Name: Combinando microfluídica e Microrheology para determinar as propriedades reológicas de matéria mole durante as transições de fase repetidas (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 38 s
Description: Aprenda a usar microfluídica e microrreologia para medir propriedades reológicas de matéria mole durante transições de fase repetidas. Este método permite caracterização em tempo real de sistemas heterogêneos.

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Financiamento para este trabalho foi fornecido pela Procter & Gamble Co. e American Chemical sociedade pesquisa fundo petrolífero (54462-DNI7). Confirmação é feita para os doadores de American química sociedade petróleo fundo de investigação do suporte parcial desta pesquisa. Os autores que gostaria de agradecer o Dr. Marco Caggioni por discussões úteis.

1. a fabricação do dispositivo Microfluidic
<ol><li>Fabricação de carimbo microfluidic. Nota: Este passo requer o uso de materiais voláteis e deve ser feito em uma coifa de química.<ol>
<li>Usar um projeto impresso negativo com as mesmas dimensões que a lâmina de vidro (75 × 50 mm), o branco colorido de canais, e o fundo de cor preta (ver Figura 1). Imprima este desenho em uma folha de acetato clear (transparência) com uma resolução de 1200 dpi.</li>
		<li>Se a seção escura da transparência ainda permite que a luz através de, camada de vários negativos e aderir usando fita dupla face.</li>
		<li>Ligue a fonte luminosa de alta intensidade ultravioleta (UV) e deixe-a aquecer para uma saída constante (aproximadamente 30 min). Nota: Os óculos de proteção UV devem ser usado quando usando a fonte de luz UV de alta intensidade.</li>
		<li>Preencher três pratos de Petri 150 mL com acetona, etanol e água destilada.</li>
		<li>Coloque uma transparência em branco sobre uma superfície plana perto da fonte de UV de alta saída, mas não diretamente sob a luz ultravioleta luz. Isso fornecerá uma base para fabricar o selo microfluidic.</li>
		<li>Contorne os cantos de 75 × 50 mm placa de vidro no centro da transparência em branco com um permanente marcador e lugar quatro vidro distanciadores (aproximadamente 30 × 30 × 1 mm) nos cantos do retângulo descrito.</li>
		<li>Despeje aproximadamente 5 mL de resina de tiol: ene curável UV no centro dos espaçadores e, em seguida, coloca-se cuidadosamente um 75 x 50 x 1 lâmina de vidro de mm para os espaçadores de vidro, para que a cola é completamente coberta pela lâmina de vidro com nenhuma bolha de ar.</li>
		<li>Coloque a transparência com negativo impresso na parte superior da lâmina de vidro e mover todos os componentes acima (de baixo para cima: em branco, transparência, espaçadores de vidro e colagem UV, lâmina de vidro e transparência impressa negativa), arrastando a transparência em branco cuidadosamente sob a fonte de luz UV.</li>
		<li>Permitir que a luz UV brilhar o negativo para a resina e a cura. O tempo de cura pode ser ajustado para alterar a altura do canal. Um 45 s cura tempo resulta em uma altura de canal de 1 mm, usando nossa fonte de luz.</li>
		<li>Mover os componentes longe da fonte de UV e remover a transparência impressa negativa e a lâmina de vidro. A lâmina de vidro com os canais fabricado em cola UV será agora referida como o carimbo microfluidic.</li>
		<li>Descarte os espaçadores de transparência e de vidro.</li>
		<li>Mergulhe o carimbo microfluidic no banho de acetona, seguido de banho de etanol. Repita duas vezes. Acetona degradará a cola UV, então não deixe acetona sobre o selo para maior que 10 s.</li>
		<li>Mantendo o carimbo, mergulhe o carimbo na água e use um cotonete para remover o resto da resina não tenha reagido. Não diretamente Limpe as porções curadas, como ele vai fazer com que os canais áspero.
</li>
		<li>Coloque o selo sobre uma toalha de papel e retornar para a fonte de UV durante pelo menos 30 minutos para assegurar a cura completa.</li>
	</ol></li>
	<li>Moldagem de polidimetilsiloxano (PDMS)
	<ol>
