Combinando microfluídica e Microrheology para determinar as propriedades reológicas de matéria mole durante as transições de fase repetidas

O objetivo geral deste procedimento é usar microfluídica para induzir transições de fase consecutivas em uma única amostra de matéria mole, trocando o fluido circundante e, ao mesmo tempo, medindo mudanças nas propriedades reológicas usando microrreologia de rastreamento de múltiplas partículas. Este método pode responder a questões-chave no campo da matéria mole, como o impacto das transições de fase, incluindo rearranjo molecular ou coloidal nas propriedades reológicas dinâmicas. A principal vantagem dessa técnica é que a amostra permanece no local durante várias transições de fase, permitindo a caracterização em tempo real.

Isso permite a quantificação de propriedades reológicas, especialmente propriedades únicas em sistemas heterogêneos. Para iniciar o procedimento, imprima o negativo do dispositivo microfluídico em uma folha de acetato transparente e aqueça uma lâmpada UV de alta intensidade. Em uma segunda folha de acetato transparente, trace os cantos de uma lâmina de 75 milímetros por 50 milímetros.

Coloque espaçadores de vidro de um milímetro de altura nos cantos. Despeje cerca de cinco mililitros de resina de tiol-eno curável por UV no centro dos espaçadores. Coloque cuidadosamente uma lâmina de vidro de 75 milímetros por 50 milímetros por um milímetro nos espaçadores para cobrir a resina.

Certifique-se de que não haja bolhas de ar entre a lâmina e a resina. Coloque o negativo impresso na lâmina de vidro. Arraste cuidadosamente o conjunto sob a lâmpada UV e deixe a resina curar por 45 segundos.

Em seguida, deslize o conjunto para longe da lâmpada UV e remova a lâmina de vidro estampada ou o carimbo microfluídico. Mergulhe o carimbo microfluídico em acetona por no máximo 10 segundos e, em seguida, mergulhe o carimbo em etanol pelo mesmo período de tempo. Repita esta sequência de imersão uma vez.

Em seguida, mergulhe o carimbo em água destilada. Trabalhando com o mínimo de movimento da mão, use um cotonete para remover a resina restante não reagida sem tocar na resina curada. Substitua o cotonete quando ficar saturado de água.

Catalise o carimbo sob luz ultravioleta por mais 30 minutos. Em seguida, misture 70 gramas de base PDMS com agente de reticulação na proporção de um para 10 e desgaseifique o PDMS por uma hora ou até que o PDMS não esteja mais turvo. Coloque o carimbo microfluídico voltado para cima em uma placa de Petri de plástico de 150 milímetros.

Despeje lentamente o PDMS no prato, despejando perto da superfície do prato para minimizar a formação de bolhas, para cobrir completamente o carimbo. Cubra a placa de Petri e cure o PDMS a 55 graus Celsius durante a noite. Use uma faca para cortar o excesso de PDMS.

Separe o PDMS padronizado do carimbo manualmente. Remova o carimbo e o excesso de PDMS da placa de Petri. Em seguida, coloque o prato em uma folha de papel impressa com a localização dos orifícios externos simétricos para a câmara de amostra.

Alinhe o PDMS padronizado com a guia e use um punção de biópsia de 5 milímetros para fazer furos no PDMS nos locais marcados. A principal característica deste dispositivo é a simetria entre os canais de entrada e a mesma câmara. Isso permite a troca de fluido sem perda de amostra.

É importante usar um padrão de guia para garantir a precisão ao cortar os canais. Por fim, faça um furo no centro da câmara de amostra, na borda interna da câmara de sucção e em cada extremidade dos longos canais externos. Cubra a placa de Petri ao armazenar o PDMS padronizado.

Um dia antes da montagem do dispositivo, prepare o fluido pré-convertido que será usado para criar paredes de vidro no dispositivo microfluídico. Para iniciar a montagem do dispositivo, trate a plasma o PDMS padronizado e uma lâmina de vidro fina por 40 segundos. Pressione cuidadosamente as faces tratadas com plasma da lâmina e o PDMS padronizado.

Aplique resina curável por UV na costura entre o PDMS e a lâmina e catalise a resina sob luz UV de baixa intensidade por cinco minutos. Em seguida, insira a tubulação termoplástica equipada com conectores de aço inoxidável em todos os orifícios de canto, exceto um, do PDMS padronizado. Conecte uma seringa de três mililitros de fluido pré-convertido ao último orifício usando uma agulha de calibre 18, tubo termoplástico e um conector.

Encha o dispositivo microfluídico com fluido pré-convertido. Em seguida, coloque o dispositivo em uma placa quente aquecida a 100 graus Celsius e, ao longo de 10 segundos, flua três mililitros de fluido pré-convertido através do dispositivo para fabricar as paredes de vidro. Em seguida, remova o dispositivo da placa de aquecimento.

Use uma seringa de 30 mililitros de ar para expelir o excesso de fluido pré-convertido. Flua lentamente 15 mililitros de clorofórmio através do dispositivo, seguidos por 30 mililitros de etanol, cada um ao longo de cerca de um minuto. Em seguida, empurre o ar através do dispositivo microfluídico até secar.

