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Chemistry

Fabricación de gotas de alta viscosidad usando dispositivos capilares microfluídicos con estructura de flujo de co inversión de fase

Published: April 17, 2018 doi: 10.3791/57313
Automatic Translation
1, 2, 2, 2
1School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, 2State Key Laboratory of Tribology, Tsinghua University

Summary

Un dispositivo de flujo Co inversión de fase se demuestra para generar gotas de alta viscosidad monodispersa sobre 1 Pas, que es difícil de realizar en microfluídica de gota.

Abstract

La generación de gotitas monodispersa con de gran viscosidad ha sido siempre un desafío en microfluídica de gota. Aquí, demostramos un dispositivo Co flujo de inversión de fase para generar gotas uniformes de alta viscosidad en un fluido de baja viscosidad. El dispositivo de microfluidos capilar tiene una estructura común de flujo Co con su salida que se conecta a un tubo más ancho. Alargado las gotitas del fluido de baja viscosidad primero están encapsuladas por el líquido viscoso de la estructura de flujo de Co. Como las gotas alargadas de baja viscosidad fluyen a través de la salida, que se trata de ser mojada por el líquido de baja viscosidad, inversión de fase entonces es inducida por la adherencia de las gotas de baja viscosidad hasta la punta de la salida, que da como resultado la inversa posterior encapsulación del fluido viscoso. El tamaño de las gotas de alta viscosidad resultantes puede ajustarse cambiando la proporción de la tasa de flujo del fluido de baja viscosidad al líquido viscoso. Muestran varios ejemplos típicos de la generación de gotas de alta viscosidad con una viscosidad hasta 11,9 Pas, tales como solución de glicerina, miel, almidón y polímero. El método proporciona un enfoque sencillo para generar gotas de alta viscosidad monodispersa, que pueden ser utilizadas en una variedad de aplicaciones basadas en la gota, como síntesis de materiales, el suministro de medicamentos, análisis de la célula, bioingeniería y alimentos de la ingeniería.

Introduction

La generación de gotas se está convirtiendo en una tecnología clave en una variedad de aplicaciones, tales como el suministro de medicamentos, síntesis de materiales, bioprinting 3D, estudios de células y alimentos ingeniería1,2,3,4 , 5 , 6. dispositivos microfluídicos con cruce7,8, co fluyen1,9, o10,enfoque de flujo11 estructuras son ampliamente utilizadas para generar monodispersa gotas de una emulsión. Selección de una fase continua más viscoso facilitará la formación de gotas12, y las viscosidades de los líquidos continuados y dispersos son comúnmente por debajo de 0,1 Pas en gotita microfluídica13. Sin embargo, en muchas aplicaciones, la fase dispersa puede tener una viscosidad varios cientos de veces mayor que la del agua, como glicerol14, soluciones que contengan nanopartículas15, proteínas16o17 de polímeros , 18 , 19, aunque es difícil lograr monodispersa gotitas de fluidos de alta viscosidad en un establo goteo régimen11 en dispositivos microfluídicos, especialmente para los fluidos con viscosidad η > 1 Pa·s14 ,17,18,19. Además, ha sido reportado13,18 que microfluídicos típicos métodos para la formación de gotas requieren líquidos con una viscosidad relativamente baja y moderada tensión interfacial para formar gotitas de uniforme en un goteo estable régimen.

Para una fase dispersa con una viscosidad ligeramente superior a 0,1 Pas, hay varios enfoques posibles para facilitar la formación de gotas con cruce típico, flujo Co o dispositivos microfluídicos enfoque flujo: (1) disminución de la viscosidad de la dispersión fase mediante la dilución en un solvente volátil11,20; (2) disminuir la relación dispersa-a-continuo de la viscosidad al aumentar la viscosidad de la fase continua1,11; (3) disminuir la tasa de flujo de la fase dispersa a un valor extremadamente bajo, manteniendo un flujo continuo de dispersión alta tasa cociente 14,19. Sin embargo, estos métodos no son prácticos para líquidos con una viscosidad mucho más alta, reducirá significativamente el ritmo de producción aumentando dramáticamente el consumo de solventes volátiles o la fase continua. Además, se ha divulgado que algunas soluciones de polímero de alta viscosidad η > 1 Pa·s todavía no se rompió para arriba en gotas con los enfoques mencionados17,19.

También hay varios diseños mejorados de dispositivos microfluídicos que introducir una tercera fase de fluido en el sistema, que facilita la generación de gotas de alta viscosidad. Las innovaciones incluyen: burbujas para cortar un hilo que echa en chorro en gotas21, un líquido inmiscible ataviado con una viscosidad moderada, como la fase media entre la fase de dipsersed y la fase continua18, y microreactores para generar gotas de alta viscosidad a partir de dos precursores de baja viscosidad21,22,23. Sin embargo, como un líquido más está implicado en el proceso, el sistema se vuelve más complicado, y los dispositivos funcionan generalmente en un régimen de flujo mucho más estrecho que los dispositivos típicos para la generación de gotas de emulsión simple.

