Wytwarzanie kropelek o wysokiej lepkości za pomocą mikroprzepływowego urządzenia kapilarnego ze strukturą współprzepływu z inwersją faz
17 kwietnia 2018
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.
Ogólnym celem tej procedury jest wytworzenie monorozproszonych kropel o wysokiej lepkości o lepkości powyżej jednej sekundy paskala i fazie ciągłej o niskiej lepkości poprzez inwersję faz w prostym urządzeniu mikroprzepływowym ze współprzepływem. Metoda ta może rozwiązać kluczowy problem w dziedzinie mikrofluidyki kropelkowej, dotyczący manipulacji płynami o naturalnie wysokiej lepkości, takimi jak roztwory polimerów o wysokiej zawartości glicerolu i zawiesiny nanocząstek. Główną zaletą tej techniki jest to, że początkowo generuje kropelki o niskiej lepkości, które są łatwiejsze do formowania i kontrolowania niż kropelki o wysokiej lepkości.
Kolejna wersja fazowa w celu wytworzenia kropel o wysokiej lepkości jest indukowana, gdy kropelki o niskiej lepkości wypływają z wyjścia ze struktury współprzepływowej. Procedurę zademonstruje pan Zhongnan Li, absolwent Uniwersytetu Tsinghua. Aby rozpocząć przygotowanie urządzenia, użyj rysika z węglika wolframu, aby wyciąć trzycentymetrową długość okrągłej szklanej rurki o średnicy wewnętrznej i zewnętrznej odpowiednio 580 mikrometrów i jednego milimetra.
Utworzy to środkową rurkę urządzenia. Aby wykonać wewnętrzną rurkę urządzenia, wytnij dwucentymetrową długość okrągłej szklanej rurki o średnicy wewnętrznej i zewnętrznej odpowiednio 200 i 330 mikrometrów. Umieść jeden mililitr ODTS w 1.5-mililitrowej probówce wirówkowej.
Zanurz jeden koniec środkowej rurki w ODTS na 10 sekund. Następnie przepłucz probówkę gazowym azotem z nieobrobionego końca, aż rurka wyschnie. Następnie użyj ostrza, aby wyciąć nacięcie o wymiarach 0,5 milimetra na 0,5 milimetra.
Na krawędzi plastikowej piasty Luer półcalowej igły o rozmiarze 20 wytnij nacięcie o wymiarach 0.5 milimetra na 0.5 milimetra i nacięcie o wymiarach jeden milimetr na jeden milimetr bezpośrednio naprzeciwko siebie na piaście drugiej igły. Następnie umieść środkową rurkę wzdłuż na standardowym szklanym szkiełku mikroskopowym z hydrofobową końcówką pokrytą ODTS wystającą około jednego centymetra poza wąski koniec szkiełka. Włóż dętkę do nieobrobionego końca środkowej dętki, pozostawiając około jednego centymetra dętki na zewnątrz środkowej dętki.
Użyj żywicy epoksydowej, aby zamocować rurki na miejscu wzdłuż linii środkowej zjeżdżalni. Aby uzyskać lepszą wydajność, dostosuj położenie dętki tak, aby była w przybliżeniu skoncentrowana na środkowej dętce. Po związaniu żywicy epoksydowej umieść igłę z pojedynczym nacięciem na końcu dętki, tak aby rurka pasowała do wycięcia.
Zamocuj igłę za pomocą żywicy epoksydowej, aby utworzyć wlot oleju o niskiej lepkości. Następnie zamocuj igłę z podwójnym nacięciem na połączeniu między rurką wewnętrzną i środkową, aby utworzyć wlot roztworu wodnego o wysokiej lepkości. Użyj żywicy epoksydowej, aby uszczelnić piasty igieł zarówno wokół probówek, jak i do szklanego podłoża.
Aby upewnić się, że igła wlotowa o wysokiej lepkości jest mocno osadzona na podłożu, dopasuj środkową rurkę do dużego nacięcia, a rurkę wewnętrzną do małego nacięcia. Po wyschnięciu żywicy epoksydowej zamontuj rurkę polietylenową o długości 20 milimetrów i średnicy wewnętrznej 0,86 milimetra na hydrofobowym końcu środkowej rurki, aby ukończyć urządzenie. Aby rozpocząć proces, narysuj 0,8 mililitra glicerolu zabarwionego niebieskim barwnikiem do jednomililitrowej strzykawki.
Pobierz 0,8 mililitra lekkiego oleju parafinowego do drugiej strzykawki o pojemności jednego mililitra. Podłączyć strzykawkę z glicerolem do wlotu roztworu wodnego o wysokiej lepkości do urządzenia za pomocą rurki polietylenowej o średnicy wewnętrznej 0,86 milimetra. Podłącz strzykawkę z ciekłą parafiną do wlotu oleju o niskiej lepkości.
