Method Article

Wytwarzanie kropelek o wysokiej lepkości za pomocą mikroprzepływowego urządzenia kapilarnego ze strukturą współprzepływu z inwersją faz

DOI:

10.3791/57313

⸱

April 17th, 2018

 ,  ,  , 
1School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, 2State Key Laboratory of Tribology, Tsinghua University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wykazano, że urządzenie do współprzepływu z inwersją faz generuje monodyspersyjne kropelki o wysokiej lepkości powyżej 1 Pas, co jest trudne do zrealizowania w mikroprzepływach kropelkowych.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Generowanie kropelek monodyspersyjnych o wysokiej lepkości zawsze było wyzwaniem w mikrofluidyce kropelkowej. W tym miejscu demonstrujemy urządzenie do współprzepływu z inwersją faz do generowania jednolitych kropelek o wysokiej lepkości w płynie o niskiej lepkości. Mikroprzepływowe urządzenie kapilarne ma wspólną strukturę współprzepływu, a jego wyjście łączy się z szerszą rurką. Wydłużone kropelki płynu o niskiej lepkości są najpierw zamykane w kapsułkach przez płyn o wysokiej lepkości w strukturze współprzepływu. Gdy wydłużone kropelki o niskiej lepkości przepływają przez wyjście, które jest poddawane obróbce w celu zwilżenia płynem o niskiej lepkości, inwersja faz jest następnie indukowana przez przyleganie kropelek o niskiej lepkości do końcówki wyjścia, co powoduje późniejszą odwrotną enkapsulację płynu o wysokiej lepkości. Wielkość powstałych kropelek o wysokiej lepkości można regulować, zmieniając stosunek natężenia przepływu płynu o niskiej lepkości do płynu o wysokiej lepkości. Przedstawiamy kilka typowych przykładów wytwarzania kropelek o wysokiej lepkości i lepkości do 11,9 Pas, takich jak glicerol, miód, skrobia i roztwór polimeru. Metoda zapewnia proste i nieskomplikowane podejście do generowania monodyspersyjnych kropelek o wysokiej lepkości, które mogą być wykorzystywane w różnych zastosowaniach opartych na kropelkach, takich jak synteza materiałów, dostarczanie leków, oznaczanie komórek, bioinżynieria i inżynieria żywności.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Generowanie kropel staje się kluczową technologią w różnych zastosowaniach, takich jak dostarczanie leków, synteza materiałów, biodruk 3D, testy komórkowe i inżynieria żywności1,2,3,4,5,6. Urządzenia mikroprzepływowe ze złączem T7,8, co-flow1,9, or flow-focusing10,11 Struktury są szeroko stosowane do generowania monodyspersyjnych pojedynczych kropelek emulsji. Wybór bardziej lepkiej fazy ciągłej ułatwi tworzenie kropel12, a lepkość zarówno płynów ciągłych, jak i zdyspergowanych jest zwykle poniżej 0,1 Pas w mikrofluidyce kropelkowej13. Jednak w wielu zastosowaniach faza rozproszona może mieć lepkość kilkaset razy wyższą niż woda, np. glicerol14, roztwory zawierające nanocząstki15, proteins16, lub polymers17,18,19, podczas gdy trudno jest uzyskać monodyspersyjne kropelki bezpośrednio z płynów o wysokiej lepkości w stabilnym kapaniu regime11 w urządzeniach mikroprzepływowych, szczególnie dla płynów o lepkości η > 1 Pa·s14,17,18,19. Ponadto doniesiono13,18, że typowe metody mikroprzepływowe do tworzenia kropel wymagają płynów o stosunkowo niskiej lepkości i umiarkowanym napięciu międzyfazowym, aby utworzyć jednolite kropelki w stabilnym reżimie kapania.

Dla fazy rozproszonej o lepkości nieco większej niż 0,1 Pas, istnieje kilka możliwych podejść ułatwiających tworzenie kropel za pomocą typowych urządzeń mikroprzepływowych ze złączem T, współprzepływem lub skupiającym przepływ: (1) zmniejszyć lepkość fazy rozproszonej poprzez rozcieńczenie jej w lotnym rozpuszczalniku11,20; (2) Zmniejsz stosunek lepkości rozproszonej do ciągłej, zwiększając lepkość fazy ciągłej1,11; (3) Zmniejsz natężenie przepływu fazy rozproszonej do bardzo niskiej wartości, zachowując jednocześnie wysoki stosunek natężenia przepływu ciągłego do rozproszonego 14,19. Jednak te podejścia nie są praktyczne w przypadku płynów o znacznie wyższej lepkości, ponieważ znacznie obniżą tempo produkcji, jednocześnie znacznie zwiększając zużycie lotnego rozpuszczalnika lub fazy ciągłej. Ponadto doniesiono, że niektóre roztwory polimerów o wysokiej lepkości o η > 1 Pa·s nadal nie rozpadały się na kropelki przy metodach wymienionych powyżej17,19.