<li>Despeje uma xícara de clara 70g de PDMS base e adicionar o agente do cross-linking com base em uma relação de peso de 01:10 crosslinker para a base. Estas são o fabricante recomendado rácios. Não use um recipiente de vidro.
</li>
		<li>Misture o cross-linker e base cuidadosamente com um palito de metal; a mistura deve ser turva devido a bolhas de ar aprisionado uma vez corretamente misturado.</li>
		<li>Ponha o PDMS em um vácuo vácuo forno e puxe o PDMS misto. Desligue o vácuo se a solução começa a transbordar o copo e, em seguida, retomar o vácuo após o estouro de subsídios. Não importa a pressão total na estufa de vácuo, como o vácuo apenas acelera o processo de desgaseificação. Deixe na câmara até todas as bolhas foram evacuadas da mistura (aproximadamente 60 min).</li>
		<li>Lugar do carimbo microfluidic em um plástico de diâmetro de 150mm vazio placa de Petri, então lentamente despeje o PDMS de Petri, cobrindo completamente o carimbo microfluidic. Despeje próximos à superfície da caixa de Petri para minimizar bolhas reforma no PDMS.</li>
		<li>Cubra o prato de Petri e coloque em um forno de 55 ° C durante a noite para curar. Uma vez completamente curados, cortar o PDMS modelado usando uma faca e retire o selo. Reter excesso PDMS para construir a bacia de solvente (etapa de protocolo 1.6.3) e rolhas PDMS (etapa 2.2.1.1 do protocolo).</li>
		<li>Usando um soco de biópsia de 0,5 mm, corte buracos nos seguintes locais: um em cada canto, um na câmara de sucção, perto da borda do canal, seis na câmara de amostra simetricamente colocado abaixo de 60° e um no centro da câmara de amostra. Para garantir furos simetricamente colocados um padrão de impressão em uma folha de papel e o lugar sob a câmara de amostra. Desde que o PDMS é claro, você pode ver facilmente onde os furos precisam ser colocados.</li>
	</ol></li>
	<li>Preparação da solução de sol-gel para criar paredes de vidro no dispositivo microfluidic
	<ol>
<li>Em um frasco de 100 mL, adicionar 25 mL de etanol a 90%, 25 mL de pH 4 (0,0001 M) solução de ácido clorídrico, 25 mL de 98% tetraethoxysilane e 25 mL de methyltriethoxysilane de 98%. Coloque a solução de 100 mL, agora referida como o fluido preconverted, no microondas descoberto por 10 segundos e, em seguida, colocar em uma 80 ° C durante a noite.</li>
	</ol></li>
	<li>Montagem do dispositivo
	<ol>
<li>Coloque os PDMS ambos estampados e uma 75 × 50 × 0,10 mm limpador de vidro slide para o plasma e o conjunto da válvula de 3 vias para a posição de desligado.</li>
		<li>Ligue a bomba de vácuo e aguarde um minuto evacuar a câmara.</li>
		<li>Coloca a válvula de 3 vias para a posição de controlador de fluxo e deixe a câmara equilibrar por 5 segundos. A posição do controlador de fluxo permite uma taxa de pequeno fluxo de ar entre o plasma líquido de limpeza, baixo o suficiente para manter a câmara a baixas pressões. Ligue o interruptor de radiofrequência (RF) para médio por 40 segundos e, em seguida, desligue o interruptor de RF e bomba de vácuo.</li>
		<li>Coloque a válvula de 3 vias para a posição aberta para retornar a câmara às condições atmosféricas. Retire a lâmina PDMS e vidro modelada.</li>
		<li>Cuidadosamente aderir o PDMS padronizada para a lâmina de vidro, colocando as duas superfícies em contacto com os outros.</li>
		<li>Aplica revestimentos de cura UV para as costuras em torno do modelado PDMS e cura por 5 min sob luz UV de baixa intensidade.</li>
	</ol></li>
	<li>Fabricação de paredes de vidro nos canais microfluídicos. Nota: Esta etapa deve ser concluída dentro de 30 minutos de tratamento de plasma, que se baseia em alterações de superfície de PDMS que ocorrem durante o tratamento de plasma. A espessura da camada será aproximadamente 5-10 µm. Esta etapa exige o uso de materiais voláteis e deve ser feita em uma coifa de química.<ol>
<li>Definir uma placa de aquecimento a 100 ° C e preparar quatro seringas (três de 30 mL e uma de 3 mL) com agulhas de calibre 18 e cerca de 30 cm de comprimento de tubulação termoplástica claro.</li>
		<li>Preencha três seringas de 30 mL com etanol, clorofórmio e ar, respectivamente. Encher uma seringa de 3 mL de líquido preconverted (da etapa de protocolo 1.3.1).</li>
