Name: Fabbricando goccioline ad alta viscosità mediante capillare dispositivo microfluidico con struttura di co-flusso di inversione di fase (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-17T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 2 s
Description: Scopri come generare goccioline monodisperse ad alta viscosità con un dispositivo microfluidico a co-flusso con inversione di fase. Questo metodo semplice consente di manipolare fluidi viscosi fino a 12 Pa·s.

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Questo lavoro è stato supportato dal National Natural Science Foundation della Cina (nn. 51420105006 e 51322501). Grazie Daniel per la sua utile discussione sulle idee ad alta viscosità.

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Il dispositivo di inversione di fase del co-flusso fornisce un metodo semplice e dritto in avanti per generare goccioline ad alta viscosità monodispersi. Questo dispositivo ha una struttura simile ai comuni dispositivi di co-flow, come la struttura di base del co-flusso è costituito da un tubo interno inserito nel tubo centrale, l'uscita di cui è collegato al tubo di uscita. Tuttavia, ci sono due principali differenze tra il dispositivo di co-flusso inversione di fase e comune co-flusso dispositivo per la generazione di ...

La generazione di goccioline sta diventando una tecnologia chiave in una varietà di applicazioni, come ad esempio la consegna della droga, sintesi di materiali, 3D multimateriali, analisi delle cellule e cibo ingegneria1,2,3,4 , 5 , 6. dispositivi microfluidici con incrocio a t7,8, co-flusso1,9, o flusso di messa a fuoco10,11 strutture sono ampiamente usati per generare monodispersi goccioline di emulsione singola. Selezione di una fase continua più viscosa faciliterà la formazione di goccioline12, e la viscosità dei fluidi sia continui e dispersi sono comunemente sotto 0,1 Pas gocciolina microfluidica13. Tuttavia, in molte applicazioni, la fase dispersa può avere una viscosità diverse centinaia di volte superiore a quella dell'acqua, come il glicerolo14, soluzioni contenenti nanoparticelle15, proteine16o polimeri17 , 18 , 19, mentre è difficile raggiungere le goccioline monodispersi direttamente da fluidi ad alta viscosità in una stalla grondante regime11 in dispositivi microfluidici, soprattutto per fluidi con viscosità di η > 1 PA · s14 ,17,18,19. Inoltre, è stato segnalato13,18 che microfluidici tipici metodi per la formazione di goccioline richiedono fluidi con viscosità relativamente bassa e moderata tensione interfacciale per formare goccioline uniformi in un stabile gocciolante regime.
Per una fase dispersa con una viscosità leggermente maggiore di 0,1 Pas, ci sono diversi approcci possibili per facilitare la formazione della gocciolina con tipico incrocio a t, co-flow o flusso di messa a fuoco dispositivi microfluidici: (1) diminuzione della viscosità dei dispersi fase di diluirlo in un solvente volatile11,20; (2) diminuire il rapporto di viscosità dispersi-a-continuo aumentando la viscosità della fase continua1,11; (3) diminuire la portata della fase dispersa su un valore estremamente basso, mantenendo un alto flusso continuo--dispersi tasso rapporto 14,19. Tuttavia, questi approcci non sono pratici per fluidi con viscosità molto più alto, come si abbasserà significativamente il tasso di produzione, aumentando drasticamente il consumo del solvente volatile o la fase continua. In aggiunta, è stato segnalato che alcune soluzioni di polimero ad alta viscosità con η > 1 PA · s ancora non hanno rotto in goccioline con gli approcci di cui sopra17,19.
Ci sono anche parecchi disegni migliorati di dispositivi microfluidici che introducono una terza fase del fluido nel sistema, che facilita la generazione di goccioline ad alta viscosità. Le innovazioni includono: bolle introdotte per tagliare un filo di trivellazione a getto in goccioline21, un fluido chaperoning immiscibile con viscosità moderata, introdotto come la fase intermedia tra la fase di dipsersed e la fase continua18, e microreattori introdotto per generare goccioline ad alta viscosità da due precursori di bassa viscosità21,22,23. Tuttavia, come un più fluido è coinvolto nel processo, il sistema diventa più complicato e i dispositivi di solito lavorano in un regime di flusso molto più ristretto rispetto ai tipici dispositivi per la generazione di goccioline di emulsione singola.
Per generare monodispersi goccioline direttamente da un fluido ad alta viscosità con η > 1 PA · s, metodi di inversione di fase controllata di superficie sono stati studiati24. Come la generazione di goccioline di bassa viscosità è molto più facile di quello di goccioline ad alta viscosità12, allungate bassa viscosità goccioline in una fase di continua ad alta viscosità innanzitutto vengono generate utilizzando una struttura tipica co-flow e quindi sono suddivisi in due al cambiamento di bagnabilità superficiale a valle della struttura co-flow. Il fluido rilasciato di bassa viscosità inversamente incapsula il fluido ad alta viscosità a valle in goccioline affinché inversione di fase è stata completata. Secondo il meccanismo di inversione di fase, possono essere generate goccioline ad alta viscosità monodispersi basato su un dispositivo tipico co-flow, mentre l'uscita del dispositivo co-flow è trattata per essere bagnata dal liquido a bassa viscosità e quindi collegato ad un tubo più largo24 ,25.