Generar monodispersa gotas directamente en un fluido de alta viscosidad η > 1 Pa·s, métodos de inversión de fase controlada de superficie han sido investigados24. Como la generación de gotitas de baja viscosidad es mucho más fácil que el de gran viscosidad gotas12, alargadas gotas de baja viscosidad en una fase continua de alta viscosidad se generan por primera vez con una estructura de flujo de trabajo típico y entonces se dividen debido al cambio de mojabilidad superficial aguas abajo de la estructura de flujo de trabajo. El fluido de baja viscosidad lanzado inversamente encapsula el fluido de alta viscosidad abajo en gotitas para que la inversión de fase se ha completado. Según el mecanismo de inversión de fase, se pueden generar gotas de alta viscosidad monodispersa basado en un dispositivo de flujo de trabajo típico, mientras que la salida del dispositivo Co flujo es tratada para ser mojadas por el líquido de baja viscosidad y luego conectada a un tubo más ancho24 ,25.

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Protocol

1. producir un dispositivo capilar Co flujo de inversión de fase para observar el proceso de generación de gotas acuosas, de gran viscosidad de ~ 500 μm de diámetro.

Nota: El tubo cuadrado exterior utilizado aquí es para tomar imágenes del proceso de generación de las gotas de alta viscosidad. Si no hay necesidad para tomar imágenes, una versión simplificada del dispositivo se puede hacer según el paso de protocolo 2.

  1. Prepare tres tubos de vidrio de diferentes tamaños para el montaje del dispositivo capilar.
    1. Tomar un tubo de vidrio cuadrado con un tamaño interno de 1,05 mm y cortar un trozo del tubo ~ 4 cm de longitud. Este será el tubo exterior del dispositivo.
    2. Tomar un tubo de vidrio redondo con un diámetro interno (I.D.) de 580 μm y un diámetro exterior (D.E.) de 1 mm y cortar un trozo de tubo de 3 cm de longitud. Este será el medio tubo del dispositivo.
    3. Tomar un tubo de vidrio redonda con diámetro interior = 200 μm y diámetro exterior = 330 μm y cortar un trozo de tubo de 2 cm de longitud. Este será el tubo interno del dispositivo.
  2. Modificar la mojabilidad de la superficie de un extremo del medio tubo a ser hidrofóbico.
    1. Tomar un frasco de vidrio de 1 mL y añadir 0,3 mL de tricloro (octadecil) silano (OTS) en el frasco de cristal.
    2. Tome el tubo central con ID = 580 μm preparada en el paso de protocolo 1.1.2 y moje un extremo de él en la OTS en el frasco de cristal para ~ 10 s.
    3. Sacar el tubo central y enjuagar el tubo con gas de nitrógeno desde el extremo no tratado.
  3. Preparar las agujas para las entradas del dispositivo capilar.
    1. Tome una punta Roma de 20G, aguja de dispensación y corte una ranura con ~0.5 mm x 0,5 mm en el borde de la Luer Lock plástico con una cuchilla.
      Nota: Esta aguja servirá como la entrada para la fase de aceite de baja viscosidad.
    2. Tomar otra punta Roma 20G aguja de dispensación y corte dos ranuras en el borde del plástico Luer Lock. Alinee las dos ranuras en una línea que pasa del diámetro de la Luer Lock.
      Nota: Una ranura tiene un tamaño de ~0.5 mm x 0,5 mm, mientras que la otra ranura tiene un tamaño de ~1.0 mm x 1.0 mm. Esta aguja servirá como la entrada de la fase acuosa de alta viscosidad.
    3. Tomar otra punta Roma 20G aguja de dispensación y corte dos ranuras en el borde del plástico Luer Lock. Alinee las dos ranuras en una línea que pasa del diámetro de la Luer Lock.
      Nota: Una ranura tiene un tamaño de ~1.5 mm x 1,5 mm; mientras que la otra ranura tiene un tamaño de ~1.0 mm x 1.0 mm. Esta aguja sirve como la entrada para la limpieza.
  4. Montar el vidrio de los tubos según Figura 1A.
    1. Tomar un portaobjetos de vidrio regular de 7,62 x 2,54 cm como el substrato del dispositivo capilar.
    2. Poner el tubo exterior con I.D. = 1,05 mm, preparado en el paso de protocolo 1.1.1, en la diapositiva de cristal con ~ 1 cm el borde corto de la diapositiva de cristal de extrudado.
    3. Tome el tubo central con ID = 580 μm, preparado en el paso de protocolo 1.2, inserte el extremo hidrofóbico del medio tubo en el tubo exterior desde el final de la diapositiva de cristal y conservar ~ 1 cm del tubo medio fuera del tubo exterior.
    4. Tomar el tubo interno con I.D. = 200 μm, preparado en el paso de protocolo 1.1.3, inserte un extremo del tubo interior en el tubo medio y mantener ~ 1 cm del tubo interno, tubo exterior de la mediano.
    5. Utilizar el pegamento de epoxy para fijar los tres tubos en la posición a lo largo de la línea central de la diapositiva de cristal. Espere ~ 5 min o más para el pegamento que se solidifique completamente.
  5. Montar las entradas del dispositivo capilar.
    1. Tomar la aguja de entrada para la fase de aceite de baja viscosidad, preparado en el paso de protocolo 1.3.1 y que el conector Luer cubrir el extremo del tubo interior en el sustrato y luego usar pegamento epoxi para fijar el conector Luer en el substrato.
    2. Tomar la aguja de entrada para la fase acuosa de alta viscosidad, elaborado en el paso de protocolo 1.3.2 y que el conector Luer cubrir al cruce entre el tubo interno y el tubo central y luego usar pegamento epoxi para fijar el conector Luer en el sustrato.
    3. Tomar la aguja de entrada, preparada en el paso de protocolo 1.3.3 y, para la limpieza, deje que el conector Luer cubrir al cruce entre el tubo central y el tubo exterior y luego usar pegamento epoxi para fijar el conector Luer en el substrato.
    4. Esperar ~ 5 min o más para el pegamento que se solidifique completamente.
    5. Utilice pegamento epóxico para sellar los cubos de Luer de las agujas en el substrato.
  6. Esperar 30 min o más para el pegamento que se solidifique totalmente, y entonces el dispositivo está listo para usar.