		<li>Inserir o tubo termoplástico claro usando conectores de aço inoxidável em cada um dos furos no PDMS estampados, com excepção do buraco de um canto. Este furo será usado como uma entrada, enquanto todos os outros serão tomadas.</li>
		<li>Encher o dispositivo microfluidic de preconverted líquido da seringa e, em seguida, coloque o dispositivo microfluidic na placa de aquecimento de 100 ° C para que o vidro de fundo é tocar a superfície da placa quente.</li>
		<li>Fluxo 3 mL de fluido preconverted através do dispositivo microfluidic mais de 10 segundos. A espessura das paredes de vidro é ajustada, alterando a taxa de fluxo do fluido preconverted.</li>
		<li>Remova o dispositivo microfluidic a chapa. Substituir a seringa solução preconverted com a seringa de ar e empurrar para fora qualquer excesso de líquido preconverted.</li>
		<li>Substituir a seringa de ar com a seringa de clorofórmio e fluir lentamente 15 mL de clorofórmio através do dispositivo microfluidic. Substituir a seringa de clorofórmio com a seringa de etanol e fluir lentamente 30 mL de etanol através do dispositivo microfluidic. Estas etapas devem levar cerca de 1 min cada.</li>
		<li>Substitua a seringa do etanol com o ar de seringa e fluxo de ar através do dispositivo microfluidic até secar.</li>
	</ol></li>
	<li>Aplicação de suportes de vidro e bacia do solvente
	<ol>
<li>Tiras de vidro de 75 × 25 × 1 corte 75 × 10 × 1 mm milímetros de vidro slides.</li>
		<li>Aplica revestimentos de cura UV para as tiras de vidro. Coloque o dispositivo microfluidic sobre as tiras, com o lado PDMS virada para cima. Se mover sob a fonte de luz de baixa intensidade UV por 5 minutos.</li>
		<li>Corte um 30 × 30 milímetros quadrados de PDMS. Usando um soco biópsia, corte um buraco grande o suficiente para cobrir a câmara de amostra de 10 mm.</li>
		<li>Coloque o quadrado de PDMS e dispositivo microfluidic para o plasma líquido de limpeza, em seguida, coloque a válvula de 3 vias para a posição de desligado e ligue a bomba de vácuo.</li>
		<li>Aguarde um minuto evacuar a câmara. Colocar a válvula de 3 vias para a posição de controlador de fluxo e deixe a câmara equilibrar por 5 segundos.</li>
		<li>Ligue o interruptor de RF para média por 40 segundos e, em seguida, desligue o interruptor de RF e bomba de vácuo.</li>
		<li>Coloque a válvula de 3 vias para a posição aberta para retornar a câmara às condições atmosféricas.</li>
		<li>Remover o dispositivo de bacia e microfluidic solvente da câmara de plasma e aderir entrando em contato com as superfícies. Não se esqueça de colocar a bacia do solvente sobre a câmara de amostra.</li>
	</ol></li>
</ol>2. reologia de2µ procedimento
<ol><li>
Preparação de amostras de matéria mole
	<ol>
<li>Partículas de sonda de lavagem<ol>
<li>Pipetar 0,5 µm de testes e água para um tubo de microcentrifugadora a uma proporção de água para sondas de 10:1. Misturar cuidadosamente usando uma pipeta de mistura e, em seguida, colocar o tubo de microcentrifuga microcentrifuga e girar a 4600 x g durante 10 minutos. Nota: A solução da sonda utilizada neste trabalho é recebida suspensas na água com uma concentração inicial de 2,6% sólidos/volume, e a concentração final de sondas utilizadas na amostra é de 0,1% de sólidos/volume.</li>
			<li>Remova o tubo de microcentrifugadora e pipeta para fora o sobrenadante. Substitua o sobrenadante com água. Repeti a centrifugação para um total de três vezes.</li>
			<li>Coloque o tubo de microcentrifugadora no sonicador e proceda à sonicação em baixa por 15 minutos para remover quaisquer agregados.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Sondas de combinação e matéria mole. Nota: Para este procedimento, um gel coloidal foi usado como a amostra de matéria mole.<ol>
<li>Em 75 × 50 mm placa de vidro, medir 1 mL de amostra. Pipete 40 µ l da solução da sonda para o centro da amostra.</li>
			<li>Misture delicadamente a amostra com uma espátula de metal até que completamente combinado. Colher a amostra em um tubo de microcentrifugadora e centrifugar 2340 x g por 15 s para remover o ar retido.</li>