Istnieje również kilka ulepszonych konstrukcji urządzeń mikroprzepływowych, które wprowadzają trzecią fazę płynu do systemu, co ułatwia wytwarzanie kropelek o wysokiej lepkości. Innowacje obejmują: wprowadzenie bąbelków w celu przecięcia gwintu natryskiwania na kropelki21, niemieszający się płyn opiekuńczy o umiarkowanej lepkości, wprowadzony jako faza środkowa między fazą zanurzoną a fazą ciągłą18, oraz mikroreaktory wprowadzone do generowania kropelek o wysokiej lepkości z dwóch prekursorów o niskiej lepkości21,22,23. Jednak w miarę jak w proces zaangażowany jest jeszcze jeden płyn, system staje się bardziej skomplikowany, a urządzenia zwykle pracują w znacznie węższym reżimie przepływu niż typowe urządzenia do generowania pojedynczych kropelek emulsji.

Aby wygenerować kropelki monodyspersyjne bezpośrednio z płynu o wysokiej lepkości o >η > 1 Pa·s, zbadano metody inwersji faz kontrolowanej powierzchniowo24. Ponieważ wytwarzanie kropel o niskiej lepkości jest znacznie łatwiejsze niż w przypadku kropel o wysokiej lepkości12, wydłużone kropelki o niskiej lepkości w fazie ciągłej o wysokiej lepkości są najpierw generowane przy użyciu typowej struktury współprzepływowej, a następnie są rozbijane w wyniku zmiany zwilżalności powierzchni za strukturą współprzepływu. Uwolniony płyn o niskiej lepkości odwrotnie zamyka znajdujący się za nim płyn o wysokiej lepkości w kropelki, dzięki czemu inwersja faz jest zakończona. Zgodnie z mechanizmem inwersji faz, monodyspersyjne kropelki o wysokiej lepkości mogą być generowane w oparciu o typowe urządzenie współprzepływowe, podczas gdy wyjście urządzenia współprzepływu jest poddawane obróbce w celu zwilżenia płynem o niskiej lepkości, a następnie podłączane do szerszej rurki24,25.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Wytwarzanie urządzenia kapilarnego z przepływem współprzepływowym do obserwacji procesu powstawania wodnych kropelek o wysokiej lepkości i średnicy ~500 μm.

UWAGA: Kwadratowa zewnętrzna rurka używana tutaj służy do robienia zdjęć procesu generowania kropel o wysokiej lepkości. Jeśli nie ma potrzeby wykonywania zdjęć, można wykonać uproszczoną wersję urządzenia zgodnie z krokiem 2 protokołu.