2. hacer una inversión de fase, co flujo capilar de fabricación acuosas gotitas de alta viscosidad con un diámetro de ~ 500 μm.

Nota: El dispositivo de hecho aquí es una versión simplificada del dispositivo en el paso 1 de protocolo.

  1. Preparar dos tubos de vidrio de diferentes tamaños para el montaje del dispositivo capilar.
    1. Tomar un tubo de vidrio redonda con ID = 580 μm y diámetro exterior = 1 mm y corte un trozo del tubo con ~ 3 cm de longitud. Este será el medio tubo del dispositivo.
    2. Tomar un tubo de vidrio redonda con diámetro interior = 200 μm y diámetro exterior = 330 μm y corte un trozo del tubo con ~ 2 cm de longitud. Este será el tubo interno del dispositivo.
  2. Modificar la mojabilidad de la superficie de un extremo del medio tubo a ser hidrofóbico.
    1. Agregar 0,3 mL de OTS en un frasco de vidrio de 1 mL.
    2. Tome el tubo central con ID = 580 μm, preparado en el paso de protocolo 2.1.1 y moje un extremo de él en la OTS en el frasco de cristal para ~ 10 s.
    3. Sacar el tubo central y luego enjuagar el tubo con gas de nitrógeno desde el extremo no tratado.
  3. Preparar las agujas para las entradas del dispositivo capilar.
    1. Preparar una punta Roma de 20G, suministro de agujas, que servirán como la entrada para la fase de aceite de baja viscosidad. Luego, corte una ranura de ~0.5 mm x 0,5 mm con una hoja en el borde de plástico del conector Luer.
    2. Tomar otra punta Roma 20G aguja de dispensación y corte dos ranuras en el borde del plástico Luer Lock. Alinee las dos ranuras en una línea que pasa del diámetro de la Luer Lock.
      Nota: Una ranura tiene un tamaño de ~0.5 mm x 0,5 mm, mientras que la otra ranura tiene un tamaño de ~1.0 mm x 1.0 mm. Esta segunda aguja servirá como la entrada de la fase acuosa de alta viscosidad.
  4. Montar el vidrio de los tubos según Figura 1A .
    1. Tomar un portaobjetos de vidrio regular de 7,62 x 2,54 cm como el substrato del dispositivo capilar.
    2. Ponemos el tubo de mediano con I.D. = 580 μm, preparado en el paso de protocolo 2.2, en el portaobjetos de vidrio con el extremo hidrofóbico sacando ~ 1 cm sobre el borde corto de la diapositiva de cristal.
    3. Tomar el tubo interno con I.D. = 200 μm, preparado en el paso 2.1.2, de protocolo, inserte un extremo del tubo interior en el tubo de mediano desde el extremo no tratado en el portaobjetos de cristal y mantener ~ 1 cm del tubo interno, tubo exterior de la mediano.
    4. Use pegamento de epoxy para fijar los dos tubos en la posición a lo largo de la línea central de la diapositiva de cristal.
    5. Espere durante ~ 5 min o más el pegamento que se solidifique completamente.
  5. Montar las entradas del dispositivo capilar.
    1. Tomar la aguja de entrada para la fase de aceite de baja viscosidad, preparado en el paso de protocolo 2.3.1 y que el conector Luer cubrir el extremo del tubo interior en el sustrato y luego usar pegamento epoxi para fijar el conector Luer en el substrato.
    2. Tomar la aguja de entrada para la fase acuosa de alta viscosidad, elaborado en el paso de protocolo 2.3.2 y que el conector Luer cubrir al cruce entre el tubo interno y el tubo central y luego usar pegamento epoxi para fijar el conector Luer en el sustrato.
      Nota: El otro extremo del tubo del medio es la salida del dispositivo.
    3. Esperar ~ 5 min o más para el pegamento que se solidifique completamente.
    4. Utilice pegamento epóxico para sellar los cubos de Luer de las agujas en el substrato.
  6. Esperar 30 min o más para el pegamento que se solidifique completamente.
  7. Conecte el extremo libre del tubo del medio con el tubo de salida, es decir., tubería de polietileno con diámetro interno = 0,86 mm y 20 mm de longitud.
    Nota: La leve deformación de la tubería exterior garantizará el sello de la conexión, para que no se necesita pegamento aquí. La tubería de salida actúa como un gran tubo externo para la inversión de fase. En este punto, el dispositivo está listo para usar.