			<li>Encher uma seringa de 1 mL equipado com uma agulha de calibre 18 e tubulação termoplástica clara com a mistura de sonda/HCO.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Transições de fases consecutivas, induzidas pela troca de fluidos
	<ol>
<li>Encher o dispositivo microfluidic<ol>
<li>Para criar rolhas PDMS, usando PDMS excesso da etapa de protocolo 1.2.5, corte uma secção quadrada de 5 mm de PDMS. Usando um soco de biópsia 0,5 mm de diâmetro, corte um buraco no meio do caminho o bujão PDMS. Inserir um conector de aço inoxidável no orifício de diâmetro de 0,5 mm.</li>
			<li>Conecte o tubo termoplástico para três canais de entrada de canto e o canal de saída de câmara de sucção. Encha completamente o dispositivo com água usando uma seringa conectada ao dispositivo. Assegurar que não há nenhuma bolha na câmara de amostra ou nos canais microfluídicos. Bloque o buraco de canto restantes com rolhas de PDMS.</li>
			<li>Bacia do solvente deve ser parcialmente preenchida da etapa 2.2.1.2; Se não está cheio, encha a solvente da bacia com água.</li>
			<li>Usando a seringa da etapa de protocolo 2.1.2.3, injectar 10 µ l da mistura de amostra/sonda através do canal do centro para a câmara de amostra a cerca de 2 µ l/s, em seguida, use uma rolha PDMS para bloquear o canal central da câmara de amostra.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Coleta de dados de microrheological<ol>
<li>Ativar as configurações da câmera para aqueles otimizado para minimizar a partícula estática e dinâmica, rastreamento de erros, em seguida, alternar para o objectivo de imersão de água × 63 e pipetar uma gota de água sobre a lente.</li>
			<li>Coloque o dispositivo microfluidic no palco microscópio e levante o objectivo até é focado na amostra.</li>
			<li>Vídeos do movimento browniano das sondas assuma os intervalos de tempo adequados para o comprimento total de uma mudança de fase. Para gelificação, continue a tomar vídeos até o movimento da sonda foi completamente parado. Nota: Nós coletamos dados a cada 10 min. Se começarmos com um experimento de degradação, dados são coletados até as sondas são completamente difusão.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Troca de fluidos na câmara de amostra (fluxo de gravidade, troca de fluidos de densidade mais baixas com líquidos de densidade mais altos)<ol>
<li>Remova o dispositivo microfluidic desde a fase de microscópio.</li>
			<li>Sucção da água da bacia do solvente, utilizando uma pipeta de transferência e, em seguida, pipetar 4 mL de líquido de densidade mais elevado para a bacia do solvente.</li>
			<li>Retornar o dispositivo microfluidic à fase de microscópio e repita a etapa 2.2.2.3</li>
		</ol>
</li>
		<li>Troca de fluidos na câmara de amostra (fluxo de sucção, troca de fluidos de densidade mais elevadas com líquidos de densidade Baixos)<ol>
<li>Remover o dispositivo microfluidic desde a fase de microscópio e retirar a rolha PDMS da câmara de sucção.</li>
			<li>Introduza uma seringa equipada com uma agulha de calibre 18 e tubulação termoplástica clara para o canal da câmara de sucção e ligar a seringa até uma bomba de seringa. Conjunto da bomba de seringa para puxar em 1 mL/min.</li>
			<li>Remova o excesso gelificante na bacia do solvente e lavar três vezes com água, enchendo a bacia do solvente e depois aspirar o fluído de lavagem.</li>
			<li>Begin sucção com a bomba de seringa, acrescentando água à bacia do solvente por um minuto. Não deixar a solvente bacia vazia completamente, como isso vai puxar o ar para a câmara de amostra.
</li>
			<li>Retire a seringa do dispositivo microfluidic e substituir a rolha de PDMS na câmara de sucção.</li>
			<li>Retornar o dispositivo microfluidic à fase de microscópio e continue a tomar amostras</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>Continue a tomar amostras em intervalos regulares durante a degradação/gelificação ciclos até o número desejado de ciclos é concluído ou existem sondas insuficientes para medição.</li>
</ol>