  1. Przygotuj trzy szklane rurki o różnych rozmiarach do montażu urządzenia kapilarnego.
    1. Weź kwadratową szklaną rurkę o wewnętrznym rozmiarze 1,05 mm i wytnij kawałek rurki o długości ~4 cm. Będzie to zewnętrzna rurka urządzenia.
    2. Weź okrągłą szklaną rurkę o średnicy wewnętrznej (ID) 580 μm i średnicy zewnętrznej (OD) 1 mm i wytnij kawałek rurki o długości ~3 cm. Będzie to środkowa rura urządzenia.
    3. Weź okrągłą szklaną rurkę z ID = 200 μm i OD = 330 μm i wytnij kawałek rurki o długości ~ 2 cm. Będzie to dętka urządzenia.
  2. Zmodyfikuj zwilżalność powierzchni jednego końca środkowej rury, aby była hydrofobowa.
    1. Weź szklaną fiolkę o pojemności 1 ml i dodaj 0,3 ml trichloro(oktadecylo)silanu (OTS) do szklanej fiolki.
    2. Weź środkową probówkę z ID = 580 μm przygotowaną w kroku protokołu 1.1.2 i zanurz jeden jej koniec w OTS w szklanej fiolce na ~10 s.
    3. Wyjmij środkową probówkę i przepłucz probówkę gazowym azotem z nieleczonego końca.
  3. Przygotuj igły do wlotów urządzenia kapilarycznego.
    1. Weź igłę dozującą z końcówką 20 G i wytnij ostrzem szczelinę o wymiarach ~0,5 mm x 0,5 mm na krawędzi plastikowej piasty Luer.
      UWAGA: Ta igła będzie służyć jako wlot do fazy olejowej o niskiej lepkości.
    2. Weź kolejną igłę dozującą z końcówką 20G i wytnij dwie szczeliny na krawędzi plastikowej piasty Luer. Wyrównaj dwie szczeliny w linii przechodzącej przez średnicę piasty Luer.
      UWAGA: Jedno gniazdo ma wymiary ~0,5 mm x 0,5 mm, podczas gdy drugie gniazdo ma wymiary ~1,0 mm x 1,0 mm. Ta igła będzie służyć jako wlot do fazy wodnej o wysokiej lepkości.
    3. Weź kolejną igłę dozującą z końcówką 20G i wytnij dwie szczeliny na krawędzi plastikowej piasty Luer. Wyrównaj dwie szczeliny w linii przechodzącej przez średnicę piasty Luer.
      UWAGA: Jedno gniazdo ma wymiary ~1,5 mm x 1,5 mm; podczas gdy drugi slot ma wymiary ~1,0 mm x 1,0 mm. Ta igła będzie służyć jako wlot do celów czyszczenia.
  4. Zmontuj szklane rurki zgodnie z Rysunek 1A.
    1. Weź zwykłe szkiełko podstawowe o wymiarach 7,62 cm x 2,54 cm jako podłoże urządzenia kapilarycznego.
    2. Umieścić rurkę zewnętrzną z identyfikatorem = 1,05 mm, przygotowaną w kroku protokołu 1.1.1, na szkiełku podstawowym z ~1 cm, wysuwając krótszą krawędź szkiełka.
    3. Weź środkową rurkę z ID = 580 μm, przygotowaną w kroku protokołu 1.2, i włóż hydrofobowy koniec środkowej rurki do zewnętrznej rurki od końca na szkiełku podstawowym i trzymaj ~1 cm środkowej rurki na zewnątrz rurki zewnętrznej.
    4. Weź dętkę z ID = 200 μm, przygotowaną w kroku protokołu 1.1.3, i włóż jeden koniec dętki do środkowej rurki i trzymaj ~1 cm dętki na zewnątrz środkowej dętki.
    5. Użyj kleju epoksydowego, aby zamocować trzy rurki na miejscu wzdłuż linii środkowej szkiełka podstawowego. Następnie odczekaj ~5 minut lub dłużej, aż klej całkowicie stwardnieje.
  5. Zamontuj wloty na urządzeniu kapilarnym.
    1. Weź igłę wlotową do fazy olejowej o niskiej lepkości, przygotowaną w kroku protokołu 1.3.1, i pozwól piaście Luer zakryć koniec dętki na podłożu, a następnie użyj kleju epoksydowego, aby przymocować piastę Luer do podłoża
      2. .
    2. Weź igłę wlotową do fazy wodnej o wysokiej lepkości, przygotowaną w kroku protokołu 1.3.2, i pozwól piaście Luer zakryć połączenie między dętką a rurką środkową, a następnie użyj kleju epoksydowego, aby przymocować piastę Luer do podłoża.
    3. Weź igłę wlotową, przygotowaną w kroku 1.3.3 protokołu, i do czyszczenia pozwól piastie Luer zakryć połączenie między rurką środkową a rurką zewnętrzną, a następnie użyj kleju epoksydowego, aby przymocować piastę Luer do podłoża.
    4. Odczekaj ~5 minut lub dłużej, aż klej całkowicie stwardnieje.
    5. Użyj kleju epoksydowego, aby uszczelnić piasty Luer igieł na podłożu.
  6. Odczekaj ~30 minut lub dłużej, aż klej całkowicie stwardnieje, a następnie urządzenie jest gotowe do użycia.

2. Wykonaj urządzenie kapilarne z inwersją fazy, współprzepływem do wytwarzania wodnych kropelek o wysokiej lepkości o średnicy ~500 μm.

UWAGA: Wykonane tutaj urządzenie jest uproszczoną wersją urządzenia z kroku 1 protokołu.

