Fabriceren van dikvloeibaar druppels Microfluidic capillaire apparaat met fase-omkering co flow structuur
April 17th, 2018
Een fase-omkering co stroom apparaat blijkt voor het genereren van monodispers dikvloeibaar druppels boven 1 Pas, die moeilijk is te realiseren in druppel microfluidics.
Het algemene doel van deze procedure is om monodisperse druppels met hoge viscositeit te genereren met viscositeiten boven één pascal seconden en een continue fase met lage viscositeit via fase-inversie in een eenvoudig co-flow microfluïdisch apparaat. Deze methode kan het belangrijkste probleem in het gebied van druppelmicrofluidica oplossen over het manipuleren van intrinsiek hoogviskeuze vloeistoffen zoals hoog glycerol polymeer oplossingen en nanodeeltjes suspensies. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het in eerste instantie druppels met lage viscositeit genereert die gemakkelijker te vormen en te controleren zijn dan druppels met hoge viscositeit.
De daaropvolgende faseversie om druppels met hoge viscositeit te genereren wordt geïnduceerd wanneer de druppels met lage viscositeit vanuit de uitgang van een co-flow structuur stromen. De procedure zal worden gedemonstreerd door de heer Zhongnan Li, een afgestudeerde student van de Tsinghua Universiteit. Om te beginnen met het voorbereiden van het apparaat, gebruik een wolfraamcarbid schraper om een stuk van drie centimeter van een ronde glazen buis te snijden met een binnen- en buitendiameter van respectievelijk 580 micrometer en één millimeter.
Dit zal de middelste buis van het apparaat vormen. Om de binnenbuis van het apparaat te maken, snijd een stuk van twee centimeter van een ronde glazen buis met een binnen- en buitendiameter van respectievelijk 200 en 330 micrometer. Plaats een milliliter ODTS in een 1,5 milliliter centrifugeerbuis.
Dompel één uiteinde van de middelste buis 10 seconden in de ODTS. Spoel vervolgens de buis met stikstofgas vanuit het onbehandelde uiteinde totdat de buis droog is. Gebruik vervolgens een mes om een inkeping van 0,5 millimeter bij 0,5 millimeter te snijden.
Snijd aan de rand van de plastic Luer hub van een 20 gauge halfinch stompe naald een inkeping van 0,5 millimeter bij 0,5 millimeter en een inkeping van één millimeter bij één millimeter direct tegenover elkaar aan de hub van een tweede naald. Plaats vervolgens de middelste buis lengtelings op een standaard glazen microscoopslide met het hydrofobe ODTS-gecoate uiteinde dat ongeveer één centimeter voorbij het smalle uiteinde van de slide steekt. Plaats de binnenbuis in het onbehandelde uiteinde van de middelste buis waardoor ongeveer één centimeter van de binnenbuis buiten de middelste buis blijft.
Gebruik epoxy om de buizen op hun plaats te fixeren langs de centrumlijn van de slide. Voor betere prestaties, pas de positie van de binnenbuis aan om ongeveer geconcentreerd te zijn op de middelste buis. Zodra de epoxy is uitgehard, plaats de enkel-inkepingen naald over het uiteinde van de binnenbuis zodat de buis in de inkeping past.
Fixeer de naald op zijn plaats met epoxy om de inlaat voor olie met lage viscositeit te vormen. Bevestig vervolgens de dubbel-inkepingen naald over de verbinding tussen de binnen- en middelste buizen om de inlaat voor de aqueuze oplossing met hoge viscositeit te vormen. Gebruik epoxy om de naaldhubs zowel rond de buizen als aan het glazen substraat te verzegelen.
