Snelle beeldvormende techniek om te studeren Drop Impact Dynamiek van niet-Newtoniaanse vloeistoffen
5 maart 2014
Drop impact van niet-Newtoniaanse vloeistoffen is een complex proces aangezien verschillende fysische parameters beïnvloeden de dynamiek gedurende een zeer korte tijd (minder dan een tiende van een milliseconde). Een snelle beeldvormende techniek is geïntroduceerd om het effect gedrag van verschillende niet-Newtonse vloeistoffen karakteriseren.
Het algemene doel van het volgende experiment is om de inslagdynamiek van niet-Newtoniaanse druppels vloeibare metalen en dichte granulaire suspensies te bestuderen met behulp van een snelle beeldvormingstechniek. Dit wordt bereikt door een snelle camerafaciliteit op te zetten om de onmiddellijke dynamiek te visualiseren wanneer druppels een oppervlak raken. Als tweede stap voeren we een reeks inslagexperimenten uit met vloeibare metalen om informatie te verstrekken over hoe de oxidatie-geïnduceerde oppervlakte-elasticiteit de spreidstraal beïnvloedt.
Vervolgens voeren we inslagexperimenten uit met dichte suspensies om hun spatbegin en spreiddynamiek te onderzoeken. Er worden resultaten verkregen die laten zien dat verschillende vloeistofparameters, zoals effectieve oppervlaktespanning, viscositeit, inslagsnelheid en diameter van gesuspendeerde deeltjes, samen de inslagdynamiek van niet-Newtoniaanse druppels bepalen. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van sleutelvragen op het gebied van dichte suspensies, zoals wanneer het gedrag van een systeem kan worden beschreven door zijn globale eigenschappen of wanneer individuele deeltjes in aanmerking moeten worden genomen.
Hoewel deze meting inzicht kan geven in de inslagdynamiek van complexe vloeistoffen, kan deze ook worden toegepast op de observatie van andere processen die snelle dynamiek omvatten, zoals de vorming van breuktoestanden, solide afscheurder van druppelvloeistofdruppels en de snelle beweging van deeltjes in granulaatsystemen. Begin met het voorbereiden van de beeldvormingsopstelling. Een component is een verticale baan die geschikt is om een spuitpompmontage te ondersteunen, de spuitpomp zodat deze naar verschillende hoogtes kan worden verplaatst om de vrije valhoogte van de testvloeistof te wijzigen.
Naast de baan bevindt zich een frame dat een schone glazen plaat ondersteunt die dient als een horizontale inslagvlak. Zorg ervoor dat het oppervlak van de plaat horizontaal is genivelleerd. Plaats een schuin weerkaatsend spiegel onder het glazen oppervlak om de druppelinslag van onderaf te visualiseren.
Bevestig vervolgens opac papier boven de glazen plaat om licht te reflecteren, om het onderste zicht te helpen bij het beeld van de inslag van vloeibaar metaal. Plaats een transparant papierdiffusor tegenover de kijkrichting om de zijkant van het beeld te helpen. Plaats vervolgens een lichtbron in het gebied achter de diffuser.
Schakel de lichtbronnen in om het inslaggebied gelijkmatig te verlichten. Niveau nu een camera met een geschikte lens op een statief zodat deze het oppervlak kan afbeelden. Verbind de camera met een computer voor controle en weergave.
Begin met monstervoorbereiding met gallium indium utic die in een verzegelde container is bewaard. Gebruik bij kamertemperatuur een pipette om drie milliliter uit de container te halen. Haal een acrylplaat en extrudeer de gallium indium UTA erop. Wacht 30 minuten tot het monster volledig is geoxideerd in de lucht.
Een dunne laag geoxideerde huid zal het monsteroppervlak volledig bedekken. Neem de juiste voorzorgsmaatregelen voor het werken met zoutzuur en bereid een zuurbad van 200 milliliter in een TER-vat. De concentratie van het bad is een experimentele parameter.
