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

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.