Om ervoor te zorgen dat de inlaatnaald met hoge viscositeit stevig op het substraat zit, plaats de middelste buis in de grote inkeping en de binnenbuis in de kleine inkeping. Nadat de epoxy is opgedroogd, plaats een lengte van 20 millimeter polyethyleen buis met een binnendiameter van 0,86 millimeter over het hydrofobe uiteinde van de middelste buis om het apparaat te voltooien. Om het proces te beginnen, trek 0,8 milliliter glycerol getint met blauwe kleurstof in een spuit van één milliliter.
Trek 0,8 milliliter lichte paraffine olie in een tweede spuit van één milliliter. Verbind de glycerolspuit met de inlaat voor de aqueuze oplossing met hoge viscositeit van het apparaat via polyethyleen buis met een binnendiameter van 0,86 millimeter. Verbind de vloeibare paraffine spuit met de inlaat voor olie met lage viscositeit.
Monteer beide spuiten op spuitpompen. Gebruik vervolgens een tweevingerklem en een labstandaard om het apparaat verticaal boven een 35 millimeter petrischaal vast te zetten. Pas de apparaatpositie aan zodat het uiteinde van de uitlaatbuis ongeveer twee millimeter boven de bodem van de schaal is.
Pour voldoende vloeibare paraffine in de petrischaal om het apparaatuitlaat net te onderdompelen. Voeg dezelfde hoeveelheid vloeibare paraffine toe aan een tweede 35 millimeter petrischaal. Stel de glycerolspuitpomp stroomsnelheid in op twee microliter per minuut.
Stel de stroomsnelheid van de vloeibare paraffine spuitpomp in op zes microliter per minuut. Laat beide pompen draaien om de glyceroldruppels te beginnen genereren. Bewaak de druppelgeneratie met een camera indien gewenst.
Wacht ongeveer een minuut totdat de glycerol en vloeibare paraffine stromen voldoende gestabiliseerd zijn om uniforme glyceroldruppels te vormen. Wissel vervolgens de petrischaal onder de apparaatuitlaat uit voor de tweede met vloeibare paraffine gevulde schaal om de uniforme druppels te verzamelen. Monodisperse glyceroldruppels werden gegenereerd door fase-inversie co-flow apparaten met middelste buizen met diameters van ofwel 200 of 500 micrometer.
Monodisperse druppels werden ook gegenereerd uit andere hoogviskeuze vloeistoffen inclusief honing, een zetmeel oplossing, en een polyvinyl alcohol oplossing. Glyceroldruppels gegenereerd door het 500 micrometer apparaat met olie en glycerol stromen van respectievelijk 30 en 10 microliter per minuut hadden een gemiddelde diameter van 521 micrometer. Glyceroldruppels gegenereerd door het 200 micrometer apparaat bij dezelfde stromen hadden een gemiddelde diameter van 212 micrometer.
Het werd gevonden dat de grootte van de glyceroldruppels veranderde met variaties in de verhouding van de olie stroomsnelheid tot de glycerol stroomsnelheid. Het verhogen van de olie stroomsnelheid terwijl de glycerol stroomsnelheid constant gehouden werd, resulteerde in een afname van de deeltjesgrootte. Na het bekijken van deze video, zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u monodisperse hoogviskeuze druppels kunt maken met een fase-inversie co-flow apparaat.
In tegenstelling
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Deze studie demonstreert een fase-inversie co-flow apparaat dat in staat is om monodisperse druppels met hoge viscositeit te genereren die hoger zijn dan 1 Pas. Deze ontwikkeling lost uitdagingen op in druppelmicrofluidica, met name met vloeistoffen met hoge viscositeit.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Microfluidica
- Vloeistofdynamica
- Druppelgeneratie
Achtergrond
- Vloeistoffen met hoge viscositeit stellen uitdagingen in de druppelmicrofluidica.
- Traditionele methoden worstelen met manipulatie van dergelijke vloeistoffen.
- Fase-inversietechnieken kunnen druppelvorming verbeteren.
- Druppels met lage viscositeit zijn gemakkelijker te controleren dan druppels met hoge viscositeit.