Plaats het monster in het zuurbad met het monster in het bad. Gebruik een TER om het gedurende 10 minuten bij 60 omwentelingen per seconde te scheren. Zodra de voorwas met zuur is voltooid, verwijdert u het bad van de ReMeter.
Gebruik een plastic twee milliliter spuit met een staalnozzletip van één tot twee millimeter om het monstersextract 1,5 milliliter gallium indium actic uit het bad te herstellen. Het monster is nu klaar voor gebruik en experimenten. Monteer de spuit op de spuitpompmonstervoorbereiding voor dichte suspensies.
Experimenten beginnen met een commerciële spuit waarvan het uiteinde is afgesneden om het als een cilindrische buis te gebruiken voor het doseren van de suspensie. Om de spuit te vullen. Verkrijg eerst een container met water. Plaats het uiteinde van de spuit in het water, trek de zuiger terug om het te vullen en zorg ervoor dat er geen luchtbel is.
Houd vervolgens de spuit met het openeinde omhoog. Doe sferische zirkoniumdioxide of glazen kralen in de spuit totdat deze vol is, waardoor het water eruit kan lopen. Gebruik een scheermes om extra gebonden deeltjes van de bovenkant te verwijderen om dat uiteinde plat te houden.
Draai de spuit om en monteer deze op het pompoppervlak. Spanning zal voorkomen dat de deeltjes eruit vallen. Voordat u video's opneemt, neemt u stappen om de beeldvormings- en verlichtingssystemen aan te passen en de ruimtelijke resolutie te kalibreren.
Start eerst de spuitpomp om de vloeistof met een snelheid van 20 milliliter per uur te verplaatsen. Wacht tot de vloeistof hier, een dichte suspensie, zich losmaakt van de spuit en valt om een testinslag op het glazen oppervlak te maken. Zodra de inslag heeft plaatsgevonden, zet u de spuitpomp uit.
Pas vervolgens de camerapositie en -oriëntatie aan totdat de splat op het beeldscherm wordt weergegeven. Stel vervolgens de reproductieverhouding van het beeld in op één op één en wijzig de werkafstand zodat het beeld in het brandpunt staat met de camera ingesteld op een frame. Meer dan 6.000 frames per seconde varieert de diafragmagrootte, sluitertijd, tijd en verlichtingshoek om de beste beeldkwaliteit te verkrijgen.
Zodra de camera-instellingen zijn gevonden, plaatst u een liniaal in het gezichtsveld op het beeldscherm. Gebruik de liniaal om de ruimtelijke resolutie te berekenen door het aantal pixels te tellen dat over één centimeter past. Zorg ervoor dat er geen verschil is in resolutie tussen horizontale en verticale richtingen.
Na het kalibreren van het beeldvormingssysteem start u de spuitpomp opnieuw bij 20 milliliter per uur. Tegelijkertijd maakt u de camerabesturingssoftware klaar om het inslagproces te bewaken. Oefen zorgvuldig in het bekijken terwijl de druppel begint te vormen om het handmatig activeren van de camera op het moment dat de druppel zich losmaakt van de spuitmond mogelijk te maken.
Nadat de geg
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie onderzoekt de impactdynamica van niet-Newtoniaanse druppels, specifiek vloeibare metalen en dichte granulaire suspensies, met behulp van een snelle beeldvormingstechniek. Het onderzoek is erop gericht te begrijpen hoe verschillende vloeistofparameters het gedrag van druppels bij impact beïnvloeden.
Belangrijke componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Vloeistofdynamica
- Niet-Newtoniaanse vloeistoffen
- Impactmechanica
Achtergrond
- Niet-Newtoniaanse vloeistoffen vertonen complex gedrag onder spanning.
- Het begrijpen van de dynamiek van druppelimpact is cruciaal voor diverse toepassingen.
- Snelle beeldvormingstechnieken maken real-time observatie van vloeistofgedrag mogelijk.
- Oxidatie en oppervlakte-elasticiteit kunnen de vloeistofdynamica beïnvloeden.