  1. Przygotuj dwie szklane rurki o różnych rozmiarach do montażu urządzenia kapilarnego.
    1. Weź okrągłą szklaną rurkę o średnicy wewnętrznej = 580 μm i średnicy zewnętrznej = 1 mm i wytnij kawałek rurki o długości ~ 3 cm. Będzie to środkowa rura urządzenia.
    2. Weź okrągłą szklaną rurkę o średnicy wewnętrznej = 200 μm i średnicy zewnętrznej = 330 μm i wytnij kawałek rurki o długości ~ 2 cm. Będzie to dętka urządzenia.
  2. Zmodyfikuj zwilżalność powierzchni jednego końca środkowej rury, aby była hydrofobowa.
    1. Dodać 0,3 ml OTS do szklanej fiolki o pojemności 1 ml.
    2. Weź środkową probówkę z ID = 580 μm, przygotowaną w kroku protokołu 2.1.1 i zanurz jeden jej koniec w OTS w szklanej fiolce na ~10 s.
    3. Wyjmij środkową rurkę, a następnie przepłucz probówkę gazowym azotem z nieleczonego końca.
  3. Przygotuj igły do wlotów urządzenia kapilarycznego.
    1. Przygotuj igłę dozującą z końcówką o pojemności 20 g, która posłuży jako wlot do fazy olejowej o niskiej lepkości. Następnie wytnij szczelinę o wymiarach ~0,5 mm x 0,5 mm za pomocą ostrza na krawędzi plastikowej piasty Luer.
    2. Weź kolejną igłę dozującą z końcówką 20G i wytnij dwie szczeliny na krawędzi plastikowej piasty Luer. Wyrównaj dwie szczeliny w linii przechodzącej przez średnicę piasty Luer.
      UWAGA: Jedno gniazdo ma wymiary ~0,5 mm x 0,5 mm, podczas gdy drugie gniazdo ma wymiary ~1,0 mm x 1,0 mm. Ta druga igła będzie służyć jako wlot do fazy wodnej o wysokiej lepkości.
  4. Zmontuj szklane rurki zgodnie z Rysunek 1A.
    1. Weź zwykłe szkiełko podstawowe o wymiarach 7,62 cm x 2,54 cm jako podłoże urządzenia kapilarycznego.
    2. Umieścić środkową rurkę z ID = 580 μm, przygotowaną w kroku protokołu 2.2, na szkiełku podstawowym z hydrofobowym końcem wystającym ~1 cm ponad krótszą krawędź szkiełka.
    3. Weź dętkę o średnicy wewnętrznej = 200 μm, przygotowaną w kroku protokołu 2.1.2, i włóż jeden koniec dętki do środkowej rurki od nieobrobionego końca na szkiełku podstawowym i utrzymuj ~ 1 cm dętki na zewnątrz środkowej rury.
    4. Użyj kleju epoksydowego, aby zamocować dwie rurki wzdłuż linii środkowej szkiełka
      5. podstawowego.
    5. Poczekaj ~5 minut lub dłużej, aż klej całkowicie stwardnieje.
  5. Zamontuj wloty na urządzeniu kapilarnym.
    1. Weź igłę wlotową do fazy olejowej o niskiej lepkości, przygotowaną w kroku protokołu 2.3.1, i pozwól piaście Luer zakryć koniec dętki na podłożu, a następnie użyj kleju epoksydowego, aby przymocować piastę Luer do podłoża
      2. .
    2. Weź igłę wlotową do fazy wodnej o wysokiej lepkości, przygotowaną w kroku protokołu 2.3.2, i pozwól piaście Luer zakryć połączenie między dętką a rurką środkową, a następnie użyj kleju epoksydowego, aby przymocować piastę Luer do podłoża.
      UWAGA: Drugi koniec środkowej rurki to wylot urządzenia.
    3. Odczekaj ~5 minut lub dłużej, aż klej całkowicie stwardnieje.
    4. Użyj kleju epoksydowego, aby uszczelnić piasty Luer igieł na podłożu.
  6. Odczekaj ~30 minut lub dłużej, aż klej całkowicie stwardnieje.
  7. Połącz wolny koniec rury środkowej z rurką wylotową, tj. rurką polietylenową o średnicy wewnętrznej = 0,86 mm i długości ~20 mm.
    UWAGA: Niewielkie odkształcenie rurki zewnętrznej zapewni uszczelnienie połączenia, dzięki czemu nie jest tutaj potrzebny klej. Rurka wylotowa działa jak szersza rura zewnętrzna do odwrócenia faz. W tym momencie urządzenie jest gotowe do użycia.

3. Wykonaj urządzenie kapilarne z przepływem współprzepływowym z odwróceniem faz do obserwacji procesu powstawania wodnych kropelek o wysokiej lepkości o średnicy ~200 μm.

UWAGA: Wykonane tutaj urządzenie jest mniejszą wersją urządzenia z kroku 1 do tworzenia mniejszych kropel.

  1. Przygotuj trzy szklane rurki o różnych rozmiarach do montażu urządzenia kapilarnego.
    1. Weź kwadratową szklaną rurkę z ID = 400 μm i wytnij kawałek rurki o długości ~4 cm, który będzie zewnętrzną rurką urządzenia.
    2. Weź okrągłą szklaną rurkę o średnicy wewnętrznej = 200 μm i średnicy zewnętrznej = 330 μm i wytnij kawałek rurki o długości ~3 cm, który będzie środkową rurką urządzenia.
    3. Weź okrągłą szklaną rurkę z ID = 100 μm i OD = 170 μm i wytnij kawałek rurki o długości ~2 cm, który będzie wewnętrzną rurką urządzenia.
  2. Zmodyfikuj zwilżalność powierzchni jednego końca środkowej rury, aby była hydrofobowa.
    1. Weź szklaną fiolkę o pojemności 1 ml i dodaj 0,3 ml OTS do szklanej fiolki.
    2. Pobrać środkową probówkę z identyfikatorem = 200 μm, przygotowaną w kroku protokołu 3.1.2, i zanurzyć jeden jej koniec w OTS w szklanej fiolce na ~10 s.
    3. Wyjmij środkową rurkę, a następnie przepłucz probówkę gazowym azotem z nieleczonego końca.
  3. Przygotuj igły do wlotów urządzenia kapilarycznego.
    1. Przygotuj igłę dozującą z końcówką o pojemności 20 g, która posłuży jako wlot do fazy olejowej o niskiej lepkości. Następnie za pomocą ostrza wytnij szczelinę ~0,2 mm x 0,2 mm na krawędzi plastikowej piasty Luer.
    2. Przygotuj kolejną igłę dozującą z końcówką 20 G i wytnij dwie szczeliny na krawędzi plastikowej piasty Luer. Wyrównaj dwie szczeliny w linii przechodzącej przez średnicę piasty Luer.
      UWAGA: Jedna szczelina ma rozmiar ~0,2 mm x 0,2 mm, podczas gdy druga szczelina ma rozmiar ~0,4 mm x 0,4 mm. Ta druga igła będzie służyć jako wlot do fazy wodnej o wysokiej lepkości.
    3. Weź kolejną igłę dozującą z końcówką 20G i wytnij dwie szczeliny na krawędzi plastikowej piasty Luer. Dwie szczeliny są ustawione w linii przechodzącej przez średnicę piasty Luer.
      UWAGA: Jedna szczelina ma rozmiar ~0,8 mm x 0,8 mm, podczas gdy druga szczelina ma rozmiar ~0,4 mm x 0,4 mm. Ta trzecia igła będzie służyć jako wlot do celów czyszczenia.
  4. Postępuj zgodnie z krokami protokołu 1.4 - 1.6, aby zakończyć urządzenie, używając szklanych probówek przygotowanych w kroku protokołu 3.1 zamiast tych przygotowanych w kroku protokołu 1.1 i używając igieł przygotowanych w kroku protokołu 3.3 zamiast tych przygotowanych w kroku protokołu 1.3.

