscopio colocando la punta del capilar de uno a dos centímetros fuera del extremo del portaobjetos del microscopio y agregando un poco de epoxi en el centro del capilar para que no interfiera con el campo de visión o con la aguja de la jeringa. A continuación, coloque la aguja de la jeringa de tal manera que el extremo del capilar se encuentre en el centro de la aguja y coloque una pequeña cantidad de epoxi endurecido alrededor del borde en la parte inferior de la aguja.Después de unos minutos, aplique la segunda capa de epoxi fresco, cubriendo la base de la aguja y evitando el agujero. Luego, cubra el orificio con epoxi endurecido para evitar que el epoxi fluya dentro de las agujas. Para generar gotas, coloque el dispositivo en posición vertical usando una abrazadera de tal manera que la punta esté hacia abajo como un grifo de cocina.Use una bomba de jeringa o una configuración accionada por presión para bombear el líquido al dispositivo. Para hacer gotas de emulsión, use un capilar cuadrado de cinco centímetros de largo para el líquido externo y un capilar redondo de un milímetro de diámetro. Asegúrese de que la longitud del capilar redondo sea varios centímetros más larga que el capilar cuadrado.Haga coincidir el diámetro exterior del capilar redondo con el tamaño interno del capilar cuadrado para garantizar que ambos capilares estén alineados coaxialmente. A continuación, para ensamblar el dispositivo, pegue el capilar cuadrado al portaobjetos del microscopio colocando la punta del capilar de uno a dos centímetros fuera del extremo del portaobjetos del microscopio y aplicando un poco de epoxi en el centro del capilar. Espere hasta que el epoxi se cure por completo.Luego, introduzca el capilar redondo en el capilar cuadrado de tal manera que el extremo del capilar redondo en la diapositiva esté a unos pocos centímetros del final del capilar cuadrado. El otro extremo del capilar redondo que está dentro del capilar cuadrado debe estar a una distancia aproximadamente igual al diámetro del capilar redondo desde el extremo del capilar cuadrado. Pegue el capilar redondo con un toque de epoxi a media distancia entre el extremo del capilar redondo y el comienzo del capilar cuadrado y espere hasta que el epoxi se cure por completo.Para alojar el capilar en la base de la aguja, talle un agujero en la base de la tapa redonda que es del tamaño del diámetro exterior del capilar. Luego, para ajustar la otra aguja en el extremo del capilar cuadrado, talle un orificio redondo y un cuadrado en la base de la aguja para acomodar la articulación. Después de cortar, enjuague las agujas con agua y déjelas secar al aire.Luego péguelos como se demostró anteriormente. Para construir el dispositivo microfluídico, corte dos trozos pequeños de un portaobjetos y, con epoxi, péguelos a dos portaobjetos de microscopio para mantener los portaobjetos juntos. Espere hasta que el epoxi se cure por completo.Usando un escriba de diamante, corte el capilar cuadrado a una longitud de aproximadamente cuatro centímetros. Use el capilar cuadrado con un lado interno que coincida con el diámetro exterior del capilar redondo para alinear los capilares coaxialmente. Para este protocolo, use un capilar lateral de dos milímetros.Luego, usando una máquina de tirar de pipetas, tire de un capilar redondo para obtener dos medios capilares con una punta delgada. A continuación, utilizando una micro forja, corte la punta de uno de los medios capilares al diámetro deseado. Para usar la otra mitad como colector capilar, corte la punta tirada para que se recuperen los extremos planos originales.Pega el capilar cuadrado a los portaobjetos. No coloque el capilar en el medio de los portaobjetos, ya que las articulaciones de los portaobjetos no deben estar en la región de visualización. Luego, coloque la punta y el colector capilar dentro del capilar cuadrado a unos dos milímetros de distancia.Para evitar la articulación, coloque los extremos de la punta y los capilares del colector en el mismo lado. Para fabricar conexiones a los extremos abiertos de los capilares, coloque cuatro agujas que cubran estos extremos y pegue las agujas como se demostró anteriormente. Para probar el dispositivo en busca de fugas, cierre dos de las agujas con una pieza doblada de tubo sostenida por un clip de aglutinante.Luego, usando una jeringa, bombee manualmente agua desionizada al dispositivo a través de una de las agujas usando la última aguja como salida. Si no se observan fugas, bombee el agua a través de la siguiente aguja repitiendo el proceso para las cuatro agujas. Si se encuentra una fuga, seque bien el dispositivo, aplique epoxi y espere una hora antes de volver a probar.Después de confirmar que no hay fugas, llene el dispositivo con líquido experimental y elimine las burbujas de aire. A continuación, conecte el líquido interno o la jeringa de fase dispersa a la aguja uno, el líquido externo o la fase continua a la aguja dos, y el líquido colector o el electrodo del contador a la aguja cuatro. La aguja tres es para la salida.Finalmente, conecte la fuente de alimentación a las agujas que alimentan los líquidos internos y del colector para establecer una diferencia de potencial entre la punta y el líquido del colector. En este estudio, se generaron aproximadamente gotas de aceite de silicona de 3,3 milímetros utilizando una punta de 580 micrómetros. Y se generaron gotas de 1,75 milímetros utilizando una punta de 86 micrómetros.Además, se generaron gotas de emulsión utilizando dispositivos de electroflujo en los modos de goteo, chorro de cono y azote. En estos resultados, se utiliza el mismo líquido como líquidos internos y colectores. Sin embargo, si el objetivo de los experimentos es recolectar estas gotas, se debe usar un líquido conductor diferente como colector.Sea paciente y espere hasta que el epoxi se cure. Si se moja, nunca se secará y deberá comenzar todo el procedimiento nuevamente. Se pueden generar múltiples emulsiones utilizando en combinaciones de enfoque de flujo en una serie intrigante.Cada esquema adicional agregará un shell a la caída de movimiento. También se pueden utilizar secciones de enfoque de flujo.

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Investigación

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Ingeniería

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Métodos de detección de fluorescencia para las plataformas de las gotas de microfluidos

Impacto de la gota de fluidos no newtonianos es un proceso complejo ya que los diferentes parámetros físicos influyen en la dinámica durante un tiempo muy corto (menos de un décimo de un milisegundo). Una técnica de imagen rápida se introdujo con el fin de caracterizar los comportamientos de impacto de los diferentes fluidos no newtonianos.

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Este artículo describe los protocolos para la fabricación de microgel de metacriloilo de gelatina de alto rendimiento utilizando dispositivos microfluídicos, la conversión de microgeles en polvo resuspendible (micro-aerogeles), el ensamblaje químico de microgeles para formar andamios de hidrogel granular y el desarrollo de biotintas de hidrogel granular con microporosidad preservada para bioimpresión 3D.

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Aprende a fabricar dispositivos microfluídicos de vidrio para generar emulsiones estables con tamaños de gota controlados. Este protocolo accesible permite crear superficies hidrofóbicas o hidrofílicas para aplicaciones en agricultura intensiva y otras industrias.

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