<table><tbody><tr><td>Tubi in vetro VitroTubes</td><td>VitroCom</td><td>8240</td><td>Square - Tubo in vetro cavo miniaturizzato, I.D.=0,4 mm, OD=0,8 mm</td></tr><tr><td>Tubo in vetro VitroTubes</td><td>VitroTubes VitroCom</td><td>CV2033</td><td>Round - Tubo in vetro cavo miniaturizzato, I.D.=0,2 mm, O.D.=0,33 mm</td></tr><tr><td>Tubo in vetro VitroTubes</td><td>VitroCom</td><td>CV1017</td><td>Round - Tubo in vetro cavo miniaturizzato, I.D.=0,1 mm, O.D.=0,17 mm</td></tr><tr><td>Tubo in vetro VitroTubes</td><td>VitroCom</td><td>Q14606</td><td>Quadrato - Tubo di vetro cavo in miniatura, ID = 1,05 mm + 0,1 / -0, OD = 1,5 mm</td></tr><tr><td>Capillari in vetro standard</td><td>WPI</td><td>1B100-6</td><td>Rotondo - Tubo di vetro, ID = 0,58 mm, OD = 1,00 mm</td></tr><tr>Reagente chimico al<td>glicerolo</td><td>Sinopharm Pechino</td><td>10010618</td><td></td></tr><tr><td>Paraffina liquida</td><td>Reagente chimico Sinopharm Pechino</td><td>30139828</td><td></td></tr><tr><td>Poli(alcol vinilico), PVA-124</td><td>Sinopharm Reagente chimico Pechino</td><td>30153084</td><td></td></tr><tr><td>Span 80</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>85548</td><td></td></tr><tr><td>Amido</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S9765</td><td></td></tr><tr><td>Tricloro (ottadecil) silano</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>104817</td><td></td></tr><tr><td>Toluidina Blu O</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>T3260</td><td></td></tr><tr><td>Miele</td><td></td><td></td><td>Miele di agnocasto, comune prodotto alimentare acquistato dal supermercato</td></tr><tr><td>DEVCON 5 Minute Epoxy</td><td>ITW&nbsp;</td><td></td><td>Colla epossidica</td></tr><tr><td>Punta smussata Aghi di erogazione in acciaio inossidabile (Luer Lock)</td> <td>Ago di Suzhou Lanbo, Cina</td><td>LTA820050</td><td>20G x 1/2"&nbsp;</td></tr><tr><td>Scriber in tungsteno/carburo</td><td>Ullman</td><td>1830</td><td>Per il taglio di tubi in vetro</td></tr><tr><td>Vetrini per microscopio Vela</td><td>Marca</td><td>7101</td><td>76,2 mm x 25,4 mm, Spessore 1 - 1,2 mm</td></tr><tr><td>Tubi in polietilene</td><td>Materie prime scientifiche</td><td>BB31695-PE/5</td><td>ID = 0,86 mm, O.D. = 1,32 mm</td></tr><tr><td>Pompe a siringa</td><td>Pompa più lunga, Cina</td><td>LSP01-1A</td><td>3 pompe necessarie per gli esperimenti</td></tr></tbody></table>