4. Obserwacja powstawania kropelek glicerolu w ciekłej parafinie

UWAGA: Do robienia zdjęć pokazanych na rysunkach 1B - D, użyj urządzenia przygotowanego w kroku 1 protokołu; do robienia zdjęć pokazanych w Rysunek 3, użyj urządzenia przygotowanego w kroku 3 protokołu.

  1. Przygotuj roztwory, które zostaną użyte w eksperymencie.
    1. Użyj glicerolu jako fazy wodnej o wysokiej lepkości i dodaj 0,5% wag. błękitu toluidynowego O, aby zabarwić go na niebiesko.
    2. Użyj ciekłej parafiny jako fazy olejowej o niskiej lepkości i dodaj do niej 1% wt Span 80 jako środek powierzchniowo czynny.
  2. Przygotować trzy strzykawki o pojemności 1 ml i trzy pompy strzykawkowe.
    UWAGA: Trzy strzykawki do płynów przygotowanych w kroku 4.1 protokołu: jedna do wstrzykiwania glicerolu o wysokiej lepkości, przygotowana w kroku protokołu 4.1.1, a pozostałe dwie do wstrzykiwania ciekłej parafiny o niskiej lepkości, przygotowane w kroku protokołu 4.1.2, odpowiednio.
    1. Podłączyć strzykawkę zawierającą glicerol do wlotu do środkowej probówki.
    2. Podłącz jedną strzykawkę zawierającą ciekłą parafinę do wlotu dętki, a drugą podłącz do wlotu w celu czyszczenia.
  3. Umieść urządzenie przygotowane w kroku 1 protokołu na odwróconym mikroskopie i umieść kawałek Kimwipe pod wylotem zewnętrznej rurki, aby wchłonąć wyciekający płyn.
    UWAGA: Nie pozwól, aby płyn wyciekł poza obszar Kimwipe.
  4. Ustawić natężenie przepływu pomp strzykawkowych.
    UWAGA: Użyj pompy strzykawkowej podłączonej do zewnętrznej rurki do czyszczenia, gdy wokół wylotu środkowej rurki znajdują się pęcherzyki lub kropelki. W przeciwnym razie po prostu pozostaw pompę zatrzymaną.
    1. Ustawić natężenie przepływu wstrzykiwanego glicerolu do środkowej rurki Qw = 10 μL/min.
    2. Ustawić natężenie przepływu ciekłej parafiny wtryskiwanej do rurki wewnętrznej Q o = 30 μL/min.
    3. Uruchom dwie pompy, aby wytworzyć kropelki glicerolu.
  5. Odczekaj ~0,5 minuty, aż przepływy się ustabilizują, a kropelki glicerolu zostaną równomiernie wygenerowane na wylotach środkowej rurki. Następnie nagraj filmy lub zrób zdjęcia procesu generowania kropel.
    UWAGA: Obrazy na rysunkach 1B-C można wykonać za pomocą urządzenia przygotowanego w kroku 1 protokołu, natomiast obrazy w Rysunek 3A można wykonać za pomocą urządzenia przygotowanego w kroku 3 protokołu. Zatrzymaj wszystkie pompy, gdy tylko zostaną zrobione filmy lub zdjęcia, i natychmiast zdejmij urządzenie z mikroskopu.
  6. Przygotuj się do zbierania kropelek o wysokiej lepkości.
    1. Umieść urządzenie w płaszczyźnie pionowej z wylotem skierowanym w dół i umieść szalkę Petriego pod wylotem. Użyj taśmy, aby przymocować urządzenie z wylotem ~ 2 mm nad dnem szalki Petriego.
    2. Wlej trochę płynnej parafiny przygotowanej w kroku protokołu 4.1.2 do szalki Petriego i po prostu zanurz wylot urządzenia.
  7. Ponownie uruchomić dwie pompy strzykawkowe przy Qw = 10 μL/min i Qo = 30 μL/min i zebrać kropelki glicerolu na szalce Petriego.
    UWAGA: Poczekaj ~ 1 minutę, aż przepływy ustabilizują się, a kropelki glicerolu zostaną równomiernie wygenerowane na wyjściach z rurki zewnętrznej, można wykonać obraz kropelek na szalce Petriego, jak pokazano na Rysunek 1D dla urządzenia przygotowanego w protokole 1 lub Rysunek 3B dla urządzenia przygotowanego w kroku 3 protokołu.