3. Haga la fase inversión Co flujo capilar dispositivo para observar el proceso de generación de gotas acuosas de alta viscosidad con un diámetro de ~ 200 μm.

Nota: El dispositivo aquí es una versión más pequeña del dispositivo del paso del protocolo 1 hacer gotitas más pequeñas.

  1. Prepare tres tubos de vidrio de diferentes tamaños para el montaje del dispositivo capilar.
    1. Tomar un tubo de vidrio cuadrado con I.D. = 400 μm y cortar un trozo del tubo ~ 4 cm de longitud, que será el tubo exterior del dispositivo.
    2. Tomar un tubo de vidrio redonda con diámetro interior = 200 μm y diámetro exterior = 330 μm y cortar un trozo de tubo de 3 cm de longitud, que será el medio tubo del dispositivo.
    3. Tomar un tubo de vidrio redonda con diámetro interior = 100 μm y diámetro exterior = 170 μm y cortar un trozo de tubo de 2 cm de longitud, que será el tubo interno del dispositivo.
  2. Modificar la mojabilidad de la superficie de un extremo del medio tubo a ser hidrofóbico.
    1. Tomar un frasco de vidrio de 1 mL y añadir 0,3 mL del OTS en el frasco de cristal.
    2. Tome el tubo central con I.D. = 200 μm, preparado en el paso de protocolo 3.1.2 y moje un extremo de él en la OTS en el frasco de cristal para ~ 10 s.
    3. Sacar el tubo central y luego enjuagar el tubo con gas de nitrógeno desde el extremo no tratado.
  3. Preparar las agujas para las entradas del dispositivo capilar.
    1. Preparar una punta Roma de 20G, suministro de agujas, que servirán como la entrada para la fase de aceite de baja viscosidad. Luego, con una hoja de corte una ranura ~0.2 mm x 0,2 mm en el borde de plástico del conector Luer.
    2. Preparar otra punta Roma 20G aguja de dispensación y corte dos ranuras en el borde de plástico del conector Luer. Alinee las dos ranuras en una línea que pasa del diámetro de la Luer Lock.
      Nota: Una ranura tiene un tamaño de ~0.2 mm x 0,2 mm, mientras que la otra ranura tiene un tamaño de ~0.4 m m x 0,4 m. Esta segunda aguja servirá como la entrada de la fase acuosa de alta viscosidad.
    3. Tomar otra punta Roma 20G aguja de dispensación y corte dos ranuras en el borde del plástico Luer Lock. Las dos ranuras están alineadas en una línea que pasa del diámetro de la Luer Lock.
      Nota: Una ranura tiene un tamaño de ~0.8 m m x 0,8 m, mientras que la otra ranura tiene un tamaño de ~0.4 m m x 0,4 m. Esta aguja tercera servirá como una entrada para la limpieza.
  4. Siga los pasos del protocolo 1.4-1.6 para terminar el dispositivo, utilizando los tubos de vidrio preparados en el paso de protocolo 3.1 en lugar de los preparados en protocolo el paso 1.1 y usando las agujas preparadas en el paso de protocolo 3.3 en lugar de los preparados en el paso de protocolo 1.3.

4. observando la generación de gotas de glicerol en parafina líquida

Nota: Para la toma de las imágenes mostradas en las figuras 1B - D, utilizar el dispositivo preparado en el paso del protocolo 1; para la toma de imágenes que se muestran en la figura 3, use el dispositivo preparado en el paso 3 de protocolo.