<ol><li>Mitchell, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidics-downsizing+large-scale+biology%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Biotech%22%5BJournal%5D)">Microfluidics-downsizing large-scale biology.</a> Nat. Biotech. 19, 717-721 (2001).</li>
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</ol>

Não há nenhum divulgações para este trabalho.

O dispositivo de duas camadas microfluidic (Figura 1) pode facilmente ser feito pelos seguintes microfluidic bem-documentado fabricação técnicas29. Suportes de vidro são adicionados à parte inferior do dispositivo para diminuir efeitos vibracionais no movimento da sonda. A lâmina de vidro é muito fino (0.10 mm) a fim de acomodar a distância de trabalho, o objectivo do microscópio. Isto faz com que o dispositivo suscetível a pequenas vibrações no edifício e ambiente de...

Transições de fase em matéria mole podem alterar a estrutura do andaime, que tem implicações na estabilidade final e processamento do material1,2,3. A caracterização de materiais macios durante as transições de fase dinâmica fornece informações essenciais sobre a relação entre a evolução estrutural e estrutura de equilíbrio e propriedades reológicas. Por exemplo, muitos produtos de cuidados domiciliários requerem uma mudança de fase durante o uso do consumidor. Além disso, durante a fabricação, etapas de processamento, incluindo diluição e mistura, podem dar cisalhamento que afetam as propriedades reológicas e a microestrutura final do produto. Compreender as propriedades reológicas durante uma mudança de fase garante que o produto executa como projetado. Além disso, se as forças alteram a reologia inicial do material durante a fabricação, transições de fase podem produzir resultados inesperados e indesejados, alterando a função pretendida e a eficácia. No ponto crítico de gelificação, definido como o ponto onde o material transita de uma solução de coloides associados ou polímeros para uma rede de gel de amostra-abrangendo, propriedades do material mudam drasticamente com ligeiras alterações de associação. Qualquer alteração à estrutura no ponto crítico gel pode impactar o produto final4. Durante estas transições dinâmicas, materiais macios têm propriedades mecânicas fracas e medições que usam técnicas experimentais clássicas podem ser dentro da medição ruído limite5,6,7. Para dar conta disto, técnicas tais como microrheology, que é sensível na faixa de baixo módulo (10-3 - 4 Pa), são usados para caracterizar o gel incipiente fraco durante a evolução dinâmica. Alguns materiais são suscetíveis a alterações na microestrutura devido a forças externas, que apresenta um desafio durante a caracterização, como qualquer transferência de material ou líquido pode afetar a estrutura e, finalmente, as propriedades do material finais. Para evitar alterar a microestrutura do material, nós desenvolvemos um dispositivo microfluidic que pode trocar o fluido em torno de uma amostra ambiental, minimizando o cisalhamento. Trocando o ambiente fluido, mudanças nas propriedades reológicas e microestrutura são medidas durante as transições de fase com a contribuição mínima de cisalhamento. O dispositivo é combinado com múltiplas partículas microrheology (MPT) de rastreamento em uma técnica chamada µ2reologia. Esta técnica é usada para quantificar propriedades materiais durante as mudanças de fase consecutivos de gel em resposta a uma força externa. A técnica será ilustrada usando um fibroso gel coloidal, óleo de rícino hidrogenado (HCO)9,10,11.
Andaimes de gel podem sofrer alterações em associação e dissociação devido sua amostra ambiente12,13,14,15. A força motriz para gelificação e degradação são material específico e devem ser adaptados para cada material de interesse. reologia de2µ pode ser usada para caracterizar sistemas de gel que respondem a estímulos externos, incluindo redes colloidal e poliméricas. Alterar o pH, pressão osmótica ou concentração de sal é exemplos de factores que podem induzir alterações na microestrutura da material. Por exemplo, HCO sofre transições de fase controlada através da criação de um gradiente de pressão osmótica. Quando uma amostra de gel HCO concentrada (4 wt % HCO) é mergulhada na água, enfraquecem as forças atrativas entre as partículas coloidais, causando a degradação. Como alternativa, quando uma solução diluída de HCO (0,125 wt % HCO) está em contato com um material hidrófilo (referido como o agente de coagulação e composto principalmente de glicerina e surfactante), a atraente forças para retornar, causando a gelificação. Este gel de sistema será usado para mostrar a operação do dispositivo, como uma ferramenta para medir transições de fases consecutivas em uma única amostra9,10. Para caracterizar estes andaimes de gel durante transições dinâmicas e a estrutura de gel de incipiente delicado durante a transição de fase crítica, usamos o MPT para caracterizar estes materiais com alta resolução espaço-temporal.