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

Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure

La generazione di monodisperse goccioline ad alta viscosità è sempre stata una sfida in gocciolina microfluidica. Qui, dimostriamo un dispositivo di co-flusso di inversione di fase per generare goccioline ad alta viscosità uniforme in un fluido a bassa viscosità. Il dispositivo capillare di microfluidica ha una struttura comune di co-flow con relativa uscita di collegamento ad un tubo più largo. Allungata goccioline del liquido a bassa viscosità vengono incapsulate in primo luogo dal fluido ad alta viscosità nella struttura del co flusso. Le goccioline di bassa viscosità allungate scorrono attraverso l'uscita, che è trattata per essere bagnata dal liquido a bassa viscosità, inversione di fase quindi è indotta dall'adesione delle goccioline bassa viscosità fino alla punta dell'uscita, che si traduce nell'inverso successiva incapsulamento del fluido ad alta viscosità. La dimensione delle goccioline ad alta viscosità risultante può essere regolata modificando il rapporto di tasso di flusso del fluido bassa viscosità al fluido ad alta viscosità. Dimostriamo diversi esempi tipici della generazione di goccioline ad alta viscosità con viscosità fino a 11,9 Pas, come soluzione di glicerolo, miele, amido e polimero. Il metodo fornisce un approccio semplice e diretto per generare goccioline ad alta viscosità monodispersi, che possono essere utilizzate in una varietà di applicazioni basate su goccia, come sintesi dei materiali, consegna della droga, l'analisi delle cellule, Bioingegneria e cibo Ingegneria.

Un dispositivo di microfluidica capillare con un'inversione di fase, struttura del co-flusso è stato progettato per generare monodispersi acquoso goccioline ad alta viscosità, come mostrato in Figura 1A. Nella Figura 1, la fase acquosa ad alta viscosità è stato il glicerolo, che ha una viscosità di ηw = 1,4 Pas; la fase di olio a bassa viscosità era paraffina liquida, che ha una viscosità di ηo</...

Un dispositivo di co-flusso di inversione di fase è dimostrato per generare goccioline ad alta viscosità monodispersi sopra 1 Pas, che è difficile da realizzare in gocciolina microfluidica.

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

The generation of monodisperse droplets with high viscosity has always been a challenge in droplet microfluidics. Here, we demonstrate a phase-inversion ...

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.

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Un nuovo sistema di microfluidica è stato sviluppato utilizzando il fenomeno del pompaggio passiva e di un controllo utente del sistema di consegna del fluido. Questo sistema di microfluidica ha il potenziale per essere utilizzato in una vasta gamma di applicazioni biologiche dato il suo basso costo, facilità d'uso, precisione volumetrica, alta velocità, ripetibilità e automazione.

Alta velocità Droplet basato Delivery System per pompaggio passiva in dispositivi microfluidici

Combinando goccia generazione monodisperse con ordinamento inerziale di cellule e particelle, si descrive un metodo per incapsulare un numero desiderato di celle o particelle in una singola goccia a tassi kHz. Abbiamo dimostrato efficienze due volte superiori a quelli di incapsulamento non ordinate per raccogliere le gocce singola e doppia-particelle.

High Throughput singola cellula e cellula Multiple-Micro-incapsulamento

La generazione di doppie emulsioni microfluidiche coinvolge tipicamente dispositivi con bagnabilità modellata o componenti in vetro fabbricati su misura. Qui descriviamo la fabbricazione e il collaudo di un generatore di doppia emulsione interamente in polidimetilsilossano (PDMS) che non richiede trattamenti superficiali o complicati processi di fabbricazione ed è in grado di produrre doppie emulsioni fino a 14 μm.