  1. Preparar soluciones para ser utilizados en el experimento.
    1. Uso de glicerol como la fase acuosa de alta viscosidad y añadir 0,5 w.t.% O azul de toluidina para teñirlo azul.
    2. Usar parafina líquida como la fase oleosa de baja viscosidad y agregar 1% w.t. Span 80 en él como surfactante.
  2. Preparar tres jeringas de 1 mL y tres bombas de la jeringuilla.
    Nota: Tres jeringas para los líquidos preparados en protocolo paso 4.1: uno para inyectar el glicerol de alta viscosidad, preparado en el paso de protocolo 4.1.1 y los otros dos para inyectar la parafina líquida de baja viscosidad, preparada en el paso de protocolo 4.1.2, respectivamente.
    1. Conectar la jeringa que contiene glicerol para la entrada al tubo de medio.
    2. Conecte una jeringa que contiene parafina líquida a la entrada del tubo interno, mientras la otra conecta a la entrada para la limpieza.
  3. El dispositivo preparado en el paso del protocolo 1 sobre un microscopio invertido y un pedazo de un Kimwipe debajo de la salida del tubo exterior para absorber el líquido filtrado.
    PRECAUCIÓN: No permita que el fluido escape fuera de la zona de Kimwipe.
  4. Establecer las tasas de flujo de las bombas de jeringa.
    Nota: Utilice la bomba de jeringa conectada al tubo externo para la limpieza cuando hay burbujas atrapadas o gotitas alrededor de la salida del tubo central. De lo contrario, simplemente deje la bomba parada.
    1. Fijar el caudal de inyección de glicerol en el medio tubo de Qw = 10 μL/min.
    2. Fijar el caudal de inyección de parafina líquida para el tubo interno de Qo = 30 μL/min.
    3. Ejecutar las dos bombas para generar gotas de glicerol.
  5. ~0.5 min esperar hasta que los flujos se estabilizan y uniformemente se generan las gotas de glicerol en las salidas del tubo del medio. Luego, tomar vídeos o imágenes del proceso de generación de gotas.
    Nota: Imágenes en figuras 1B-C puede tomarse utilizando el dispositivo preparado en el paso del protocolo 1, mientras que imágenes de la Figura 3A se pueden tomar usando el dispositivo preparado en el paso 3 de protocolo. Detener todas las bombas tan pronto como vídeos o imágenes se toman y llevar el aparato al microscopio.
  6. Preparar para recoger las gotas de alta viscosidad.
    1. Coloque el aparato en un plano vertical con la boca apuntando hacia abajo y pone un plato de petri bajo la salida. Use cinta para fijar el dispositivo con la salida de ~ 2 mm por encima de la parte inferior de la caja Petri.
    2. Verter algunos parafina líquida preparada en el paso de protocolo 4.1.2 en la caja Petri y sumerja a la salida del dispositivo.
  7. Ejecutar los dos jeringa bombas en Qw = 10 μL/min y Qo = 30 μL/min y recoger las gotas de glicerol en la caja Petri.
    Nota: Espere ~ 1 min hasta que los flujos se estabilizan y uniformemente se generan las gotas de glicerol en las salidas del tubo exterior, la imagen de las gotas en la placa de Petri puede tomarse, como se muestra en la figura 1 para el dispositivo en el protocolo 1 , o figura 3B para el dispositivo preparado en el paso 3 de protocolo.

5. generar y recoger las gotas de glicerol en parafina líquida con el dispositivo simplificado elaborado en el paso 2.

Nota: Esto es para tomar imágenes de las gotas de glicerol en cociente de tasas de flujo diferentes de QoQwy medir el correspondiente tamaño de variación de las gotitas para los puntos de datos en la figura 2.

  1. Preparar soluciones a utilizar en el experimento siguiente protocolo paso 4.1.
  2. Preparar dos jeringas de 1 mL y dos bombas de la jeringuilla.
    Nota: Dos jeringas para los líquidos preparados en protocolo paso 4.1: uno para inyectar el glicerol de alta viscosidad, elaborado en el protocolo paso 4.1.1 y el otro para inyectar la parafina líquida de baja viscosidad, preparada en el paso de protocolo 4.1.2, respectivamente.
    1. Conectar la jeringa que contiene glicerol 0.8 mL a la entrada al tubo de medio.
    2. Conectar la jeringa que contiene parafina líquida 0,8 mL a la entrada del tubo interior.
  3. Preparar para recoger las gotas de alta viscosidad.
    1. Coloque el aparato en un plano vertical con la boca apuntando hacia abajo y pone un plato de Petri bajo la salida de 35 mm. Use cinta para fijar el dispositivo con la salida de ~ 2 mm por encima de la parte inferior de la caja Petri.
    2. Verter algunos parafina líquida preparada en el paso de protocolo 4.1.2 en la caja Petri y sumerja a la salida del dispositivo.
  4. Establecer las tasas de flujo de las bombas de jeringa.
    Nota: Para cada proporción de la tasa de flujo en la figura 2, fijar la tasa de flujo de glicerol Qw = 2 μL/min, aumentando el caudal de la parafina líquida Qo a diferentes valores según la razón de tasas de flujo necesario de Q o/Qw. Para cada proporción de la tasa de flujo, esperar ~ 1 min hasta que los flujos se estabilizan y gotas de glicerol uniforme se recogen en la placa de Petri, luego toman imágenes de las gotas.
    1. Fijar el caudal de glicerol que se inyecta en el tubo de medio de Qw = 2 μL/min.
    2. Fijar el caudal de la parafina líquida que se inyecta en el tubo interior de Qo = 6 μL/min.
    3. Ejecutar las dos bombas para generar gotas de glicerol.
      Nota: El proceso de generación de las gotas puede observarse directamente con una cámara de teléfono móvil o una cámara digital montada en un trípode.
  5. Espere ~ 1 min hasta que los flujos se estabilizan y cambian una nueva placa de petri para recoger gotas de glicerol uniforme.