5. Generowanie i zbieranie kropelek glicerolu w ciekłej parafinie za pomocą uproszczonego urządzenia przygotowanego w kroku 2.

UWAGA: To służy do robienia zdjęć kropelek glicerolu generowanych przy różnym współczynniku natężenia przepływu Qo/Qw, i mierzenia odpowiedniej zmienności wielkości kropel dla punktów danych w Rysunek 2.

  1. Przygotuj roztwory, które mają być użyte w eksperymencie, postępując zgodnie z krokiem 4.1 protokołu.
  2. Przygotować dwie strzykawki o pojemności 1 ml i dwie pompy strzykawkowe.
    UWAGA: Dwie strzykawki do płynów przygotowanych w kroku 4.1 protokołu: jedna do wstrzykiwania glicerolu o wysokiej lepkości, przygotowana w kroku protokołu 4.1.1, a druga do wstrzykiwania ciekłej parafiny o niskiej lepkości, przygotowana w kroku protokołu 4.1.2, odpowiednio.
    1. Podłączyć strzykawkę zawierającą 0,8 ml glicerolu do wlotu do środkowej probówki.
    2. Podłączyć strzykawkę zawierającą 0,8 ml ciekłej parafiny do wlotu dętki.
  3. Przygotuj się do zbierania kropelek o wysokiej lepkości.
    1. Umieść urządzenie w płaszczyźnie pionowej z wylotem skierowanym w dół i umieść szalkę Petriego o średnicy 35 mm pod wylotem. Użyj taśmy, aby przymocować urządzenie z wylotem ~ 2 mm nad dnem szalki Petriego.
    2. Wlej trochę płynnej parafiny przygotowanej w kroku protokołu 4.1.2 do szalki Petriego i po prostu zanurz wylot urządzenia.
  4. Ustawić natężenie przepływu pomp strzykawkowych.
    UWAGA: Dla każdego współczynnika natężenia przepływu w Rysunek 2 ustal natężenie przepływu glicerolu Qw = 2 μL / min, zwiększając jednocześnie natężenie przepływu ciekłej parafiny Qo do różnych wartości zgodnie z wymaganymi stosunkami natężenia przepływu Qo / Qw. Dla każdego stosunku natężenia przepływu odczekaj ~1 minutę, aż przepływy ustabilizują się, a na szalce Petriego zbiorą się jednolite kropelki glicerolu, a następnie wykonaj zdjęcia kropel.
    1. Ustawić natężenie przepływu glicerolu wstrzykiwanego do środkowej rurki na Qw = 2 μL/min.
    2. Ustawić natężenie przepływu ciekłej parafiny wstrzykiwanej do rurki wewnętrznej Q o = 6 μL/min.
    3. Uruchom dwie pompy, aby wytworzyć kropelki glicerolu.
      UWAGA: Proces generowania kropel można bezpośrednio obserwować za pomocą aparatu w telefonie komórkowym lub aparatu cyfrowego zamontowanego na statywie.
  5. Odczekaj ~1 min, aż przepływy się ustabilizują i zmień nową szalkę Petriego do zbierania jednolitych kropelek glicerolu.

6. Generuj inne kropelki o wysokiej lepkości w ciekłej parafinie za pomocą urządzenia do współprzepływu inwersji faz

.

UWAGA: To jest dla obrazów w Rysunek 4. Cała faza olejowa o niskiej lepkości użyta w eksperymentach jest taka sama, jak użyta w kroku 4.1.2 protokołu.

