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

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di utilizzare la microfluidica per indurre transizioni di fase consecutive in un singolo campione di materia soffice scambiando il fluido circostante e misurando contemporaneamente i cambiamenti nelle proprietà reologiche utilizzando la microreologia a tracciamento di particelle multiple. Questo metodo può rispondere a domande chiave nel campo della materia soffice, come l'impatto delle transizioni di fase, incluso il riarrangiamento molecolare o colloidale sulle proprietà reologiche dinamiche. Il vantaggio principale di questa tecnica è che il campione rimane in posizione durante le transizioni di fase multiple, consentendo la caratterizzazione in tempo reale.

Ciò consente la quantificazione delle proprietà reologiche, in particolare le proprietà uniche in sistemi eterogenei. Per iniziare la procedura, stampare il negativo del dispositivo microfluidico su un foglio di acetato trasparente e riscaldare una lampada UV ad alta intensità. Su un secondo foglio di acetato trasparente, tracciare gli angoli di una diapositiva di 75 millimetri per 50 millimetri.

Posizionare distanziatori di vetro alti un millimetro sugli angoli. Versare circa cinque millilitri di resina tiol-ene polimerizzabile con raggi UV al centro dei distanziatori. Appoggiare con cura un vetrino da 75 millimetri x 50 millimetri x un millimetro sui distanziatori per coprire la resina.

Assicurarsi che non ci siano bolle d'aria tra il vetrino e la resina. Posizionare il negativo stampato sul vetrino. Trascinare con cautela il gruppo sotto la lampada UV e lasciare indurire la resina per 45 secondi.

Quindi, far scorrere il gruppo lontano dalla lampada UV e rimuovere il vetrino modellato o il timbro microfluidico. Immergere il timbro microfluidico nell'acetone per non più di 10 secondi, quindi immergere il timbro nell'etanolo per lo stesso periodo di tempo. Ripeti questa sequenza di immersione una volta.

Quindi, immergere il timbro in acqua distillata. Lavorando con un movimento minimo della mano, utilizzare un batuffolo di cotone per rimuovere la resina rimanente senza toccare la resina polimerizzata. Sostituire il batuffolo di cotone quando si satura d'acqua.

Polimerizzare il timbro sotto la luce UV per altri 30 minuti. Quindi, mescolare 70 grammi di base PDMS con un agente reticolante in un rapporto di uno a 10 e degassare il PDMS per un'ora o fino a quando il PDMS non è più torbido. Posizionare il timbro microfluidico rivolto verso l'alto in una piastra di Petri di plastica da 150 millimetri.

Versare lentamente il PDMS nella teglia, versandola vicino alla superficie della pirofila per ridurre al minimo la formazione di bolle, per coprire completamente il timbro. Coprire la capsula di Petri e polimerizzare il PDMS a 55 gradi Celsius durante la notte. Usa un coltello per tagliare via il PDMS in eccesso.

Separare a mano il PDMS modellato dal timbro. Rimuovere il timbro e il PDMS in eccesso dalla piastra di Petri. Quindi, posizionare il piatto su un foglio di carta stampato con le posizioni dei fori esterni simmetrici per la camera del campione.

Allineare il PDMS modellato con la guida e utilizzare un punzone per biopsia da 5 millimetri per praticare dei fori attraverso il PDMS nelle posizioni contrassegnate. La caratteristica principale di questo dispositivo è la simmetria tra i canali di ingresso e la stessa camera. Ciò consente lo scambio di fluido senza perdita di campione.

È importante utilizzare un modello di guida per garantire la precisione durante il taglio dei canali. Infine, praticare un foro al centro della camera del campione, sul bordo interno della camera di aspirazione e su ciascuna estremità dei canali esterni lunghi. Coprire la capsula di Petri quando si conserva il PDMS modellato.

Un giorno prima dell'assemblaggio del dispositivo, preparare il fluido preconvertito che verrà utilizzato per creare pareti di vetro nel dispositivo microfluidico. Per iniziare l'assemblaggio del dispositivo, il plasma tratta il PDMS modellato e un sottile vetrino per 40 secondi. Premere con cautela insieme le facce trattate al plasma del vetrino e il PDMS modellato.

Applicare la resina polimerizzabile ai raggi UV sulla giuntura tra il PDMS e il vetrino e polimerizzare la resina sotto la luce UV a bassa intensità per cinque minuti. Quindi, inserire i tubi termoplastici dotati di connettori in acciaio inossidabile in tutti i fori angolari tranne uno del PDMS modellato. Collegare una siringa da tre millilitri di fluido preconvertito all'ultimo foro utilizzando un ago calibro 18, un tubo termoplastico e un connettore.

Riempire il dispositivo microfluidico con fluido preconvertito. Quindi, posizionare il dispositivo su una piastra riscaldata a 100 gradi Celsius e, nel corso di 10 secondi, far scorrere tre millilitri di fluido preconvertito attraverso il dispositivo per fabbricare le pareti di vetro. Quindi, rimuovere il dispositivo dalla piastra riscaldante.

Utilizzare una siringa da 30 millilitri d'aria per espellere il liquido preconvertito in eccesso. Far fluire lentamente 15 millilitri di cloroformio attraverso il dispositivo, seguiti da 30 millilitri di etanolo, ciascuno nel corso di circa un minuto. Quindi, spingere l'aria attraverso il dispositivo microfluidico fino a quando non si asciuga.

Rimuovere il tubo dai fori. Quindi, utilizzare la resina polimerizzabile UV per fissare strisce di vetro spesse un millimetro alla parte inferiore dei bordi lunghi del dispositivo. Tagliare un pezzo di 30 x 30 millimetri di PDMS polimerizzato in eccesso e praticare un foro più largo della camera del campione al centro per formare la bacinella del solvente.

