Name: Fabricação de gotículas de alta viscosidade usando dispositivo capilar microfluídico com estrutura de co-fluxo de inversão de fase (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-17T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 2 s
Description: Aprenda a fabricar gotículas monodispersas de alta viscosidade usando um dispositivo microfluídico de co-fluxo com inversão de fase. Este método facilita a manipulação de fluidos de alta viscosidade em aplicações de microfluídica.

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Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de ciências naturais da China (n. 51420105006 e 51322501). Agradecemos o Daniel por sua discussão útil sobre as ideias de alta viscosidade.

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Os autores não têm nada para divulgar.

O dispositivo de fase-inversão de fluxo co fornece um método simples e direto para a frente para gerar monodisperso gotículas de alta viscosidade. Este dispositivo tem uma estrutura similar aos dispositivos de fluxo co comum, como a estrutura de fluxo de co básico consiste de um tubo interno inserido no tubo do meio, a saída dos quais está ligada ao tubo de saída. No entanto, existem duas diferenças principais entre o dispositivo de fluxo de co de inversão de fase e o dispositivo de fluxo co comum para a geração de gotíc...

A geração de gotículas está se tornando uma tecnologia-chave em uma variedade de aplicações, tais como a entrega da droga, síntese de materiais, bioprinting 3D, ensaios de célula e comida engenharia1,2,3,4 , 5 , 6. dispositivos microfluídicos com entroncamento7,8, co1,9de fluxo, ou fluxo de focagem10,11 estruturas são amplamente utilizadas para gerar monodisperso gotículas de emulsão simples. Seleção de uma fase contínua mais viscosa irá facilitar a formação de gotículas12e as viscosidades de ambos os fluidos, contínuas e dispersas são comumente inferiores a 0,1 Pas em gotículas microfluídica13. No entanto, em muitas aplicações, a fase dispersa pode ter uma viscosidade várias centenas de vezes superior da água, tais como o glicerol14, soluções contendo nanopartículas15, proteínas16ou polímeros17 , 18 , 19, apesar de ser difícil conseguir monodisperso gotas diretamente de fluidos de alta viscosidade em um estábulo pingando regime11 em dispositivos microfluídicos, especialmente para os líquidos com uma viscosidade η > 1 Pa · s14 ,17,18,19. Além disso, tem sido relatado13,18 que métodos microfluidic típico para a formação de gotículas exigem líquidos com uma viscosidade relativamente baixa e moderada tensão interfacial para formar gotículas uniformes em um gotejamento estável regime.
Para uma fase dispersa com uma viscosidade ligeiramente maior do que 0,1 Pas, existem várias abordagens possíveis para facilitar a formação de gotículas com entroncamento típico, co fluxo ou fluxo de focagem microfluidic dispositivos: (1) diminuição da viscosidade do dispersos fase, diluindo-a em um solvente volátil11,20; (2) diminuir a relação de viscosidade dispersos-para-contínua aumentando a viscosidade da fase contínua1,11; (3) diminua a taxa de fluxo da fase dispersa a um valor extremamente baixo, mantendo um alto fluxo contínuo de-dispersa taxa relação 14,19. No entanto, essas abordagens não são práticas para líquidos com viscosidade muito maior, como eles abaixarão significativamente a taxa de produção enquanto a elevar drasticamente o consumo de solvente volátil ou a fase contínua. Além disso, tem sido relatado que algumas soluções de polímero de alta viscosidade com η > 1 Pa · s ainda não quebraram em gotas com abordagens mencionadas acima de17,19.
Existem também diversos projetos de melhoria de dispositivos microfluídicos que introduzir uma terceira fase de fluido no sistema, que facilita a geração de gotículas de alta viscosidade. As inovações incluem: bolhas introduzidas para cortar um segmento jorrando gotas21, um líquido imiscível parentes com viscosidade moderada, introduzido como fase intermediária entre a fase de dipsersed e a fase contínua18, e microreactors introduzido para gerar gotículas de alta viscosidade de dois precursores de baixa viscosidade21,22,23. No entanto, como um fluido mais está envolvido no processo, o sistema torna-se mais complicado, e os dispositivos normalmente trabalham em um regime de fluxo muito mais estreito do que os dispositivos típicos para a geração de gotículas de emulsão simples.
Para gerar monodisperso gotas diretamente de um fluido de alta viscosidade com η > 1 Pa · s, métodos de superfície controlada fase-inversão tem sido investigado24. Como a geração de gotículas de baixa viscosidade é muito mais fácil do que as gotas de alta viscosidade12, alongadas gotículas de baixa viscosidade em uma fase contínua de alta viscosidade são geradas pela primeira vez usando uma estrutura de fluxo típico de co e então terminaram devido para a mudança de superfície molhabilidade a jusante da estrutura de fluxo de co. O fluido de baixa viscosidade lançado inversamente encapsula o fluido de alta viscosidade a jusante em gotas para que a inversão de fase está concluída. De acordo com o mecanismo de inversão de fase, gotículas de alta viscosidade monodisperso podem ser geradas com base em um dispositivo de fluxo típico de co, enquanto a saída do dispositivo co fluxo é tratada para ser molhadas pelo fluido de baixa viscosidade e então conectada a um tubo mais largo24 ,25.