Doel van het onderzoek
- Om het impactgedrag van niet-Newtonse vloeistoffen te karakteriseren.
- Om te onderzoeken hoe oppervlakte-elasticiteit de spreidingsstraal beïnvloedt.
- Om het begin van spatten en de spreidingsdynamiek in dichte suspensies te onderzoeken.
Gebruikte methoden
- Gebruik van een faciliteit voor hogesnelheidsopnames voor visualisatie.
- Uitvoeren van impactexperimenten met vloeibare metalen.
- Uitvoeren van experimenten met dichte granulaire suspensies.
- Analyseren van de effecten van vloeistofparameters op de impactdynamica.
Belangrijkste resultaten
- Verschillende vloeistofparameters bepalen de impactdynamiek van niet-Newtoniaanse druppels.
- Effectieve oppervlaktespanning, viscositeit en particuuldiameter spelen een belangrijke rol.
- De resultaten bieden inzicht in wanneer globale eigenschappen versus individuele deeltjes het gedrag domineren.
- Een snelle beeldvormingstechniek legt de ogenblikkelijke dynamiek succesvol vast.
Conclusies
- De studie vergroot het begrip van niet-Newtoniaanse druppelinslagen.
- De bevindingen kunnen toekomstig onderzoek in de vloeistofdynamica en materiaalkunde informeren.
- Snelle beeldvorming is een waardevolle tool voor het bestuderen van complex vloeistofgedrag.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Deze snelle beeldvormingstechniek maakt een nauwkeurige karakterisering mogelijk van de impactdynamiek van niet-newtoniaanse vloeistoffen, wat cruciaal is voor het minimaliseren van risico's bij formuleringen voor drug delivery, inkjetprinten en coatingprocessen waarbij het gedrag van druppels de productprestaties beïnvloedt. Door microscopische fenomenen met een hoge temporele en ruimtelijke resolutie vast te leggen, ondersteunt de methode voorspellende modellering van vloeistof-structuurinteracties, waardoor de afhankelijkheid van empirische trial-and-error in de vroege ontwikkelingsfase wordt verminderd. De aanpak biedt een schaalbaar platform om te evalueren hoe formuleringsparameters zoals viscositeit, oppervlaktespanning en partikelbelading de impactresultaten beïnvloeden, wat direct bijdraagt aan go/no-go-beslissingen bij de selectie van preklinische kandidaten.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om te onderzoeken hoe oppervlakteoxidatie en interfaciële spanning de verspreiding van druppels bepalen, wat bijdraagt aan het mechanistische begrip van interacties op bio-interfaces.
- Operationele waarde: Levert kwantitatieve gegevens over de spreidingsstraal en het begin van spatten, waardoor functionele validatie van vloeistofeigenschappen onder impactcondities mogelijk wordt.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert de voorbereiding van reproduceerbare droplet impact-assays om te beoordelen hoe formulatievariabelen het spatgedrag en de energiedissipatie beïnvloeden.
- Operationele waarde: Levert gestandaardiseerde beelden met een hoge resolutie die de consistentie van de assay waarborgen over verschillende vloeistofsystemen en experimentele runs.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Ondersteunt ziekterelevante modellering van mucosale of pulmonale geneesmiddelentoediening waarbij de impact van niet-Newtoniaanse druppels de depositie-efficiëntie bepaalt.
- Operationele waarde: Maakt risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling mogelijk door vloeistofparameterdrempels te koppelen aan waargenomen impactregimes, wat het voorspellende vertrouwen in de prestaties van formuleringen verbetert.
Integratie van Pipeline & Workflow
De techniek past binnen het ontdekkingscontinuüm door hypothesetesten bij vroege screenings van formuleringen mogelijk te maken, kwantitatieve analyses voor lead-identificatie te bieden en translationele continuïteit te ondersteunen via biomechanisch relevante impactmetrieken.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetesten over hoe oppervlaktemodificatoren en partikelsuspensies de druppeldynamiek bij impact beïnvloeden, waardoor structuur-functierelaties in complexe vloeistoffen worden verduidelijkt.