  1. Użyj czystego miodu jako fazy wodnej o wysokiej lepkości dla Rysunek 4A.
  2. Przygotuj 6 % wag. roztwór skrobi dla Rysunek 4B.
    UWAGA: Użyj odpowiedniej szklanej butelki z mediami o wysokiej temperaturze i nakrętki wysokotemperaturowej. Nosić rękawice żaroodporne.
    1. Dodaj 47 g wody do szklanej butelki o pojemności 100 ml i umieść w niej mieszadło.
    2. Umieść butelkę w łaźni wodnej i ustaw temperaturę na 100 °C.
    3. Dodać 3 g skrobi w proszku do gorącej wody, gdy łaźnia wodna osiągnie temperaturę 100 °C.
    4. Przykryj nakrętkę butelki i mieszaj przez ~4 godziny, aż roztwór będzie klarowny.
    5. Przed użyciem poczekaj, aż roztwór ostygnie do temperatury pokojowej.
  3. Przygotuj 10% wag. roztwór PVA-124 dla Rysunek 4C.
    UWAGA: Użyj odpowiedniej szklanej butelki z mediami o wysokiej temperaturze i nakrętki wysokotemperaturowej. Nosić rękawice żaroodporne.
    1. Dodaj 45 g wody do szklanej butelki o pojemności 100 ml i umieść w niej mieszadło.
    2. Umieść butelkę w łaźni wodnej i ustaw temperaturę na 70 °C.
    3. Dodać 5 g proszku PVA-124 do butelki, gdy łaźnia wodna osiągnie temperaturę 70 °C.
    4. Przykryj nakrętkę butelki i mieszaj przez ~1 godzinę, aż roztwór będzie klarowny.
    5. Przed użyciem poczekaj, aż roztwór ostygnie do temperatury pokojowej.
  4. Wytwarzaj kropelki o wysokiej lepkości w ciekłej parafinie.
    1. Postępuj zgodnie z krokiem protokołu 5, używając płynów o wysokiej lepkości przygotowanych w kroku 6.1 - 6.3, zamiast glicerolu w kroku protokołu 5.
    2. Użyj ustawień natężenia przepływu Qw = 1 μL/min i Qo = 5 μL/min dla Rysunek 4.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mikroprzepływowe urządzenie kapilarne z inwersją fazy, strukturą współprzepływu zostało zaprojektowane do generowania monodyspersyjnych wodnych kropelek o wysokiej lepkości, jak pokazano na Rysunek 1A. W Rysunek 1, fazą wodną o wysokiej lepkości był glicerol, który ma lepkość ηw = 1,4 Pas; fazą olejową o niskiej lepkości była ciekła parafina, która ma lepkość ηo = 0,029 Pas; napięcie powierzchniowe...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Urządzenie do współprzepływu z inwersją faz zapewnia prostą i nieskomplikowaną metodę generowania monodyspersyjnych kropel o wysokiej lepkości. To urządzenie ma podobną konstrukcję do zwykłych urządzeń współprzepływowych, ponieważ podstawowa struktura przepływu składa się z rurki wewnętrznej umieszczonej w rurze środkowej, której wyjście jest połączone z rurką wylotową. Istnieją jednak dwie zasadnicze różnice między urządzeniem do współprzepływu z odwróceniem faz a zwykłym urządzeniem do współprzepływu do wytwarzania kro...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca była wspierana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (nr 51420105006 i 51322501). Dziękujemy Danielowi za pomocną dyskusję na temat idei wysokiej lepkości.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
VitroTubes Rurki szklaneVitroCom8240Square - Miniaturowe rurki szklane puste, ID = 0,4 mm, OD = 0,8 mm
VitroTubes Rurki szklane VitroComCV2033okrągłe - Miniaturowe rurki szklane puste, ID = 0,2 mm, OD = 0,33 mm
VitroTubes Rurki szklaneVitroComCV1017Round - Miniaturowe rurki szklane puste, ID = 0,1 mm, OD=0,17 mm
VitroTubes Rurki szklaneVitroComQ14606Kwadrat - miniaturowa rurka szklana pusta, ID = 1,05 mm + 0,1 / - 0, OD = 1,5 mm
Standardowe kapilary szklaneWPI1B100-6Okrągłe - rurki szklane, ID = 0,58 mm, OD = 1,00 mm
GlicerolSinopharm Odczynnik chemiczny Beijing10010618
Parafina w płynieSinopharm Odczynnik chemiczny Beijing30139828
Pol(alkohol winylowy), PVA-124Odczynnik chemiczny Sinopharm Beijing30153084
Span 80Sigma-Aldrich85548
SkrobiaSigma-AldrichS9765
Trichloro(oktadecylo)silanSigma-Aldrich104817
Błękit toluidynowy OSigma-AldrichT3260
MiódMiód niepokalanek pospolity, pospolity produkt spożywczy zakupiony w supermarkecie
DEVCON 5 Minute EpoxyITW Klej epoksydowy
końcówka Igły dozujące ze stali nierdzewnej (Luer Lock)Igła Suzhou Lanbo, ChinyLTA820050 20G x 1/2" 
Rysik wolframowo-węglikowyUllman1830Do cięcia rurek szklanych
Szkiełka mikroskopoweMarka żagla710176,2 mm x 25,4 mm, grubość 1 - 1,2 mm
Rurki polietylenoweScientific CommoditiesBB31695-PE/5ID = 0,86 mm, OD = 1,32 mm
Pompy strzykawkoweDłuższa pompa, ChinyLSP01-1A3 pompy potrzebne do eksperymentów