<table><tbody><tr><td>VitroTubes Tubo de Vidro</td><td>VitroCom</td><td>8240</td><td>Quadrado - Tubo de Vidro Oco em Miniatura, ID = 0,4 mm, OD = 0,8 mm</td></tr><tr><td>Tubo de Vidro VitroCom</td><td></td><td>CV2033</td><td>Redondo - Tubo de Vidro Oco em Miniatura, ID = 0,2 mm, OD = 0,33 mm</td></tr><tr><td>Tubo de Vidro VitroCom</td><td></td><td>CV1017</td><td>Redondo - Tubo de Vidro Oco em Miniatura, ID = 0,1 mm, OD = 0,1 mm</td></tr><tr><td>Tubo de Vidro VitroTubes</td><td>VitroCom</td><td>Q14606</td><td>Quadrado - Tubo de Vidro Oco em Miniatura, ID = 1,05 mm + 0,1 / -0, OD = 1,5 mm</td></tr><tr><td>Capilares de Vidro Padrão</td><td>WPI</td><td>1B100-6</td><td>Redondo - Tubo de Vidro, ID = 0,58 mm, OD = 1,00 mm</td></tr><tr><td>Reagente Químico de Glicerol</td><td>Sinopharm Reagente Químico de Pequim</td><td>10010618</td><td></td></tr><tr><td>de Parafina</td><td>Reagente Químico Líquido de Sinopharm de Pequim</td><td>30139828</td><td></td></tr><tr><td>Poli (álcool vinílico), PVA-124</td><td>Sinopharm Reagente Químico Beijing</td><td>30153084</td><td></td></tr><tr><td>Span 80</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>85548</td><td></td></tr><tr><td>Amido</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S9765</td><td></td></tr><tr><td>Tricloro (octadecil) silano</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>104817</td><td></td></tr><tr><td>Toluidine Blue O</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>T3260</td><td></td></tr><tr><td>Mel</td><td></td><td></td><td>Mel de árvore casta, comum produto alimentício comprado no supermercado</td></tr><tr><td>DEVCON 5 Minute Epoxy</td><td>ITW&nbsp;</td><td></td><td>Cola epóxi</td></tr><tr><td>Pontas Blunt Agulhas de Dispensação de Aço Inoxidável (Luer Lock)</td><td>Suzhou Lanbo Agulha, China</td><td>LTA820050</td><td>20G x 1/2"&nbsp;</td></tr><tr><td>Tungstênio/carboneto Scriber</td><td>Ullman</td><td>1830</td><td>Para cortar tubos de vidro</td></tr><tr><td>Lâminas de microscópio</td><td>Sail Marca</td><td>7101</td><td>76,2 mm x 25,4 mm, Espessura 1 - 1,2 mm</td></tr><tr><td>Tubulação de polietileno</td><td>Scientific Commodities</td><td>BB31695-PE/5</td><td>I.D. = 0,86 mm, O.D. = 1,32 mm</td></tr><tr><td>Bombas de seringa</td><td>Bomba mais longa, China</td><td>LSP01-1A</td><td>3 bombas necessárias para os experimentos</td></tr></tbody></table>

fabricação de gotículas de alta viscosidade usando dispositivo capilar microfluídico com estrutura de co-fluxo de inversão de fase

Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure

A geração de gotículas monodisperso com alta viscosidade sempre foi um desafio em microfluídica da gota. Aqui, demonstramos um dispositivo de fluxo de co de inversão de fase para gerar gotículas uniformes de alta viscosidade em um líquido de baixa viscosidade. O dispositivo capilar microfluidic tem uma estrutura de fluxo co comum com sua saída, conectando a um tubo mais largo. Alongada gotículas de líquido de baixa viscosidade primeiro são encapsuladas pelo fluido de alta viscosidade na estrutura de fluxo de co. Como as gotas de baixa viscosidade alongadas fluem através da saída, que é tratada para ser molhadas pelo fluido de baixa viscosidade, inversão de fase é então induzida pela adesão das gotas de baixa viscosidade para a ponta da saída, o que resulta no inverso subsequente encapsulamento do fluido de alta viscosidade. O tamanho de gotas alta viscosidade resultantes pode ser ajustado alterando a relação de taxa de fluxo do fluido de baixa viscosidade para o fluido de alta viscosidade. Vamos demonstrar vários exemplos típicos da geração de gotículas de alta viscosidade com uma viscosidade até 11,9 Pas, tais como solução de glicerol, mel, amido e polímero. O método fornece uma abordagem simples e direta para gerar monodisperso gotículas de alta viscosidade, que podem ser usadas em uma variedade de aplicações baseadas em gotículas, como síntese de materiais, administração de medicamentos, ensaio de células, bioengenharia e comida de engenharia.

Um dispositivo capilar microfluidic com uma inversão de fase, estrutura de fluxo de co foi projetado para gerar monodisperso aquosa gotículas de alta viscosidade, como mostrado na figura 1A. Na Figura 1, a fase aquosa de alta viscosidade foi o glicerol, que tem uma viscosidade ηw = 1,4 Pas; a fase de óleo de baixa viscosidade foi parafina líquida, que tem uma viscosidade ηó = 0,029 Pas; a t...

Um dispositivo de inversão de fase de fluxo co é demonstrado para gerar gotículas de alta viscosidade monodisperso acima 1 Pas, que é difícil perceber em microfluídica da gota.

Fabricação de gotículas de alta viscosidade usando dispositivo capilar microfluídico com estrutura de co-fluxo de inversão de fase

The generation of monodisperse droplets with high viscosity has always been a challenge in droplet microfluidics. Here, we demonstrate a phase-inversion ...