Doel van het onderzoek
- Monodisperse druppels met hoge viscositeit genereren.
- Gebruik maken van een eenvoudig co-flow microfluïdisch apparaat.
- Verbetering van de manipulatie van vloeistoffen met hoge viscositeit.
Gebruikte methoden
- Fase-inversie co-flow microfluïdisch apparaat.
- Voorbereiding van een glasbuis met specifieke afmetingen.
- Eerste generatie van druppels met lage viscositeit.
- Inductie van druppels met hoge viscositeit van druppels met lage viscositeit.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle generatie van monodisperse druppels met hoge viscositeit.
- Demonstratie van de procedure door Mr. Zhongnan Li.
- Effectieve manipulatie van vloeistoffen met hoge viscositeit bereikt.
- Druppels met lage viscositeit vergemakkelijkten eenvoudigere controle en vorming.
Conclusies
- Het fase-inversie co-flow apparaat is effectief voor het genereren van druppels met hoge viscositeit.
- Deze methode lost belangrijke uitdagingen op in druppelmicrofluidica.
- Toekomstige toepassingen kunnen zich uitbreiden naar verschillende manipulaties van vloeistoffen met hoge viscositeit.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Generating monodisperse high-viscosity droplets remains a persistent challenge in droplet-based applications, particularly for viscous formulations in drug delivery and materials synthesis. This phase-inversion co-flow method enables reliable production of uniform droplets from fluids exceeding 1 Pas viscosity, addressing a key bottleneck in handling high-viscosity actives and excipients. By leveraging initial low-viscosity droplet formation followed by controlled phase inversion, the approach improves process robustness and reproducibility for downstream biopharma workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables encapsulation of high-viscosity bioactive compounds for screening assays requiring precise dosing.
- Operational Value: Facilitates formulation screening of viscous drug candidates without complex emulsification.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Produces monodisperse droplets ensuring consistent reaction kinetics in high-throughput screening.
- Operational Value: Supports standardized droplet generation for assay miniaturization and reagent conservation.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Allows preparation of uniform drug-loaded droplets for in vivo efficacy and pharmacokinetic studies.
- Operational Value: Enables scalable production of viscous formulations for preclinical toxicity and biodistribution testing.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within early discovery to preclinical stages, supporting hypothesis testing of viscous formulations and enabling standardized assay inputs for lead optimization.
- Discovery Biology: Supports interrogation of therapeutic hypotheses involving viscous macromolecules or nanoparticle suspensions.
- Screening: Delivers reproducible droplet sizes critical for comparing compound behavior across conditions.
- Analytics: Provides quantitative size and uniformity metrics to evaluate formulation performance.
- Translational Research: Connects discovery-stage droplet generation to preclinical continuity through consistent physicochemical properties.
- Enterprise Reuse: Offers a modular microfluidic platform adaptable to various high-viscosity systems across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence by reducing variability in droplet-based assays.
- Operational Value: Improves reproducibility and scalability of viscous fluid handling in microfluidic workflows.
- Strategic Value: Supports better go/no-go decisions by enabling reliable assessment of high-viscosity drug candidates.
- Portfolio Impact: Reduces late-stage formulation risk through early-stage de-risking of viscous active ingredients.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device assembly and surface treatment techniques.
- Depends on precision fluid control systems such as syringe pumps for flow rate regulation.
- Necessitates optical monitoring capabilities for droplet generation visualization and quality control.
- Involves material compatibility assessment for ODTS coating and epoxy sealing with target fluids.
- Limited by the need for immiscible fluid pairs and wettability control at the device exit.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
1:06
Construction of a Phase-inversion, Co-flow Capillary Device for FabricatingAqueous High-viscosity Droplets with a Diameter of ~500 μm
4:04
Generating and Collecting Glycerol Droplets in Liquid Paraffin
6:06
Results: Generation of Monodisperse Aqueous High-viscosity Droplets
7:13
Conclusion