6. generar otras gotitas de alta viscosidad en parafina líquida utilizando el dispositivo de flujo Co inversión de fase.

Nota: Esto es para las imágenes en la figura 4. Toda la fase de aceite de baja viscosidad utilizada en los experimentos es el mismo que utilizan en el protocolo paso 4.1.2.

  1. Uso de miel pura de abeja como la fase acuosa de alta viscosidad para Figura 4A.
  2. Preparar engrudo de almidón de w.t.% 6 de la Figura 4B.
    PRECAUCIÓN: Utilice una botella de vidrio de alta temperatura adecuado los medios de comunicación y una gorra de alta temperatura. Guantes resistentes al calor.
    1. Añadir 47 g de agua en una botella de 100 mL vidrio media y poner una barra de agitación en la botella.
    2. Poner la botella en un baño de agua y ajustar la temperatura a 100 ° C.
    3. Añadir 3 g de polvo de almidón en el agua caliente después de que el baño de agua alcanza los 100 ° C.
    4. Cubrir la tapa de la botella y seguir revolviendo por ~ 4 h hasta que la solución es clara.
    5. Espere hasta que la solución se enfría a temperatura ambiente antes de usar.
  3. Preparar 10 w.t.% solución de PVA-124 figura 4.
    PRECAUCIÓN: Utilice una botella de vidrio de alta temperatura adecuado los medios de comunicación y una gorra de alta temperatura. Guantes resistentes al calor.
    1. Añadir 45 g de agua en una botella de 100 mL vidrio media y poner una barra de agitación en la botella.
    2. Poner la botella en un baño de agua y ajustar la temperatura a 70 ° C.
    3. Añadir 5 g de polvo de PVA-124 en la botella después de que el baño de agua alcanza los 70 ° C.
    4. Cubrir la tapa de la botella y seguir revolviendo para ~ 1 h hasta que la solución es clara.
    5. Espere hasta que la solución se enfría a temperatura ambiente antes de usar.
  4. Generar gotitas de alta viscosidad en parafina líquida.
    1. Siga el protocolo paso 5 utilizando los fluidos de alta viscosidad elaborados en el paso 6.1-6.3, en lugar de glicerol en el paso 5 de protocolo.
    2. Utilice los ajustes de la tasa de flujo de Qw = 1 μL/min y Qo = 5 μL/min para figura 4.

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Representative Results

Un dispositivo de microfluidos capilar con una inversión de fase, estructura del flujo de co fue diseñado para generar monodispersa acuoso gotitas de alta viscosidad, como se muestra en la figura 1A. En la figura 1, la fase acuosa de alta viscosidad fue glicerol, que tiene una viscosidad ηw = 1,4 Pas; la fase de aceite de baja viscosidad es parafina líquida, que tiene una viscosidad ηo = 0,029 Pas; la tensión superficial entre las dos fases fue γ = 27,7 mN/m. En el tubo medio, gotas de aceite alargado pueden ser encapsuladas por glicerol en un goteo controlados modo9,13, porque la viscosidad de la glicerina es mucho más alta que el de parafina líquida y el número capilar, Ca , de ambas fases son tan bajas como 10-4- 10-2, donde Ca = ηU/γ, U = Q/A es la velocidad media del fluido y A es el área de la Cruz sección del canal. Como las gotitas de aceite alargado salió de la salida del tubo del medio en un tubo externo más amplio, como se muestra en la figura 1B, las gotitas de aceite se rompió en el extremo hidrofóbico del medio tubo y encapsulado inversamente la tapa abajo de glicerol, por lo que gotitas de glicerina de alta viscosidad se obtuvieron, como se muestra en la figura 1. Como el tamaño de la gota y la distancia entre cualquier dos gotitas de aceite adyacentes se mantienen sin cambios, las gotas de glicerol formado será monodispersa24,25. Las imágenes en la figura 1B-C fueron obtenidas usando el dispositivo de paso 1 y el siguiente protocolo experimental paso 4. Las gotitas de glicerina generadas en Qo = 30 uL/min y Qw = 10 uL/min se muestran en la figura 1, en donde las gotas tenían un diámetro promedio de 521 μm y el coeficiente de variación (CV) de la tamaño de la gotita, definido como la desviación estándar dividida por el tamaño de gota promedio fue CV = 0.9%, lo que indica que las gotas eran monodispersa.