O objetivo geral deste procedimento é gerar gotículas monodispersas de alta viscosidade com viscosidades acima de um pascal segundos e uma fase contínua de baixa viscosidade por meio de inversão de fase em um dispositivo microfluídico de cofluxo simples. Este método pode resolver o principal problema no campo da microfluídica de gotículas sobre a manipulação de fluidos inerentemente de alta viscosidade, como soluções de polímero com alto teor de glicerol e suspensões de nanopartículas. A principal vantagem dessa técnica é que ela inicialmente gera gotículas de baixa viscosidade que são mais fáceis de formar e controlar do que gotículas de alta viscosidade.A versão de fase subsequente para gerar gotículas de alta viscosidade é induzida quando as gotículas de baixa viscosidade fluem da saída de uma estrutura de cofluxo. Demonstrando o procedimento estará o Sr. Zhongnan Li, um estudante de pós-graduação da Universidade de Tsinghua. Para começar a preparar o dispositivo, use um riscador de carboneto de tungstênio para cortar um comprimento de três centímetros de um tubo de vidro redondo com um diâmetro interno e externo de 580 micrômetros e um milímetro, respectivamente.Isso formará o tubo do meio do dispositivo. Para fazer o tubo interno do dispositivo, corte um comprimento de dois centímetros de um tubo de vidro redondo com um diâmetro interno e externo de 200 e 330 micrômetros, respectivamente. Coloque um mililitro de ODTS em um tubo de centrífuga de 1,5 mililitro.Mergulhe uma extremidade do tubo médio no ODTS por 10 segundos. Em seguida, lave o tubo com gás nitrogênio da extremidade não tratada até que o tubo esteja seco. Em seguida, use uma lâmina para cortar um entalhe de 0,5 milímetro por 0,5 milímetro.Na borda do cubo Luer de plástico de uma agulha romba de calibre 20 de meia polegada, corte um entalhe de 0,5 milímetro por 0,5 milímetro e um entalhe de um milímetro por um milímetro diretamente um em frente ao outro no cubo de uma segunda agulha. Em seguida, coloque o tubo do meio longitudinalmente em uma lâmina de microscópio de vidro padrão com a extremidade revestida com ODTS hidrofóbica estendendo-se cerca de um centímetro após a extremidade estreita da lâmina. Insira o tubo interno na extremidade não tratada do tubo do meio, deixando cerca de um centímetro do tubo interno fora do tubo do meio.Use epóxi para fixar os tubos no lugar ao longo da linha central da corrediça. Para um melhor desempenho, ajuste a posição do tubo interno para ficar aproximadamente concentrado no tubo do meio. Uma vez que o epóxi tenha endurecido, coloque a agulha entalhada sobre a extremidade do tubo interno para que o tubo se encaixe no entalhe.Fixe a agulha no lugar com epóxi para formar a entrada de óleo de baixa viscosidade. Em seguida, fixe a agulha de duplo entalhe sobre a junção entre os tubos interno e intermediário para formar a entrada da solução aquosa de alta viscosidade. Use epóxi para selar os cubos da agulha ao redor dos tubos e no substrato de vidro.Para garantir que a agulha de entrada de alta viscosidade fique firmemente no substrato, encaixe o tubo do meio no entalhe grande e o tubo interno no entalhe pequeno. Após a secagem do epóxi, coloque um tubo de polietileno de 20 milímetros de comprimento com um diâmetro interno de 0.86 milímetro sobre a extremidade hidrofóbica do tubo médio para completar o dispositivo. Para iniciar o processo, desenhe 0,8 mililitros de glicerol tingido com corante azul em uma seringa de um mililitro.Puxe 0,8 mililitros de óleo de parafina leve em uma segunda seringa de um mililitro. Conecte a seringa de glicerol à entrada de solução aquosa de alta viscosidade do dispositivo por meio de um tubo de polietileno com diâmetro interno de 0.86 milímetros. Conecte a seringa de parafina líquida à entrada de óleo de baixa viscosidade.Monte ambas as seringas nas bombas de seringa. Em seguida, use uma pinça de dois dedos e um suporte de laboratório para fixar o dispositivo verticalmente sobre uma placa de Petri de 35 milímetros. Ajuste a posição do dispositivo de forma que a extremidade do tubo de saída fique cerca de dois milímetros acima do fundo do prato.Despeje parafina líquida suficiente na placa de Petri para apenas mergulhar a saída do dispositivo. Adicione a mesma quantidade de parafina líquida a uma segunda placa de Petri de 35 milímetros. Defina a taxa de fluxo da bomba da seringa de glicerol para dois microlitros por minuto.Defina a taxa de fluxo da bomba de seringa de parafina líquida para seis microlitros por minuto. Execute ambas as bombas para começar a gerar as gotículas de glicerol. Monitore a geração de gotículas com uma câmera, se desejar.Aguarde cerca de um minuto para que os fluxos de glicerol e parafina líquida se estabilizem o suficiente para formar gotículas de glicerol uniformes. Em seguida, troque a placa de Petri sob a saída do dispositivo pela segunda placa líquida cheia de parafina para coletar as gotículas uniformes. Gotículas de glicerol monodispersas foram geradas por dispositivos de co-fluxo de inversão de fase com tubos médios com diâmetros de 200 ou 500 micrômetros.Gotículas monodispersas também foram geradas a partir de outros fluidos de alta viscosidade, incluindo mel, uma solução de amido e uma solução de álcool polivinílico. As gotículas de glicerol geradas pelo dispositivo de 500 micrômetros com vazões de óleo e glicerol de 30 e 10 microlitros por minuto, respectivamente, tinham um diâmetro médio de 521 micrômetros. As gotículas de glicerol geradas pelo dispositivo de 200 micrômetros nas mesmas taxas de fluxo tinham um diâmetro médio de 212 micrômetros.Verificou-se que o tamanho das gotículas de glicerol muda com as variações na relação entre a taxa de fluxo de óleo e a taxa de fluxo de glicerol. Aumentar a taxa de fluxo de óleo enquanto mantém a taxa de fluxo de glicerol constante resultou em uma diminuição no tamanho das partículas. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como fazer gotículas monodispersas de alta viscosidade com um dispositivo de co-fluxo de inversão de fase.Em contraste com os dispositivos de co-fluxo comuns, você não precisa afunilar o capilar de vidro interno em uma ponta afiada para fazer o dispositivo de co-fluxo de inversão de fase. O dispositivo de co-fluxo de inversão de fase pode ser usado para gerar gotículas de alta viscosidade com viscosidades dinâmicas de até 12 segundos pascal. Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em 30 minutos se for executada corretamente.

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Research

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Chemistry

Química

Um novo sistema microfluídicos foi desenvolvido usando o fenômeno do bombeamento passivo e um usuário do sistema de entrega controlada de fluido. Este sistema microfluídicos tem potencial para ser usado em uma ampla variedade de aplicações biológicas dado o seu baixo custo, facilidade de uso, precisão volumétrica, alta velocidade, repetibilidade e automação.