Microrheology é usado para determinar propriedades de gel e estrutura, especialmente durante a transição de crítica, de uma matriz de materiais macios, incluindo géis coloidais e poliméricos5,6,9,16. MPT é uma técnica passiva microrheological que usa vídeo microscopia para gravar o movimento browniano de partículas de sonda fluorescente incorporado dentro de uma amostra. As posições da partícula em todo os vídeos são precisamente determinadas a dentro 1/10th de um pixel usando clássica de rastreamento algoritmos17,18. O ensemble em média deslocamento média-quadrado (MSD, (Δr2(t))) é calculado a partir destas trajetórias de partículas. A MSD está relacionada a propriedades materiais, tais como a conformidade de fluência, usando a relação de Einstein-Stokes generalizado17,19,20,21,22, 23. O estado do material é determinado calculando o declive logarítmico da curva MSD em função do tempo de retardo, α,
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57429/57429eq1.jpg">
onde t é o tempo de retardo e comparando-a com o expoente crítico de relaxamento, n. n é determinado usando a superposição de tempo de cura, uma técnica bem documentada que foi modificada para analisar os dados do MPT por Larsen e Furst6. Por comparação de n para α o estado do material é quantitativamente determinado. Quando α &gt; n o material é um sol e quando α &lt; n o material é um gel. Trabalhos anteriores caracterizou o sistema HCO usando microrheology para determinar o expoente crítico de relaxamento9. Usando esta informação, determinamos precisamente quando o material transita de um gel para um sol durante um experimento. Além disso, o parâmetro de não-gaussiana, αNG, pode ser calculado para determinar a extensão da heterogeneidade estrutural de um sistema,
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57429/57429eq2.jpg">
onde Δx(t) é o movimento unidimensional da partícula na direção x . Usando o MPT, pode caracterizar uma transição de fase única, mas por caracterizar materiais com MPT em um dispositivo microfluidic, somos capazes de manipular o ambiente fluido circundante e coletar dados de várias transições de fase em uma amostra de gel único.
Este dispositivo microfluidic destina-se a investigar as transições críticas de uma amostra de gel único que sofre mudanças de fase em resposta às mudanças no ambiente fluido circundante. O dispositivo troca fluido em torno da amostra quando é sob o estado de gel ou sol bloqueando-se a amostra no lugar para induzir uma transição de fase, minimizando o cisalhamento. Uma solvente bacia está localizada diretamente acima da câmara de amostra, que são ligadas por seis canais de entrada simetricamente espaçados. Essa simetria permite a troca de fluido da bacia do solvente para a câmara de amostra ao criar pressão igual em torno da amostra, trancando-os no lugar. Há vários estudos que usam esta técnica para uma única partícula e interceptação de DNA, mas este trabalho dimensiona o volume de moléculas simples para amostras que são aproximadamente 10 µ l24,25,26. Este projeto original também permite a caracterização de microrheological em tempo real durante as transições de fase.
µ2reologia é uma técnica robusta que é aplicável a muitos sistemas de matéria mole. A técnica descrita neste artigo foi projetada para gel coloidal, mas pode ser facilmente adaptado para outros materiais tais como polímero ou soluções micellar. Com esta técnica, podemos determinar não apenas como transições de fase afetam as propriedades materiais do equilíbrio, mas as etapas de processamento também como diferentes podem ter efeitos sobre a evolução reológica do material e a estrutura do andaime final duradouros e Propriedades.