Zamontuj obie strzykawki na pompach strzykawkowych. Następnie użyj zacisku na dwa palce i stojaka laboratoryjnego, aby zamocować urządzenie pionowo na 35-milimetrowej szalce Petriego. Wyreguluj pozycję urządzenia tak, aby koniec rurki wylotowej znajdował się około dwóch milimetrów nad dnem naczynia.
Wlej tyle płynnej parafiny na szalkę Petriego, aby po prostu zanurzyć wylot urządzenia. Dodaj taką samą ilość ciekłej parafiny do drugiej 35-milimetrowej szalki Petriego. Ustaw natężenie przepływu pompy strzykawkowej z glicerolem na dwa mikrolitry na minutę.
Ustaw natężenie przepływu pompy strzykawki z cieczy parafinowej na sześć mikrolitrów na minutę. Uruchom obie pompy, aby rozpocząć wytwarzanie kropelek glicerolu. W razie potrzeby monitoruj wytwarzanie kropel za pomocą kamery.
Odczekaj około jednej minuty, aż przepływy glicerolu i ciekłej parafiny ustabilizują się na tyle, aby utworzyć jednolite kropelki glicerolu. Następnie wymień szalkę Petriego pod wylotem urządzenia na drugą płynną naczynie wypełnioną parafiną, aby zebrać jednolite kropelki. Monorozproszone kropelki glicerolu były generowane przez urządzenia do współprzepływu z odwróceniem faz ze środkowymi rurkami o średnicy 200 lub 500 mikrometrów.
Monorozproszone kropelki wytworzono również z innych płynów o wysokiej lepkości, w tym miodu, roztworu skrobi i roztworu alkoholu poliwinylowego. Kropelki glicerolu generowane przez urządzenie o średnicy 500 mikrometrów o natężeniu przepływu oleju i glicerolu wynoszącym odpowiednio 30 i 10 mikrolitrów na minutę miały średnią średnicę 521 mikrometrów. Kropelki glicerolu generowane przez urządzenie o średnicy 200 mikrometrów przy tych samych natężeniach przepływu miały średnią średnicę 212 mikrometrów.
Stwierdzono, że wielkość kropelek glicerolu zmienia się wraz ze zmianami w stosunku natężenia przepływu oleju do natężenia przepływu glicerolu. Zwiększenie natężenia przepływu oleju przy jednoczesnym utrzymaniu stałego natężenia przepływu glicerolu spowodowało zmniejszenie wielkości cząstek. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wytwarzać monorozproszone kropelki o wysokiej lepkości za pomocą urządzenia do współprzepływu z inwersją fazy.
W przeciwieństwie do zwykłych urządzeń współprzepływowych, nie trzeba zwężać wewnętrznej szklanej kapilary do ostrej końcówki, aby uzyskać urządzenie do współprzepływu z inwersją fazy. Urządzenie do współprzepływu z odwróceniem faz może być używane do generowania kropel o wysokiej lepkości o lepkości dynamicznej do 12 sekund paskala. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w 30 minut, jeśli zostanie wykonana prawidłowo.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie prezentuje urządzenie do współprzepływu z inwersją fazy, zdolne do generowania monodyspersyjnych kropli o wysokiej lepkości przekraczającej 1 Pas. To rozwiązanie pozwala pokonać trudności w mikrofluidyce kropelkowej, szczególnie w przypadku płynów o wysokiej lepkości.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Mikrofluidyka
- Dynamika płynów
- Generowanie kropelek
Wstęp
- ciecze o wysokiej lepkości stanowią wyzwanie w mikrofluidyce kropelkowej.
- tradycyjne metody utrudniają manipulację takimi cieczami.
- techniki inwersji fazy mogą usprawnić tworzenie kropelek.
- kropelki o niskiej lepkości są łatwiejsze do kontrolowania niż kropelki o wysokiej lepkości.
Cel badania
- W celu generowania monodyspersyjnych kropli o wysokiej lepkości.
- W celu wykorzystania prostego mikroprzepływowego urządzenia typu co-flow.
- W celu usprawnienia manipulacji cieczami o wysokiej lepkości.
Zastosowane metody
- Mikrofluidyczne urządzenie współpłynne do inwersji fazy.
- Przygotowanie rurki szklanej o określonych wymiarach.
- Wstępne generowanie kropli o niskiej lepkości.
- Indukcja kropli o wysokiej lepkości z kropli o niskiej lepkości.
