Fabbricando goccioline ad alta viscosità mediante capillare dispositivo microfluidico con struttura di co-flusso di inversione di fase

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di generare goccioline monodisperse ad alta viscosità con viscosità superiori a un pascal secondi e una fase continua a bassa viscosità tramite inversione di fase in un semplice dispositivo microfluidico co-flusso. Questo metodo può risolvere il problema chiave nel campo della microfluidica delle goccioline relativo alla manipolazione di fluidi intrinsecamente ad alta viscosità come soluzioni polimeriche ad alto contenuto di glicerolo e sospensioni di nanoparticelle. Il vantaggio principale di questa tecnica è che inizialmente genera goccioline a bassa viscosità che sono più facili da formare e controllare rispetto alle goccioline ad alta viscosità.

La successiva versione di fasatura per generare goccioline ad alta viscosità viene indotta quando le goccioline a bassa viscosità fluiscono dall'uscita di una struttura di co-flusso. A dimostrare la procedura sarà il signor Zhongnan Li, uno studente laureato dell'Università Tsinghua. Per iniziare a preparare il dispositivo, utilizzare un tracciatore in carburo di tungsteno per tagliare una lunghezza di tre centimetri di un tubo di vetro rotondo con un diametro interno ed esterno rispettivamente di 580 micrometri e un millimetro.

Questo formerà il tubo centrale del dispositivo. Per realizzare il tubo interno del dispositivo, tagliare una lunghezza di due centimetri di un tubo di vetro rotondo con un diametro interno ed esterno rispettivamente di 200 e 330 micrometri. Mettere un millilitro di ODTS in una provetta da centrifuga da 1,5 millilitri.

Immergere un'estremità del tubo centrale nell'ODTS per 10 secondi. Quindi sciacquare il tubo con azoto gassoso dall'estremità non trattata fino a quando il tubo non è asciutto. Quindi, usa una lama per tagliare una tacca di 0,5 millimetri per 0,5 millimetri.

Sul bordo del mozzo Luer di plastica di un ago smussato da mezzo pollice calibro 20, taglia una tacca di 0,5 millimetri per 0,5 millimetri e una tacca di un millimetro per un millimetro direttamente l'una di fronte all'altra sul mozzo di un secondo ago. Quindi posizionare il tubo centrale nel senso della lunghezza su un vetrino da microscopio standard con l'estremità idrofoba rivestita di ODTS che si estende per circa un centimetro oltre l'estremità stretta del vetrino. Inserire la camera d'aria nell'estremità non trattata del tubo centrale lasciando circa un centimetro della camera d'aria all'esterno del tubo centrale.

Utilizzare resina epossidica per fissare i tubi in posizione lungo la linea centrale della diapositiva. Per prestazioni migliori, regolare la posizione del tubo interno in modo che sia approssimativamente concentrato sul tubo centrale. Una volta che la resina epossidica si è solidificata, posizionare l'ago con una sola tacca sull'estremità del tubo interno in modo che il tubo si inserisca nella tacca.

Fissare l'ago in posizione con resina epossidica per formare l'ingresso dell'olio a bassa viscosità. Quindi fissare l'ago a doppia tacca sulla giunzione tra il tubo interno e quello centrale per formare l'ingresso della soluzione acquosa ad alta viscosità. Utilizzare resina epossidica per sigillare i mozzi dell'ago sia attorno ai tubi che al substrato di vetro.

Per garantire che l'ago di ingresso ad alta viscosità sia ben posizionato sul substrato, inserire il tubo centrale nella tacca grande e il tubo interno nella tacca piccola. Dopo che la resina epossidica si è asciugata, montare un tubo di polietilene lungo 20 millimetri con un diametro interno di 0,86 millimetri sopra l'estremità idrofobica del tubo centrale per completare il dispositivo. Per iniziare il processo, aspirare 0,8 millilitri di glicerolo colorato con colorante blu in una siringa da un millilitro.

Aspirare 0,8 millilitri di olio di paraffina leggero in una seconda siringa da un millilitro. Collegare la siringa di glicerolo all'ingresso della soluzione acquosa ad alta viscosità del dispositivo tramite un tubo in polietilene con un diametro interno di 0,86 millimetri. Collegare la siringa di paraffina liquida all'ingresso dell'olio a bassa viscosità.

Montare entrambe le siringhe sulle pompe a siringa. Quindi utilizzare un morsetto a due dita e un supporto da laboratorio per fissare il dispositivo verticalmente su una piastra di Petri da 35 millimetri. Regolare la posizione del dispositivo in modo che l'estremità del tubo di uscita si trovi a circa due millimetri sopra il fondo del piatto.

Versare una quantità sufficiente di paraffina liquida nella capsula di Petri per immergere l'uscita del dispositivo. Aggiungere la stessa quantità di paraffina liquida in una seconda piastra di Petri da 35 millimetri. Impostare la portata della pompa a siringa di glicerolo su due microlitri al minuto.

Impostare la portata della pompa della siringa di paraffina liquida su sei microlitri al minuto. Aziona entrambe le pompe per iniziare a generare le goccioline di glicerolo. Se lo si desidera, monitorare la generazione di goccioline con una telecamera.

Attendere circa un minuto affinché il glicerolo e la paraffina liquida fluiscano a sufficienza per formare goccioline di glicerolo uniformi. Quindi sostituire la capsula di Petri sotto l'uscita del dispositivo con la seconda piastra piena di paraffina liquida per raccogliere le goccioline uniformi. Le goccioline di glicerolo monodisperse sono state generate da dispositivi di co-flusso ad inversione di fase con tubi centrali aventi diametri di 200 o 500 micrometri.

Le goccioline monodisperse sono state generate anche da altri fluidi ad alta viscosità tra cui miele, una soluzione di amido e una soluzione di alcol polivinilico. Le goccioline di glicerolo generate dal dispositivo da 500 micrometri con portate di olio e glicerolo rispettivamente di 30 e 10 microlitri al minuto avevano un diametro medio di 521 micrometri. Le goccioline di glicerolo generate dal dispositivo da 200 micrometri alle stesse portate avevano un diametro medio di 212 micrometri.

È stato riscontrato che la dimensione delle goccioline di glicerolo cambia con le variazioni del rapporto tra la portata dell'olio e la velocità di flusso del glicerolo. L'aumento della portata dell'olio mantenendo costante la portata del glicerolo ha comportato una diminuzione della dimensione delle particelle. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come realizzare goccioline monodisperse ad alta viscosità con un dispositivo di co-flusso a inversione di fase.

A differenza dei comuni dispositivi di co-flusso, non è necessario assottigliare il capillare interno in vetro fino a una punta affilata per realizzare il dispositivo di co-flusso a inversione di fase. Il dispositivo di co-flusso ad inversione di fase può essere utilizzato per generare goccioline ad alta viscosità con viscosità dinamiche fino a 12 pascal secondi. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in 30 minuti se eseguita correttamente.