Сочетание микрофлюидика и микрореологию определить реологических свойств мягкой материи во время неоднократных фазовых переходов

Общая цель этой процедуры заключается в использовании микрофлюидики для индуцирования последовательных фазовых переходов в одном образце мягкой материи путем замены окружающей жидкости и одновременного измерения изменений реологических свойств с помощью микрореологии с отслеживанием нескольких частиц. Этот метод может ответить на ключевые вопросы в области мягкой материи, такие как влияние фазовых переходов, включая молекулярную или коллоидную перегруппировку, на динамические реологические свойства. Основное преимущество этого метода заключается в том, что образец остается на месте во время нескольких фазовых переходов, что позволяет определять характеристики в режиме реального времени.

Это позволяет количественно оценить реологические свойства, особенно уникальные свойства в гетерогенных системах. Чтобы начать процедуру, распечатайте негатив микрофлюидного устройства на прозрачном ацетатном листе и нагрейте УФ-лампу высокой интенсивности. На втором прозрачном листе ацетата обведите углы предметного стекла размером 75 на 50 миллиметров.

По углам разместите стеклянные распорки высотой в один миллиметр. Налейте около пяти миллилитров УФ-отверждаемой тиол-еновой смолы в центр прокладок. Аккуратно положите предметное стекло размером 75 миллиметров на 50 миллиметров на один миллиметр на распорки, чтобы покрыть смолу.

Убедитесь, что между предметным стеклом и смолой нет пузырьков воздуха. Поместите распечатанный негатив на предметное стекло. Осторожно перетащите узел под УФ-лампу и дайте смоле застыть в течение 45 секунд.

Затем сдвиньте сборку в сторону от УФ-лампы и снимите узорчатое стекло или микрофлюидный штамп. Погрузите микрофлюидный штамп в ацетон не более чем на 10 секунд, а затем погрузите штамп в этанол на тот же период времени. Повторите эту последовательность погружения один раз.

Затем погрузите штамп в дистиллированную воду. Работая с минимальным движением руки, используйте ватный тампон, чтобы удалить оставшуюся непрореагировавшую смолу, не касаясь отвержденной смолы. Замените ватный тампон, когда он пропитается водой.

Отверждайте штамп под воздействием ультрафиолета еще 30 минут. Затем смешайте 70 граммов основания PDMS со сшивающим агентом в соотношении один к 10 и дегазируйте PDMS в течение одного часа или до тех пор, пока PDMS не перестанет мутнеть. Поместите микрофлюидный штамп лицевой стороной вверх в 150-миллиметровую пластиковую чашку Петри.

Медленно высыпаем PDMS в посуду, наливая близко к поверхности посуды, чтобы свести к минимуму образование пузырьков, чтобы полностью покрыть штамп. Накройте чашку Петри крышкой и высушите PDMS при температуре 55 градусов Цельсия в течение ночи. С помощью ножа отрежьте излишки PDMS.

Отделите ПДМС с рисунком от штампа вручную. Удалите штамп и излишки PDMS с чашки Петри. Затем поместите чашку на лист бумаги, на котором распечатаны симметричные внешние отверстия для камеры для образцов.

Совместите PDMS с шаблоном и с помощью 5-миллиметрового пробойника для биопсии проделайте отверстия в PDMS в отмеченных местах. Ключевой особенностью этого устройства является симметрия между входными каналами и одной камерой. Это позволяет осуществлять замену жидкости без потерь пробы.

Важно использовать направляющую схему, чтобы обеспечить точность при резке каналов. Наконец, проделайте отверстие в центре камеры для образцов, на внутреннем крае всасывающей камеры и на каждом конце длинных внешних каналов. Накройте чашку Петри крышкой при хранении PDMS с рисунком.

За сутки до сборки устройства подготовьте предварительно преобразованную жидкость, которая будет использоваться для создания стеклянных стенок в микрофлюидном устройстве. Чтобы начать сборку устройства, плазмой обрабатывают узорчатую PDMS и тонкое стеклянное стекло в течение 40 секунд. Тщательно прижмите вместе обработанные плазмой поверхности предметного стекла и структурированные PDMS.

Нанесите УФ-отверждаемую смолу на шов между PDMS и предметным стеклом и отверждайте смолу под воздействием ультрафиолетового излучения низкой интенсивности в течение пяти минут. Затем вставьте термопластичную трубку с соединителями из нержавеющей стали во все отверстия PDMS с рисунком, кроме одного. Подсоедините трехмиллилитровый шприц с предварительно преобразованной жидкостью к последнему отверстию с помощью иглы 18 калибра, термопластичной трубки и соединителя.

Заполните микрофлюидное устройство предварительно конвертированной жидкостью. Затем поместите устройство на горячую плиту, нагретую до 100 градусов Цельсия, и в течение 10 секунд пропустите через устройство три миллилитра предварительно преобразованной жидкости для изготовления стеклянных стенок. Затем снимите устройство с конфорки.

Используйте 30-миллилитровый шприц с воздухом, чтобы удалить излишки предварительно преобразованной жидкости. Медленно пропустите через устройство 15 миллилитров хлороформа, а затем 30 миллилитров этанола, каждый в течение примерно одной минуты. Затем протолкните воздух через микрофлюидное устройство до полного высыхания.