Doppia Emulsione Generazione Utilizzando un Polidimetilsilossano (PDMS) coassiale flusso fuoco Dispositivo

Qui, dimostriamo un semplice metodo di produzione per microgoccioline di acqua in olio (W/O) controllabili in dimensioni controllabili utilizzando un dispositivo microfluidico centrifugo basato su capillari. Questo metodo richiede solo un piccolo volume di campione e consente una produzione ad alto rendimento. Ci aspettiamo che questo metodo sarà utile per analisi biochimiche e cellulari rapide.

Centrifuga dispositivo a microfluidi capillare a base per la Formazione Size-controllabile di Monodisperse microgocce

Protocolli sono descritti per la realizzazione di idrogeli degradabile Hydrogel basati su idrazone cross-linking di oligomeri polimerici sulla scala di massa, microscala e su scala nanometrica, quest'ultimo per preparazione di nanoparticelle di gel e di nanofibre.

Fabbricando degradabile Hydrogel idrogeli su scale di lunghezza Multiple tramite estrusione reattiva, microfluidica, auto-assemblaggio ed elettrofilatura

I dispositivi microfluidici multistrato spesso comportano la fabbricazione di stampi master con geometrie complesse per la funzionalità. Questo articolo presenta un protocollo completo per la fotolitografia multi-step con valvole e funzioni ad altezza variabile adattabili a qualsiasi applicazione. A titolo dimostrativo, fabbrichiamo un generatore di goccioline microfluidiche in grado di produrre perle di idrogel.

Multi-step altezza variabile fotolitografia per Valvolati multistrato microfluidici Devices

Qui, presentiamo un protocollo per illustrare i processi di fabbricazione e gli esperimenti di verifica di un semi-three-dimensional (semi-3D) flusso di messa a fuoco chip microfluidico per formazione di goccioline.

Generazione di dimensione controllata poli (glicol etilenico) diacrilato goccioline tramite dispositivi microfluidici concentrandosi flusso Semi-3-dimensionale

Dimostriamo la fabbricazione e l'uso di un dispositivo microfluidico che consente più particelle rilevamento misure microrheology per studiare gli effetti reologici ripetute delle transizioni di fase su materia soffice.

Combinazione di microfluidica e Microrheology per determinare le proprietà reologiche dei materiali molli durante le transizioni di fase ripetute

Qui viene presentato un protocollo per la produzione di dispositivi microfluidici a base di vetro utilizzati per generare emulsioni altamente monodisperse con dimensioni di goccia controllate.

Dispositivi a base di vetro per generare gocce ed emulsioni

Qui viene presentata la fabbricazione di un dispositivo a doppio strato basato su polidimetilsilossano (PDMS) per la produzione di librerie combinatorie in emulsioni acqua-in-olio (tappi). L'hardware e il software necessari per automatizzare la produzione di tappi sono dettagliati nel protocollo e viene dimostrata anche la produzione di una libreria quantitativa di tappi fluorescenti.

Dispositivo microfluidico a doppio strato per la produzione di tappi combinatori

Il protocollo descrive una piattaforma microfluidica avanzata per misurare quantitativamente le dinamiche di secrezione di citochine di singole cellule mononucleate del sangue periferico umano. La piattaforma misura fino a tre citochine in parallelo (IL-6, TNFα e IL-1β) per ogni singola cellula stimolata con lipopolisaccaride come esempio.

Approccio microfluidico per risolvere la secrezione simultanea e sequenziale di citochine di singole cellule polifunzionali 

Scopri come generare goccioline monodisperse ad alta viscosità con un dispositivo microfluidico a co-flusso con inversione di fase. Questo metodo semplice consente di manipolare fluidi viscosi fino a 12 Pa·s.

Fabbricando goccioline ad alta viscosità mediante capillare dispositivo microfluidico con struttura di co-flusso di inversione di fase (Video) | JoVE Journal

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

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