High Speed ​​Delivery System Droplet-based para Passive Bombeamento em dispositivos microfluídicos

Gota plataformas baseadas microfluídicos são candidatos promissores para a experimentação de alto rendimento, uma vez que são capazes de gerar picolitros, auto-compartimentada vasos barata a taxas kHz. Através da integração com rápido, sensível e de alta resolução de fluorescência métodos espectroscópicos, a grande quantidade de informações geradas nesses sistemas podem ser eficientemente extraído, aproveitada e utilizada.

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Combinando monodispersos geração gota com ordenação de inércia de células e partículas, nós descrevemos um método para encapsular um número desejado de células ou partículas em uma única gota a taxas kHz. Nós demonstramos a eficiência duas vezes superiores às de encapsulamento desordenada para gotas simples e dupla-partícula.

Alta taxa de transferência de célula única e múltipla de células Micro-encapsulamento

A geração de emulsões duplas microfluídicas normalmente envolve dispositivos com molhabilidade padronizada ou componentes de vidro fabricados sob medida. Aqui descrevemos a fabricação e o teste de um gerador de emulsão dupla totalmente polidimetilsiloxano (PDMS) que não requer tratamento de superfície ou processos de fabricação complicados e é capaz de produzir emulsões duplas de até 14 μm.

Duplo Emulsion Geração de utilizar um dispositivo de polidimetilsiloxano (PDMS) Co-Axial Flow Foco

Aqui, demonstramos um método de produção simples para microgotículas de água em óleo (A/S) monodispersas e controláveis por tamanho usando um dispositivo microfluídico centrífugo baseado em capilares. Este método requer apenas um pequeno volume de amostra e permite uma produção de alto rendimento. Esperamos que este método seja útil para análises bioquímicas e celulares rápidas.

Dispositivo micro centrífuga baseada capilar para a Formação tamanho controlável de Monodisperse microgotas

Os protocolos são descritos para a fabricação de hidrogel degradáveis thermoresponsive baseado no hidrazona cross-linking de oligômeros polímeros na escala a granel, microescala e escala nanométrica, último para preparação do gel de nanopartículas e nanofibras.

Fabricando degradáveis hidrogel de Thermoresponsive em várias escalas de comprimento através da extrusão reativa, microfluídica, auto-montagem e eletrofiação

Dispositivos microfluídicos multicamadas geralmente envolvem a fabricação de moldes mestres com geometrias complexas para funcionalidade. Este artigo apresenta um protocolo completo para fotolitografia em várias etapas com válvulas e recursos de altura variável ajustáveis a qualquer aplicação. Como demonstração, fabricamos um gerador de gotículas microfluídicas capaz de produzir esferas de hidrogel.

Multi-passo fotolitografia Variável Altura para Valved multicamada microfluídicos Devices

Aqui, apresentamos um protocolo para ilustrar os processos de fabricação e verificando as experiências de um semi-three-dimensional (semi-3D) fluxo de focagem microfluidic chip para formação de gotículas.

Geração de tamanho controlado poli (etileno glicol) Diacrylate gotículas através de Semi-3-Dimensional Flow focando Microfluidic dispositivos

Aqui, é apresentado um protocolo para a fabricação de dispositivos microfluidos à base de vidro usados para gerar emulsões altamente monodisperses com tamanho de gota controlado.

Dispositivos baseados em vidro para gerar gotas e emulsões

A fabricação de um dispositivo de bicamada à base de polidimetilsiloxano (PDMS) para a produção de bibliotecas combinatórias em emulsões de água em óleo (plugs) é apresentada aqui. O hardware e o software necessários para automatizar a produção de plugues são detalhados no protocolo, e a produção de uma biblioteca quantitativa de plugues fluorescentes também é demonstrada.

Dispositivo microfluídico bicamada para produção de plugue combinatório

O protocolo descreve uma plataforma microfluídica avançada para medir quantitativamente a dinâmica da secreção de citocinas de células mononucleares individuais do sangue periférico humano. A plataforma mede até três citocinas em paralelo (IL-6, TNFα e IL-1β) para cada célula individual estimulada com lipopolissacarídeo como exemplo.

Abordagem microfluídica para resolver a secreção simultânea e sequencial de citocinas de células polifuncionais individuais 

Aprenda a fabricar gotículas monodispersas de alta viscosidade usando um dispositivo microfluídico de co-fluxo com inversão de fase. Este método facilita a manipulação de fluidos de alta viscosidade em aplicações de microfluídica.

Fabricação de gotículas de alta viscosidade usando dispositivo capilar microfluídico com estrutura de co-fluxo de inversão de fase (Vídeo) | JoVE Journal

Fabricação de gotículas de alta viscosidade usando dispositivo capilar microfluídico com estrutura de co-fluxo de inversão de fase

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