Remova a tubulação dos orifícios. Em seguida, use resina curável por UV para prender tiras de vidro de um milímetro de espessura na parte inferior das bordas longas do dispositivo. Corte um pedaço de 30 por 30 milímetros de excesso de PDMS curado e faça um orifício mais largo do que a câmara de amostra no centro para formar a bacia de solvente.

O plasma trata a bacia e o dispositivo microfluídico por 40 segundos. Coloque a face tratada com plasma da bacia no dispositivo com a câmara de amostra centralizada no orifício. Aplique uma leve pressão para fixar a bacia ao dispositivo.

Por fim, corte seis quadrados de cinco milímetros do excesso de PDMS. Use um punção de biópsia de 5 milímetros para fazer um furo no meio de cada quadrado. Insira um conector de aço inoxidável em cada orifício para formar as rolhas PDMS.

Depois de carregar a amostra de matéria mole em uma seringa de um mililitro, insira a tubulação termoplástica em três dos canais de entrada de canto do dispositivo e na saída da câmara de sucção. Encha outra seringa com água deionizada. Conecte o tubo termoplástico à seringa e expulse quaisquer bolhas de ar.

Conecte a seringa ao quarto canal de entrada do canto. Encha o dispositivo e a bacia de solvente com água deionizada. Certifique-se de que não haja bolhas na câmara de amostra ou nos canais microfluídicos.

Complete a água na bacia de solvente com uma pipeta de transferência, se necessário. É essencial que o dispositivo microfluídico esteja configurado corretamente. Mais importante ainda, certifique-se de que não haja bolhas de ar no dispositivo, pois elas podem interromper o fluxo microfluídico e os dados de microrreologia.

Em seguida, injete 10 microlitros da amostra de matéria mole na câmara de amostra através da entrada central a cerca de dois microlitros por segundo. Bloqueie a entrada central após carregar a amostra. Usando um microscópio invertido e uma câmera de alta velocidade, grave pelo menos 20 vídeos do movimento browniano das sondas na mistura de amostras em intervalos de tempo apropriados para a duração da transição de fase.

Para gelificação, continue gravando vídeos até que o movimento da sonda pare completamente. Para degradação, continue gravando vídeos até que as sondas estejam completamente difusivas. Em seguida, remova o dispositivo do microscópio stage.

Para trocar a água por um fluido de densidade mais alta, retire a água da bacia de solvente usando uma pipeta de transferência e pipete quatro mililitros do fluido de densidade mais alta na bacia. Retorne o dispositivo ao microscópio stage e continue gravando vídeos. Para trocar um fluido de densidade mais alta por água ou outro fluido de densidade mais baixa, conecte uma seringa ao canal da câmara de sucção por meio de uma agulha de calibre 18 e tubo termoplástico.

Monte a seringa em uma bomba de seringa ajustada para retirar a um mililitro por minuto. Pipete a maior parte do fluido de alta densidade da bacia de solvente e enxágue a bacia com o fluido de baixa densidade três vezes, nunca permitindo que a bacia drene completamente. Encha a bacia com fluido de baixa densidade após o enxágue.

Encha uma pipeta de transferência com o fluido de baixa densidade. Em seguida, use a bomba de seringa para retirar o fluido de alta densidade por um minuto. Adicione o fluido de baixa densidade gota a gota à bacia conforme necessário durante a troca de fluidos.

Em seguida, pare a câmara de sucção e retorne o dispositivo ao microscópio stage para registro. Adquira vídeos de ciclos de gelificação de degradação desta forma para o número desejado de ciclos ou até que não haja sondas suficientes para medição. O deslocamento quadrático médio do conjunto das trajetórias das partículas da sonda foi rastreado durante sucessivas transições de fase de um sistema de óleo de mamona hidrogenado entre o gel e o sol.

A gelificação foi induzida pela troca de fluxo por gravidade da água por um agente gelificante de maior densidade. A degradação foi induzida pela troca de fluxo de sucção do agente gelificante por água. A câmara de amostra foi lavada novamente com água quando o comportamento da fase sugeriu que o agente gelificante não havia sido totalmente removido da câmara.

Não foram observadas alterações nas propriedades reológicas quando a amostra foi deixada na fase sol, sem troca de fluidos por cerca de 600 minutos. Transições de fase repetidas não induziram mudanças observáveis nas propriedades reológicas de equilíbrio, como mostrado pelas inclinações logarítmicas das curvas MSD ou alfa retornando aos mesmos valores para cada fase. O valor alfa de equilíbrio da fase solar foi inferior a 1,0, indicando que o material reteve alguma estrutura mesmo após a degradação.

O gel sofreu um aumento na heterogeneidade estrutural durante a transição de fase do gel para o sol, conforme indicado pelos picos dos parâmetros não gaussianos durante os ciclos de degradação. O rearranjo coloidal pode ocorrer imediatamente após a troca de fluidos, conforme indicado pelo aumento de alfa. Primeiro tivemos a ideia desse método para determinar se as transições de fase estavam causando mudanças permanentes nas propriedades reológicas e na microestrutura de um material macio.

No sistema HCO, esse dispositivo permitiu a medição de dois mecanismos possíveis para essas mudanças permanentes, rearranjo coloidal durante as transições de fase ou cisalhamento induzido durante a preparação da amostra. Uma vez dominada, essa técnica pode ser usada para identificar as propriedades reológicas de um sistema de matéria mole em muitas transições de fase em resposta a mudanças no ambiente fluido circundante.