Il plasma tratta la vasca e il dispositivo microfluidico per 40 secondi. Posizionare la faccia trattata al plasma della bacinella sul dispositivo con la camera del campione centrata nel foro. Applicare una leggera pressione per fissare la bacinella al dispositivo.

Infine, taglia sei quadrati da cinque millimetri dal PDMS in eccesso. Usa un punzone per biopsia da 5 millimetri per praticare un foro a metà di ogni quadrato. Inserire un connettore in acciaio inossidabile in ciascun foro per formare i tappi PDMS.

Dopo aver caricato il campione di materia soffice in una siringa da un millilitro, inserire il tubo termoplastico in tre dei canali di ingresso angolari del dispositivo e nell'uscita della camera di aspirazione. Riempi un'altra siringa con acqua deionizzata. Collegare il tubo termoplastico alla siringa ed espellere eventuali bolle d'aria.

Collegare la siringa al canale di ingresso del quarto angolo. Riempire il dispositivo e la vaschetta del solvente con acqua deionizzata. Assicurarsi che non vi siano bolle nella camera del campione o nei canali microfluidici.

Se necessario, rabboccare l'acqua nella vaschetta del solvente con una pipetta di trasferimento. È essenziale che il dispositivo microfluidico sia configurato correttamente. Soprattutto, assicurati che non ci siano bolle d'aria nel dispositivo, in quanto possono interrompere sia il flusso microfluidico che i dati microreologici.

Quindi, iniettare 10 microlitri del campione di materia soffice nella camera del campione attraverso l'ingresso centrale a circa due microlitri al secondo. Tappare l'ingresso centrale dopo aver caricato il campione. Utilizzando un microscopio invertito e una telecamera ad alta velocità, registrare almeno 20 video del moto browniano delle sonde nella miscela di campioni su intervalli di tempo appropriati per la durata della transizione di fase.

Per la gelificazione, continuare a registrare video fino a quando il movimento della sonda non si è fermato completamente. Per la degradazione, continuare a registrare video fino a quando le sonde non sono completamente diffusive. Quindi, rimuovere il dispositivo dal tavolino del microscopio.

Per sostituire l'acqua con un fluido a densità più elevata, prelevare l'acqua dalla vaschetta del solvente utilizzando una pipetta di trasferimento e pipettare quattro millilitri di fluido a densità più elevata nella vasca. Rimettere il dispositivo sul tavolino del microscopio e continuare a registrare i video. Per sostituire un fluido a densità più elevata con acqua o un altro fluido a densità inferiore, collegare una siringa al canale della camera di aspirazione tramite un ago calibro 18 e un tubo termoplastico.

Montare la siringa su una pompa a siringa impostata per prelevare a un millilitro al minuto. Pipettare la maggior parte del fluido ad alta densità dalla vaschetta del solvente e sciacquare la bacinella con il fluido a bassa densità tre volte, senza mai far defluire completamente la bacinella. Riempire la bacinella con fluido a bassa densità dopo il risciacquo.

Riempire una pipetta di trasferimento con il fluido a bassa densità. Quindi, utilizzare la pompa a siringa per prelevare il fluido ad alta densità per un minuto. Aggiungere il fluido a bassa densità goccia a goccia alla bacinella secondo necessità durante lo scambio del fluido.

Quindi, tappare la camera di aspirazione e riportare il dispositivo sul tavolino del microscopio per la registrazione. Acquisisci video dei cicli di gelificazione di degradazione in questo modo per il numero di cicli desiderato o fino a quando non ci sono sonde sufficienti per la misurazione. Lo spostamento quadratico medio medio dell'ensemble delle traiettorie delle particelle della sonda è stato monitorato durante le transizioni di fase successive di un sistema di olio di ricino idrogenato tra gel e sol.

La gelificazione è stata indotta dallo scambio di acqua per gravità con un agente gelificante a densità più elevata. La degradazione è stata indotta dallo scambio del flusso di aspirazione dell'agente gelificante per l'acqua. La camera del campione è stata risciacquata con acqua quando il comportamento della fase ha suggerito che l'agente gelificante non era stato completamente rimosso dalla camera.

Non sono stati osservati cambiamenti nelle proprietà reologiche quando il campione è stato lasciato nella fase sol senza scambio di liquidi per circa 600 minuti. Le transizioni di fase ripetute non hanno indotto cambiamenti osservabili nelle proprietà reologiche di equilibrio, come mostrato dalle pendenze logaritmiche delle curve MSD o alfa che ritornano agli stessi valori per ogni fase. Il valore alfa di equilibrio della fase sol era inferiore a 1,0, indicando che il materiale ha mantenuto una certa struttura anche dopo la degradazione.

Il gel ha subito un aumento dell'eterogeneità strutturale durante la transizione di fase da gel a sol, come indicato dai picchi dei parametri non gaussiani durante i cicli di degradazione. Il riarrangiamento colloidale potrebbe verificarsi immediatamente dopo lo scambio di fluidi, come indicato dall'aumento dell'alfa. Abbiamo avuto l'idea di questo metodo per determinare se le transizioni di fase causassero cambiamenti permanenti nelle proprietà reologiche e nella microstruttura di un materiale morbido.

Nel sistema HCO, questo dispositivo ha permesso di misurare due possibili meccanismi per questi cambiamenti permanenti, il riarrangiamento colloidale durante le transizioni di fase o il taglio indotto durante la preparazione del campione. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere utilizzata per identificare le proprietà reologiche di un sistema di materia soffice su molte transizioni di fase in risposta ai cambiamenti nell'ambiente fluido circostante.