Fabriceren van dikvloeibaar druppels Microfluidic capillaire apparaat met fase-omkering co flow structuur
17 april 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
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een co-flow-apparaat voor fase-inversie dat in staat is om monodisperse druppels met een hoge viscositeit van meer dan 1 Pas te genereren. Deze vooruitgang pakt uitdagingen in de druppelmicrofluidica aan, met name bij vloeistoffen met een hoge viscositeit.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Microfluïdica
- Stromingsleer
- Druppelgeneratie
Achtergrond
- Vloeistoffen met een hoge viscositeit vormen een uitdaging in druppelmicrofluidica.
- Traditionele methoden hebben moeite met de manipulatie van dergelijke vloeistoffen.
- Fase-inversietechnieken kunnen de vorming van druppels verbeteren.
- Druppels met een lage viscositeit zijn gemakkelijker te beheersen dan druppels met een hoge viscositeit.
Doel van de studie
- Om monodisperse druppels met een hoge viscositeit te genereren.
- Om gebruik te maken van een eenvoudig co-flow microfluïdisch apparaat.
- Om de manipulatie van vloeistoffen met een hoge viscositeit te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Microfluïdisch apparaat voor co-flow fase-inversie.
- Voorbereiding van een glazen buis met specifieke afmetingen.
- Initiële generatie van druppels met een lage viscositeit.
- Inductie van druppels met een hoge viscositeit vanuit druppels met een lage viscositeit.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle generatie van monodisperse druppels met een hoge viscositeit.
- Demonstratie van de procedure door de heer Zhongnan Li.
- Effectieve manipulatie van vloeistoffen met een hoge viscositeit is gerealiseerd.
- Druppels met een lage viscositeit maakten een eenvoudigere controle en vorming mogelijk.
Conclusies
- Het fase-inversie co-flow apparaat is effectief voor het genereren van druppels met een hoge viscositeit.
- Deze methode pakt belangrijke uitdagingen in de druppelmicrofluidica aan.
- Toekomstige toepassingen kunnen worden uitgebreid naar diverse manipulaties van vloeistoffen met een hoge viscositeit.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor het management
Het genereren van monodisperse druppels met een hoge viscositeit blijft een aanhoudende uitdaging in druppelgebaseerde toepassingen, met name voor viskeuze formuleringen bij geneesmiddelentoediening en materiaalsynthese. Deze fase-inversie co-flow methode maakt een betrouwbare productie van uniforme druppels mogelijk uit vloeistoffen met een viscositeit hoger dan 1 Pas, waarmee een belangrijk knelpunt bij het verwerken van actieve bestanddelen en hulpstoffen met een hoge viscositeit wordt aangepakt. Door gebruik te maken van initiële vorming van druppels met een lage viscositeit, gevolgd door gecontroleerde fase-inversie, verbetert deze aanpak de robuustheid en reproduceerbaarheid van het proces voor downstream biofarma-workflows.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt inkapseling mogelijk van bioactieve verbindingen met een hoge viscositeit voor screeningassays die een nauwkeurige dosering vereisen.
- Operationele waarde: Faciliteert formuleringsscreening van viskeuze drugcandidates zonder complexe emulsificatie.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Produceert monodisperse druppeltjes, wat zorgt voor consistente reactiekinetiek bij high-throughput screening.
- Operationele waarde: Ondersteunt gestandaardiseerde druppelgeneratie voor assay-miniaturisatie en besparing van reagentia.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Maakt de bereiding van uniforme, met geneesmiddelen geladen druppels mogelijk voor in vivo efficiëntie- en farmacokinetische studies.
- Operationele waarde: Maakt schaalbare productie van viskeuze formuleringen mogelijk voor preklinische toxiciteits- en biodistributietesten.
Pipeline- & workflowintegratie
De methode past binnen de fasen van vroege ontdekking tot preklinische stadia, ondersteunt het testen van hypothesen voor viskeuze formuleringen en maakt gestandaardiseerde assay-inputs mogelijk voor lead-optimalisatie.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt het onderzoeken van therapeutische hypothesen met viskeuze macromoleculen of nanodeeltjessuspensies.
- Screening: Levert reproduceerbare druppelgroottes die essentieel zijn voor het vergelijken van het gedrag van verbindingen onder verschillende condities.
- Analytiek: Biedt kwantitatieve metrieken voor grootte en uniformiteit om de prestaties van formuleringen te evalueren.
- Translationeel onderzoek: Verbindt druppelgeneratie in de ontdekkingsfase met preklinische continuïteit door consistente fysisch-chemische eigenschappen.
- Bedrijfsmatige herbruikbaarheid: Biedt een modulair microfluïdisch platform dat aanpasbaar is aan diverse systemen met een hoge viscositeit in verschillende projecten.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen door variabiliteit in assays op basis van druppels te verminderen.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid en schaalbaarheid van de behandeling van viskeuze vloeistoffen in microfluïdische workflows.
- Strategische waarde: Ondersteunt betere go/no-go-beslissingen door een betrouwbare beoordeling van drugcandidates met een hoge viscositeit mogelijk te maken.
- Impact op portfolio: Vermindert het risico in de late fase van formulering door vroegtijdige risicoreductie van viskeuze actieve ingrediënten.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in de assemblage van microfluïdische apparaten en oppervlaktebehandelingstechnieken.
- Is afhankelijk van precisiesystemen voor vloeistofcontrole, zoals spuitpompen voor de regulering van de stroomsnelheid.
- Vereist optische monitoringmogelijkheden voor de visualisatie van druppelgeneratie en kwaliteitscontrole.
- Omvat een beoordeling van de materiaalkompatibiliteit van de ODTS-coating en epoxy-afdichting met de doelvloeistoffen.
- Wordt beperkt door de noodzaak van onmengbare vloeistofparen en beheersing van de bevochtigbaarheid bij de uitlaat van het apparaat.
Veelgestelde vragen over biopharma
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