<table><tbody><tr><td>Placa de Petri de 150 x 15 mm</td><td>Corning, Inc.</td><td></td><td></td>351058</tr><tr><td>corrediça de vidro de 75 x 50 x 0,15 mm</td><td>Fisher Scientific</td><td>Custom</td><td></td></tr><tr><td>75 x 50 x 1,0 mm corrediça de vidro</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-550-C</td><td></td></tr><tr><td>75 x 25 x 1,0 mm corrediça de vidro</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-550-A3</td><td></td></tr><tr><td>22 x 22 lamínulas de vidro</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-542-B</td><td></td></tr><tr><td>Acetona, 99,5%</td><td>VWR Analytical</td><td>67-64-1</td><td></td></tr><tr><td>Fonte UV de baixa intensidade</td><td>UVP</td><td>UVL-56</td><td></td></tr><tr><td>Clorofórmio, 99,9%</td> <td>Fisher Chemical</td><td>C298-500</td><td></td></tr><tr><td>Cotonetes</td><td>de Algodão Q-tips</td><td>83289205</td><td></td></tr><tr><td>Etanol, 90%</td> <td>Fisher Chemical</td><td>A962-4</td><td></td></tr><tr><td>Fluoresbrite&reg; Microesferas de Carboxilato YG 0.50&micro; m</td><td>Policiências, Inc.&nbsp;</td><td>15700-10</td><td></td></tr><tr><td>Lâmpada UV de alta intensidade</td><td>Spectroline Corp.</td><td>SB-100P</td><td></td></tr><tr><td>Placa quente</td><td>Corning, Inc.</td><td>PC-420</td><td></td></tr><tr><td>Ácido clorídrico, 6N</td><td>Ricca Chemical Company</td><td>3750-32</td><td></td></tr><tr><td>Metiltrietioxissilano, 98%</td> <td>Acros Organics</td><td>174622500</td><td></td></tr><tr><td>Microcentrífuga</td><td>Eppendorf</td><td>5424</td><td></td></tr><tr><td>Limpador de plasma</td><td>Harrick Plasma, Inc.</td><td>PDC-32G</td><td></td></tr><tr><td>Polidimetilsiloxano (PDMS)</td><td>Robert McKwown Company</td><td>2065622</td><td></td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>Branson, Emerson Electric</td><td>1800</td><td></td></tr><tr><td>Conectores de aço, ID 0,023 polegadas</td><td>New England Small Tube Corp.</td>Tetraetoxissilano <td>Personalizado</td><td></td></tr><tr><td>, 98%</td><td>Alfa Aesar</td><td>A14965</td><td></td></tr><tr><td>Resina de Tiol-eno (curável por UV)</td><td>Norland Products, Inc.&nbsp;</td><td>NOA81</td><td></td></tr><tr><td>Transparência</td><td>Staples Inc.&nbsp;</td><td>21828</td><td></td></tr><tr><td>Tubulação Tygon, ID 1/32 polegada</td><td>McMaster-Carr</td><td>E-3603</td><td></td></tr><tr><td>Forno a vácuo</td><td>Fisher Scientific</td><td>282A</td><td></td></tr><tr><td>Perfurador de biópsia 8 mm</td><td>Instrumentos de Precisão Mundial</td><td>504535</td><td></td></tr><tr><td>Perfurador Bioposy Seringa</td><td>504528</td><td></td>de <td>Instrumentos de Precisão Mundial</td></tr><tr><td>, 30 mL</td><td>BD</td><td>309659</td><td></td></tr><tr><td>Seringa, 3 mL</td><td>BD</td><td>309651</td><td></td></tr><tr><td>Agulha, 18 gauge</td><td>BD</td><td>305195</td><td></td></tr><tr><td>Tubo de Microcentrífuga, 1.5 mL</td><td>Eppendorf</td><td>22-36-320-4</td><td></td></tr><tr><td>Câmera de Alta Velocidade</td><td>Vision Research</td><td>Miro M120&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Microscópio</td><td>Carl Zeiss AG</td><td>Zeiss Observer, Z1</td><td></td></tr><tr><td>Bomba de seringa</td><td>New Era Pump Systems</td><td>NE-300</td><td></td></tr><tr><td>Óleo de rícino hidrogenado</td><td>Procter & Gamble</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Af&iacute; cio MP 6002 Impressora</td><td>Ricoh Company, Ltd.</td><td></td><td></td>415877</tr></tbody></table>