Извлеките трубку из отверстий. Затем с помощью УФ-отверждаемой смолы прикрепите стеклянные полоски толщиной в один миллиметр к нижней стороне длинных краев устройства. Отрежьте кусок излишков отвержденного PDMS размером 30 на 30 мм и проделайте отверстие шире, чем камера для образца, в центре, чтобы сформировать бассейн с растворителем.

Плазмой обрабатывают бассейн и микрофлюидное устройство в течение 40 секунд. Поместите обработанную плазмой поверхность бассейна на устройство так, чтобы камера для образцов была центрирована в отверстии. Слегка надавите, чтобы зафиксировать таз на устройстве.

Наконец, вырежьте шесть пятимиллиметровых квадратов от лишних PDMS. Используйте 5-миллиметровый пробойник для биопсии, чтобы вырезать отверстие посередине каждого квадрата. Вставьте соединитель из нержавеющей стали в каждое отверстие, чтобы сформировать пробки PDMS.

После загрузки образца мягкого вещества в одномиллилитровый шприц вставьте термопластичную трубку в три угловых входных канала устройства и выходное отверстие всасывающей камеры. Наполните еще один шприц деионизированной водой. Прикрепите к шприцу термопластичную трубку и удалите все пузырьки воздуха.

Подсоедините шприц к четвертому угловому входному каналу. Наполните устройство и бассейн с растворителем деионизированной водой. Убедитесь, что в камере для образцов или в микрофлюидных каналах нет пузырьков.

При необходимости налейте воду в бассейн с растворителем с помощью пипетки для переноса. Важно, чтобы микрофлюидное устройство было правильно настроено. Самое главное, убедитесь, что в устройстве нет пузырьков воздуха, так как они могут нарушить как микрофлюидный поток, так и микрореологические данные.

Затем введите 10 микролитров образца мягкого вещества в камеру для образцов через центральное входное отверстие со скоростью около двух микролитров в секунду. Закупорьте центральное входное отверстие после загрузки образца. Используя инвертированный микроскоп и высокоскоростную камеру, запишите не менее 20 видеороликов броуновского движения зондов в смеси образцов с интервалами времени, соответствующими продолжительности фазового перехода.

Для гелеобразования продолжайте записывать видео до тех пор, пока движение зонда полностью не прекратится. Для ухудшения качества продолжайте запись видео до тех пор, пока щупы не станут полностью диффузионными. Затем снимите прибор с предметного столика микроскопа.

Чтобы заменить воду на жидкость более высокой плотности, заберите воду из бассейна с растворителем с помощью передаточной пипетки и введите четыре миллилитра жидкости более высокой плотности в бассейн. Верните прибор в столик микроскопа и продолжайте запись видео. Чтобы заменить жидкость более высокой плотности на воду или другую жидкость с более низкой плотностью, подключите шприц к каналу всасывающей камеры с помощью иглы 18 калибра и термопластичной трубки.

Установите шприц на шприц-насос, установленный для забора со скоростью один миллилитр в минуту. Пипеткой наберите большую часть жидкости высокой плотности из бассейна с растворителем и промойте бассейн жидкостью с низкой плотностью три раза, не позволяя бассейну полностью опустошиться. После ополаскивания наполните таз жидкостью низкой плотности.

Наполните передаточную пипетку жидкостью низкой плотности. Затем с помощью шприцевого насоса откачайте жидкость высокой плотности в течение одной минуты. Добавляйте жидкость низкой плотности по каплям в бассейн по мере необходимости во время замены жидкости.

Затем закупорьте всасывающую камеру, и верните прибор в предметный столик микроскопа для записи. Получайте таким образом видео циклов деградации гелеобразования в течение желаемого количества циклов или до тех пор, пока не будет недостаточно щупов для измерения. Ансамбль усредненных по среднеквадратичным квадратам смещений траекторий частиц зонда отслеживался при последовательных фазовых переходах системы гидрогенизированного касторового масла между гелем и золем.

Гелеобразование вызывалось заменой воды под действием силы тяжести на желирующий агент более высокой плотности. Деградация была вызвана заменой желирующего агента на воде во всасывающем потоке. Пробоотборную камеру повторно промывали водой, когда фазовое поведение указывало на то, что желирующий агент не был полностью удален из камеры.

Никаких изменений реологических свойств не наблюдалось, когда образец оставляли в зольей фазе без обмена жидкостью в течение примерно 600 минут. Повторяющиеся фазовые переходы не вызывали наблюдаемых изменений равновесных реологических свойств, о чем свидетельствуют логарифмические наклоны кривых MSD или альфа-возврат к одним и тем же значениям для каждой фазы. Равновесное значение альфа зольевой фазы было менее 1,0, что указывает на то, что материал сохранил некоторую структуру даже после деградации.

Гель претерпел увеличение структурной неоднородности при фазовом переходе геля в золь, на что указывают пики негауссовских параметров во время циклов деградации. Коллоидная перегруппировка может произойти сразу после обмена жидкости, о чем свидетельствует увеличение альфа. Сначала у нас возникла идея этого метода, чтобы определить, вызывают ли фазовые переходы необратимые изменения реологических свойств и микроструктуры мягкого материала.

В системе HCO это устройство позволило измерить два возможных механизма этих постоянных изменений: коллоидную перегруппировку во время фазовых переходов или сдвиг, вызванный во время подготовки образцов. После освоения этот метод может быть использован для определения реологических свойств системы мягкой материи во многих фазовых переходах в ответ на изменения в окружающей среде жидкости.