El tamaño de las gotas de alta viscosidad se puede ajustar alterando el flujo tasa proporciones Qo/Qw con un fijo Qw. Un conjunto de típicos resultados experimentales, obtenidos de los experimentos siguiente protocolo paso 5 con el dispositivo de paso de protocolo 2, se muestra en la figura 2. Como Qw era fija, el tamaño de las gotas disminuye con el aumento de Qo. Aumentando la proporción de la tasa de flujo puede tener rendimiento gotitas más pequeñas, sin embargo la fracción de volumen de las gotas habría disminuido en consecuencia y allí habría sido un aumento espectacular de la resistencia total y presión interna dentro de los dispositivos. Por lo tanto, dentro de la gama de la proporción de la tasa de flujo en la figura 2, el tamaño de la gota era comparable del diámetro interno del tubo del medio.

El tamaño de las gotas puede reducirse aún más cuando se utiliza un dispositivo con tubos más pequeños. Los resultados experimentales típicos, siguiente protocolo paso 4 con el dispositivo del paso del protocolo 3, se muestran en la figura 3, donde el tubo medio tenía un diámetro interior = 200 μm.

El mismo dispositivo del paso del protocolo 2 puede utilizarse para generar las gotitas monodispersa de varios fluidos de alta viscosidad, que tienen viscosidades más altas que el glicerol. Resultados típicos de monodispersa gotitas de miel (11 Pas), solución de almidón (Pas de 8,5) y solución de polímero (2,5 Pas) se muestran en la figura 4. La preparación de los fluidos en la figura 4 se detalla en el paso 6 de protocolo.

Figure 1
Figura 1: generación de gotas de glicerina de alta viscosidad en parafina líquida de baja viscosidad con dispositivo de inversión de fase del flujo Co. (A) esquema de los dispositivos de flujo Co inversión de fase. (B) la observación de la generación de las gotas de la glicerina del aceite en glicerol flujo slug en el tubo de medio a la emulsión simple aceite de glicerina en el tubo exterior. (C) tiempo de imágenes de la secuencia del proceso de inversión de fase. (D) las gotas de glicerol monodispersa y la distribución de tamaño de las gotas. El diámetro medio de las gotitas es 521 μm y CV = 0.9%. Reimpreso con permiso de [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Las barras de escala son 500 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: variación del tamaño de la gotita con el cambio de la proporción de la tasa de flujo QO/QW mientras QW = 2 μL/min Para cada punto de datos, se miden 30 gotas, y el diámetro medio se divulga. Como las barras de error de la desviación estándar son más pequeñas que el símbolo utilizado en la trama, no aparecen aquí. Reimpreso con permiso de [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: gotitas más pequeñas de glicerina generadas desde el dispositivo con el tubo de medio de identificación = 200 μm. (A) la observación de la generación de gotitas de glicerina en el tubo exterior del dispositivo. (B) el glicerol resultante monodispersa gotas con un diámetro promedio de 212 μm y CV = 1,9%. Reimpreso con permiso de [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Las barras de escala son 200 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: ejemplos típicos de gotas de alta viscosidad generados a partir de diferentes soluciones. Reimpreso con permiso de [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. (A) miel gotas con un diámetro promedio de 612 μm y CV = 0,7%. (B) almidón gotas con un diámetro promedio de 600 μm y CV = 0.9%, gotas de polímero de PVA-124 (C) con un diámetro promedio de 773 μm y CV = 0,7%. Todas las barras de escala son 1,0 mm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

El dispositivo de flujo Co inversión fase proporciona un método simple y recta hacia adelante para generar gotas de alta viscosidad monodispersa. Este dispositivo tiene una estructura similar a los dispositivos comunes de flujo Co, como la estructura de flujo de trabajo básico consiste en un tubo interno insertado en el tubo medio, la salida que está conectada a la tubería de salida. Sin embargo, hay dos diferencias principales entre la fase inversión flujo Co dispositivo y dispositivo de flujo de trabajo común para la generación de gotas de alta viscosidad con una viscosidad η > 1 Pa·s.

En primer lugar, en dispositivos comunes de flujo de trabajo, se utiliza un tubo interno con una punta cónica, mientras que un tubo recto interno puede ser utilizado en los dispositivos de flujo Co inversión de fase. La punta cónica por lo general tiene I.D. = 20 μm y diámetro exterior = 30 μm1,8, de modo que un tirador de la pipeta es generalmente necesario para que la punta cónica. En el dispositivo de flujo Co inversión de fase, un redondo tubo de vidrio con diámetro interior = 100-200 μm puede ser utilizado directamente sin ser afilado.