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Shah, R. K., Shum, H. C., Rowat, A. C., Lee, D., Agresti, J. J., Utada, A. S., Chu, L. Y., Kim, J. W., Fernandez-Nieves, A., Martinez, C. J., Weitz, D. A. Designer emulsions using microfluidics. Mater. Today. 11, 18-27 (2008).
  2. Park, J. I., Saffari, A., Kumar, S., Günther, A., Kumacheva, E. Microfluidic synthesis of polymer and inorganic particulate materials. Annu. Rev. Mater. Res. 40, 415-443 (2010).
  3. Heath, J. R., Ribas, A., Mischel, P. S. Single-cell analysis tools for drug discovery and development. Nat. Rev. Drug Discovery. 15, 204-216 (2016).
  4. Murphy, S. V., Atala, A. 3D Bioprinting of tissues and organs. Nat. Biotechnol. 32, 773-785 (2014).
  5. Du, G., Fang, Q., den Toonder, J. M. Microfluidics for cell-based high throughput screening platforms-a review. Anal. Chim. Acta. 903, 36-50 (2016).
  6. Ushikubo, F. Y., Oliveira, D. R. B., Michelon, M., Cunha, R. L. Designing food structure using microfluidics. Food Eng. Rev. 7, 393-416 (2015).
  7. Xu, J. H., Li, S. W., Tan, J., Wang, Y. J., Luo, G. S. Preparation of highly monodisperse droplet in a T-junction microfluidic device. AIChE Journal. 52, 3005-3010 (2006).
  8. van Steijn, V., Kleijn, C. R., Kreutzer, M. T. Flows around confined bubbles and their importance in triggering pinch-off. Phys. Rev. Lett. 103, 214501(2009).
  9. Utada, A. S., Fernandez-Nieves, A., Stone, H. A., Weitz, D. A. Dripping to jetting transitions in coflowing liquid streams. Phys. Rev. Lett. 99, 094502(2007).
  10. Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using "flow focusing" in microchannels. Appl. phys. lett. 82, 364-366 (2003).
  11. Utada, A. S., Lorenceau, E., Link, D. R., Kaplan, P. D., Stone, H. A., Weitz, D. A. Monodisperse double emulsions generated from a microcapillary device. Science. 308, 537-541 (2005).
  12. Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab Chip. 8, 198-220 (2008).
  13. Nunes, J. K., Tsai, S. S. H., Wan, J., Stone, H. A. Dripping and jetting in microfluidic multiphase flows applied to particle and fiber synthesis. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 114002(2013).
  14. Cubaud, T., Mason, T. G. Capillary threads and viscous droplets in square microchannels. Phys. Fluids. 20, 053302(2008).
  15. Shestopalov, I., Tice, J. D., Ismagilov, R. F. Multi-step synthesis of nanoparticles performed on millisecond time scale in a microfluidic droplet-based system. Lab Chip. 4, 316-321 (2004).
  16. Zheng, B., Roach, L. S., Ismagilov, R. F. Screening of protein crystallization conditions on a microfluidic chip using nanoliter-size droplets. J. Am. Chem. Soc. 125, 11170-11171 (2003).
  17. Nie, Z. H., Xu, S. Q., Seo, M., Lewis, P. C., Kumacheva, E. Microfluidic production of biopolymer microcapsules with controlled morphology. J. Am. Chem. Soc. 127, 8058-8063 (2005).
  18. Abate, A. R., Kutsovsky, M., Seiffert, S., Windbergs, M., Pinto, L. F., Rotem, A., Utada, A. S., Weitz, D. A. Synthesis of monodisperse microparticles from non-Newtonian polymer solutions with microfluidic devices. Adv. Mater. 23, 1757-1760 (2011).
  19. Seo, M., Nie, Z., Xu, S., Mok, M., Lewis, P. C., Graham, R., Kumacheva, E. Continuous microfluidic reactors for polymer particles. Langmuir. 21, 11614-11622 (2005).
  20. Duncanson, W. J., Lin, T., Abate, A. R., Seiffert, S., Shah, R. K., Weitz, D. A. Microfluidic synthesis of advanced microparticles for encapsulation and controlled release. Lab Chip. 12, 2135-2145 (2012).
  21. Song, H., Chen, D. L., Ismagilov, R. F. Reactions in droplets in microfluidic channels. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 7336-7356 (2006).
  22. Chen, H., Zhao, Y., Li, J., Guo, M., Wan, J., Weitz, D. A., Stone, H. A. Reactions in double emulsions by flow-controlled coalescence of encapsulated drops. Lab Chip. 11, 2312-2315 (2011).
  23. Wang, P., Li, J., Nunes, J., Hao, S., Liu, B., Chen, H. Droplet micro-reactor for internal gelation to fabricate ZrO2 ceramic microspheres. J. Am. Ceram. Soc. 100, 41-48 (2017).
  24. Chen, H., Man, J., Li, Z., Li, J. Microfluidic generation of high-viscosity droplets by surface-controlled breakup of segment flow. ACS Appl. Mater. Interfaces. 9, 21059-21064 (2017).
  25. Man, J., Li, Z., Li, J., Chen, H. Phase inversion of slug flow on step surface to form high viscosity droplets in microchannel. Appl. Phys. Lett. 110, 181601(2017).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

High viscosity DropletsMicrofluidic Capillary DevicePhase inversion Co flowDroplet MicrofluidicsGlycerol DropletsFlow Rate RatioMonodisperse DropletsLow viscosity FluidDevice FabricationDroplet Generation

Related Articles