combinando microfluídica e microrheology para determinar as propriedades reológicas de matéria mole durante as transições de fase repetidas

Combining Microfluidics and Microrheology to Determine Rheological Properties of Soft Matter during Repeated Phase Transitions

A microestrutura da matéria mole diretamente impactos macroscópicas Propriedades reológicas e pode ser alterada por fatores incluindo coloidal rearranjo mudanças de fase anterior e aplicado da tesoura. Para determinar a extensão dessas mudanças, nós desenvolvemos um dispositivo microfluidic que permite repete as transições de fase induzidas pela troca da caracterização de fluidos e microrheological circundante limitando cisalhamento na amostra. Esta técnica é µ2reologia, a combinação de microfluídica e microrheology. O dispositivo microfluidic é um projeto da dois-camada com fluxos de entrada simétrica, entrando em uma câmara de amostra que intercepta a amostra de gel no lugar durante a troca de fluidos. Aspiração pode ser aplicada longe da câmara de amostra para puxar fluidos na câmara da amostra. Propriedades reológicas do material são caracterizadas usando múltiplas partículas microrheology (MPT) de rastreamento. No MPT, partículas de sonda fluorescente são incorporadas o material e o movimento browniano das sondas é gravado usando vídeo microscopia. O movimento das partículas é controlado e o deslocamento de média-quadrado (MSD) é calculado. A MSD está relacionada a propriedades reológicas macroscópicas, usando a relação de Einstein-Stokes generalizado. A fase do material é identificado por comparação com o expoente crítico de relaxamento, determinado usando superposição tempo-cura. Medições de gel coloidal fibroso ilustram a utilidade da técnica. Este gel tem uma estrutura delicada que pode ser irreversivelmente alterada quando cisalhamento é aplicado. dados de reologia µ2mostram que o material várias vezes se equilibra com as mesmas propriedades reológicas após cada fase de transição, indicando que as transições de fase não desempenhar um papel na alteração microestrutural. Para determinar o papel de cisalhamento, amostras podem ser cortadas antes da injeção em nosso dispositivo microfluidic. µ2reologia é uma técnica amplamente aplicável para a caracterização de matéria mole, permitindo a determinação das propriedades reológicas de microestruturas delicadas em uma única amostra durante as transições de fase em resposta às mudanças repetidas na em torno das condições ambientais.

Um dispositivo de duas camadas microfluídicos é construído com PDMS (Figura 1a, b), que é modelado em um selo microfluidic. O desenho do carimbo é mostrado na Figura 1c. Instalação experimental inadequada pode resultar em erros em fluxos de microrheology e microfluidic passivos durante envolvendo troca de fluidos (Figura 2). Exemplos de instalação experimental inadeq...

Demonstramos a fabricação e o uso de um dispositivo microfluidic que permite múltiplas partículas microrheology medições para estudar os efeitos reológicos de transições de fase repetidas em matéria mole de rastreamento.

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

The microstructure of soft matter directly impacts macroscopic rheological properties and can be changed by factors including colloidal rearrangement ...

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.

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Combinando microfluídica e Microrheology para determinar as propriedades reológicas de matéria mole durante as transições de fase repetidas (Vídeo) | JoVE Journal

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

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