Główne wyniki
- Pomyślne wytworzenie monodyspersyjnych kropli o wysokiej lepkości.
- Prezentacja procedury przeprowadzona przez pana Zhongnan Li.
- Osiągnięcie skutecznej manipulacji płynami o wysokiej lepkości.
- Krople o niskiej lepkości ułatwiły kontrolę i formowanie.
Wnioski
- Urządzenie do współprzepływu z inwersją fazową jest skuteczne w generowaniu kropli o wysokiej lepkości.
- Metoda ta rozwiązuje kluczowe problemy w mikrofluidyce kroplowej.
- Przyszłe zastosowania mogą objąć różnorodne manipulacje płynami o wysokiej lepkości.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Generowanie monodyspersyjnych kropli o wysokiej lepkości pozostaje trwałym wyzwaniem w zastosowaniach opartych na kropelkach, szczególnie w przypadku lepkich formulacji stosowanych w dostarczaniu leków i syntezie materiałów. Ta metoda współprzepływu z inwersją fazową umożliwia niezawodną produkcję jednorodnych kropli z cieczy o lepkości przekraczającej 1 Pas, eliminując kluczowe wąskie gardło w obchodzeniu się z substancjami czynnymi i substancjami pomocniczymi o wysokiej lepkości. Dzięki wykorzystaniu początkowego tworzenia kropli o niskiej lepkości, a następnie kontrolowanej inwersji fazowej, podejście to zwiększa odporność i powtarzalność procesu w dalszych etapach procesów biofarmaceutycznych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia enkapsulację wysokolepkich związków bioaktywnych na potrzeby testów przesiewowych wymagających precyzyjnego dozowania.
- Wartość operacyjna: Ułatwia przesiewową analizę formulacji lepkich kandydatów na leki bez konieczności stosowania złożonej emulsyfikacji.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Umożliwia wytwarzanie monodyspersyjnych kropli, co zapewnia spójną kinetykę reakcji w badaniach wysokoprzepustowych.
- Wartość operacyjna: Wspiera standaryzowane generowanie kropli w celu miniaturyzacji testów i oszczędności odczynników.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Umożliwia przygotowanie jednorodnych kropli obciążonych lekiem do badań nad skutecznością in vivo oraz badań farmakokinetycznych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia skalowalną produkcję lepkich formulacji do przedklinicznych testów toksyczności i biodystrybucji.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta znajduje zastosowanie na etapie wczesnego odkrywania oraz w fazach przedklinicznych, wspierając testowanie hipotez dotyczących formulacji lepkich i umożliwiając standaryzację parametrów wejściowych analiz w celu optymalizacji związków wiodących.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez terapeutycznych obejmujących lepkie makrocząsteczki lub zawiesiny nanocząsteczek.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalne rozmiary kropel, co jest kluczowe dla porównywania zachowania związków w różnych warunkach.
- Analityka: Dostarcza ilościowych wskaźników wielkości i jednolitości w celu oceny wydajności formulacji.
- Badania translacyjne: Łączy generowanie kropel na etapie odkrywania z ciągłością przedkliniczną dzięki spójnym właściwościom fizykochemicznym.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje modułową platformę mikrofluidyczną, którą można dostosować do różnych układów o wysokiej lepkości w ramach wielu projektów.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną poprzez redukcję zmienności w testach opartych na kropelkach.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność i skalowalność manipulacji cieczami lepkimi w przepływach mikrofluidycznych.
- Wartość strategiczna: Wspiera lepsze decyzje typu go/no-go poprzez umożliwienie wiarygodnej oceny kandydatów na leki o wysokiej lepkości.
- Wpływ na portfolio: Redukuje ryzyko na późnych etapach formulacji dzięki wczesnemu ograniczaniu ryzyka związanego z lepkimi składnikami aktywnymi.
Kwestie związane z wdrożeniem
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna w zakresie montażu urządzeń mikroprzepływowych i technik modyfikacji powierzchni.
- Metoda zależy od precyzyjnych systemów sterowania przepływem, takich jak pompy strzykawkowe do regulacji natężenia przepływu.
- Niezbędne są możliwości monitorowania optycznego w celu wizualizacji generowania kropli i kontroli jakości.
- Wymagana jest ocena kompatybilności materiałowej powłoki ODTS oraz uszczelnienia epoksydowego z wykorzystywanymi cieczami.
- Ograniczeniem jest konieczność zastosowania par cieczy niemieszalnych oraz kontrola zwilżalności na wylocie z urządzenia.
Najczęściej zadawane pytania (FAQ) dotyczące biofarmacji
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