En segundo lugar, en común los dispositivos Co flujo, un líquido de alta viscosidad se inyecta en el tubo interior a ser encapsulados por el líquido de baja viscosidad; mientras que en dispositivos de flujo Co inversión de fase, un fluido de baja viscosidad se inyecta en el tubo interior encapsulado por un fluido de alta viscosidad, que es mucho más fácil de realizar. Por ejemplo, cuando utilizamos un dispositivo de flujo de trabajo común para generar gotas de glicerol en parafina líquida, la proporción de la tasa de flujo Qo/w deQdebe ser por lo menos 25 realizar un bien controlados goteo de modo, que resulta en una fracción de volumen de las gotas de glicerol no superiores al 4%. Por el contrario, en los dispositivos de flujo Co inversión de fase, el caudal de relación Qo/Qw puede ser tan baja como 2.5 realizar un modo de goteo controlados, por lo tanto, puede realizarse una fracción de volumen de 28% de las gotitas de glicerina.

En el dispositivo de flujo Co inversión de fase, la inversión de fase es inducida por la ruptura de la gota de aceite alargado en la salida hidrofóbica del medio tubo. Por lo tanto, el tratamiento de humectación superficial de la salida del tubo del medio es un paso fundamental para el método de inversión de fase, donde la salida del tubo del medio debe ser tratada a ser mojado por la fase de baja viscosidad para inducir la inversión de fase. Además, existe una velocidad crítica por encima del cual las gotitas de aceite alargado que no ruptura y la fase de inversión luego no ocurrirá24. Cuando las gotas de aceite pueden ruptura en la salida hidrofóbica, bajar las tasas de flujo de ambos fluidos con un cociente de tasas de flujo fijo, hasta que las gotitas de aceite alargado romperán e inducen la inversión de fase. Por otra parte, si el fluido de alta viscosidad y el fluido de baja viscosidad tienen similar mojabilidad en la superficie tratada, entonces el método de inversión de fase sería inválido.

Aunque sólo ofrecemos los protocolos y ejemplos para la generación de gotitas acuosas de alta viscosidad en este trabajo, el dispositivo de flujo Co inversión de fase puede utilizarse para generar gotas de aceite de alta viscosidad en soluciones acuosas de viscosidad baja23. En dicho dispositivo, aguas arriba del tubo del medio debe tratarse para ser mojado por la fase de alta viscosidad, mientras que la salida del tubo central necesita ser tratado para ser mojado por la fase de baja viscosidad. El dispositivo de flujo Co inversión fase proporciona un método sencillo para encapsular líquidos de alta viscosidad en forma bien controlada en el rápido desarrollo de aplicaciones basadas en la gota.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias naturales de China (núms. 51420105006 y 51322501). Agradecemos a Daniel por su útil discusión sobre las ideas de alta viscosidad.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
VitroTubes Glass Tubing VitroCom 8240 Square - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.4mm, OD=0.8mm
VitroTubes Glass Tubing VitroCom CV2033 Round - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.2mm, O.D.=0.33mm
VitroTubes Glass Tubing VitroCom CV1017 Round - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.1mm, O.D.=0.17mm
VitroTubes Glass Tubing VitroCom Q14606 Square - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=1.05mm+0.1/-0, OD=1.5mm
Standard Glass Capillaries WPI 1B100-6 Round - Glass Tubing, I.D.=0.58mm, O.D.=1.00mm
Glycerol Sinopharm Chemical Reagent Beijing 10010618
Paraffin Liquid Sinopharm Chemical Reagent Beijing 30139828
Poly(vinyl alcohol), PVA-124 Sinopharm Chemical Reagent Beijing 30153084
Span 80 Sigma-Aldrich 85548
Starch Sigma-Aldrich S9765
Trichloro(octadecyl)silane Sigma-Aldrich 104817
Toluidine Blue O Sigma-Aldrich T3260
Honey Chaste tree honey, common food product purchased from supermarket
DEVCON 5 Minute Epoxy ITW  Epoxy glue
Blunt Tip Stainless Steel Dispensing Needles (Luer Lock) Suzhou Lanbo Needle, China LTA820050 20G x 1/2" 
Tungsten/Carbide Scriber Ullman 1830 For cutting glass tubing
Microscope Slides Sail Brand 7101 76.2 mm x 25.4 mm, Thickness 1 - 1.2 mm
Polyethylene Tubing Scientific Commodities BB31695-PE/5 I.D. = 0.86 mm, O.D. = 1.32 mm
Syringe Pumps Longer Pump, China LSP01-1A 3 pumps needed for the experiments

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References

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