- Screening: Zorgt voor assay-gereedheid via gestandaardiseerde impactvisualisatie, wat een reproduceerbare kwantificering van spreidings- en spatten-eindpunten over formulatiebibliotheken waarborgt.
- Analytiek: Genereert kwantitatieve metingen van het stromingsveld, de spreidingsafstand en de spatsnelheid via videoanalyse, wat objectieve vergelijking van vloeistofresponsen onder gecontroleerde impactcondities mogelijk maakt.
- Translationeel onderzoek: Sluit aan bij de preklinische relevantie door impactdynamiek te modelleren in systemen die biologische oppervlakken nabootsen, zoals epitheellaagen of mucosale barrières, waar het druppelgedrag de biologische beschikbaarheid beïnvloedt.
- Herbruikbaarheid binnen de organisatie: Fungeert als een herbruikbaar platform voor het evalueren van diverse vloeistofsystemen—van vloeibare metaalanalogen tot biopolymeersuspensies—over meerdere projecten heen zonder hervalidatie van kernbeeldparameters.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen door mechanistische ambiguïteit te verminderen in de manier waarop niet-Newtoniaanse eigenschappen impactresultaten bepalen, wat ontwerp op basis van eerste principes mogelijk maakt.
- Operationele waarde: Waarborgt standaardisatie en schaalbaarheid via gekalibreerde beeldprotocollen die een resolutie van 10 µm/pixel en een temporele resolutie in microseconden handhaven over verschillende gebruikers en locaties.
- Strategische waarde: Verbetert de kapitaalefficiëntie door niet-levensvatbare formuleringen in een vroeg stadium te identificeren via objectieve drempelwaarden voor spatten en spreiding, waardoor het risico op falen in een laat stadium bij de ontwikkeling van toedieningsapparaten wordt verminderd.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering mogelijk door de parameterruimte van vloeistoffen te correleren met impactregimekaarten, wat datagestuurde beslissingen ondersteunt voor de verdere ontwikkeling in formulatiepijplijnen.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in hogesnelheidsvideografie, stromingsleer en beeldanalyse om de cameratriggering, verlichting en ruimtelijke kalibratie te synchroniseren voor een nauwkeurige vastlegging van de impact.
- Is afhankelijk van instrumentatie, waaronder een hogesnelheidscamera (≥6.000 fps), een macrolens met een grote werkafstand, een gesynchroniseerd verlichtingssysteem en precisie-dosering van vloeistoffen via een spuitpompsysteem.
- Necessiteert cross-team standaardisatie van de preparatie van het impactoppervlak, vloeistoflaadprotocollen en omgevingscontroles om reproduceerbaarheid te waarborgen over verschillende screeningscampagnes van formuleringen.
- Omvat overwegingen voor adaptatie bij de overstap van modelvloeistoffen (bijv. geoxideerd gallium-indium, zirconiumdioxide-suspensies) naar biologisch relevante systemen zoals hydrogels, mucinen of lipidenanodeeltjes, waarbij de oppervlakte-eigenschappen en reologie significant verschillen.
- Bevat praktische beperkingen, zoals de noodzaak van optisch toegankelijke impactoppervlakken en beperkingen aan de druppelgrootte en impactsnelheid als gevolg van de stroomsnelheden van de spuitpomp en de nozzlegeometrie, zoals vermeld bij de opstelling die handmatige triggering bij druppeldetachement vereist.
Biopharma Veelgestelde Vragen
Chapters in this video
0:05
Title
1:42
Fast Imaging Setup
3:03
Sample Preparation: Oxidized Liquid Metal
4:18
Sample Preparation: Dense Suspensions
5:12
Calibration
6:29
Video Recording and Data Acquisition
7:07
Results: Fast Imaging Studies of Splash Dynamics in Gallium-Indium Eutectic and Splash Onset in Dense Suspensions
9:27
Conclusion
