Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Fabrikere høy viskositet dråper bruker Microfluidic kapillær enhet med fase-inversjon co flyt

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

En fase-inversjon co flyt enhet er vist for å generere monodisperse høy viskositet dråper over 1 Pas, som er vanskelig å realisere i dråpe microfluidics.

Abstract

Generering av monodisperse dråper med høy viskositet har alltid vært en utfordring i dråpe microfluidics. Her viser vi en fase-inversjon co flyt enhet vil generere jevn høy viskositet dråper i en lav viskositet væsken. Microfluidic kapillær enheten har en felles co flyt struktur med sin exit koble til et større rør. Langstrakt dråper av lav viskositet væsken er først innkapslet av høy viskositet væsken i co flyt strukturen. Mens de avlange lav viskositet dråpene strømmer gjennom utgangen, som behandles å være wetted av lav viskositet væsken, er fase inversjon deretter indusert av vedheft av lav viskositet dråper til spissen av utgangen, som resulterer i den påfølgende inverse innkapsling av høy viskositet væsken. Størrelsen på de resulterende høy viskositet dråpene kan justeres ved å endre flow rate forholdet mellom lav viskositet væsken til høy viskositet væsken. Vi viser flere typiske eksempler på generering av høy viskositet dråper med en viskositet opp til 11,9 Pas, som glyserol, honning, stivelse og polymer løsning. Metoden gir en enkel og grei tilnærming for å generere monodisperse høy viskositet dråper, som kan brukes i en rekke slippverktøy-baserte programmer, for eksempel materialer syntese, narkotika-leveranser, celle analysen, bioteknologi og mat Engineering.

Introduction

Generering av dråper er blitt en viktig teknologi i en rekke programmer, for eksempel narkotika-leveranser, materialer syntese, 3D bioprinting, celle analyser og mat engineering1,2,3,4 , 5 , 6. Microfluidic enheter med t-kryss7,8, co flow1,9eller flyt-fokus10,11 strukturer er mye brukt til å generere monodisperse enkelt emulsjon dråper. Valg av en mer tyktflytende kontinuerlig fase vil lette dannelsen av dråper12viskositet på både kontinuerlig og spredt væsker er vanligvis under 0,1 Pas i dråpe microfluidics13. Mange programmer kan spredt fasen imidlertid ha en viskositet flere hundre ganger høyere enn for vann, for eksempel glyserol14, løsninger som inneholder nanopartikler15, proteiner16eller polymerer17 , 18 , 19, mens det er vanskelig å oppnå monodisperse dråper direkte fra høy viskositet væsker i en stall dryppende regimet11 i microfluidic enheter, spesielt for væsker med en viskositet η > 1 Pa·s14 ,17,18,19. Videre har det vært rapportert13,18 at typisk microfluidic metoder for slippverktøy formasjon krever væsker med en relativt lav viskositet og moderat interfacial spenning å danne uniform dråper i en stabil dryppende regimet.

For en spredt fase med en viskositet litt større enn 0,1 Pas, finnes det flere mulige tilnærminger til rette slippverktøy dannelse med typisk t-kryss, co flyt eller flyt-fokus microfluidic enheter: (1) redusere viskositeten av de adspredte fase fortynne den i en flyktige løsemiddel11,20; (2) redusere spredt-til-kontinuerlig viskositet forholdet ved å øke viskositeten av kontinuerlig fase1,11; (3) redusere infusjonshastigheten av spredt fase til en ekstremt lav verdi, mens en høy kontinuerlig til spredt flow rate forholdet 14,19. Men er disse ikke praktisk for væsker med mye høyere viskositet, som de vil vesentlig lavere produksjon frekvensen samtidig dramatisk øke forbruket av flyktige løsemiddelet eller kontinuerlig fase. I tillegg har det blitt rapportert at noen høy viskositet polymer løsninger med η > 1 Pa·s fortsatt ikke bryte opp i dråper ved fremgangsmåtene ovenfor17,19.

Det er også flere forbedret design av microfluidic enheter som presenterer en tredje fase av væske inn i systemet, som letter generasjonen av høy viskositet dråper. Innovasjoner inkluderer: bobler innført for å skjære en spyling tråd dråper21, en ikke blandbar chaperoning væske med moderat viskositet, introdusert som den midtre fasen mellom dipsersed fasen og kontinuerlig fase18, og microreactors innført for å generere høy viskositet dråper fra to lav viskositet forløpere21,22,23. Men som en mer væske er involvert i prosessen, systemet blir mer komplisert, og enhetene fungerer vanligvis en mye smalere flyt-regimet enn typiske enhetene for generering av enkelt emulsjon dråper.

Generere monodisperse dråper direkte fra en høy viskositet væsken η > 1 Pa·s, overflate-kontrollert fase-inversjon metoder har blitt undersøkt24. Generering av lav viskositet dråper er mye enklere enn høy viskositet dråper12, langstrakt lav viskositet dråper i en høy viskositet kontinuerlig fase genereres første ved hjelp av en typisk co flyt struktur, og så er brutt opp grunn endring av overflaten wettability nedstrøms av co flyt. Utgitt lav viskositet væsken omslutter omvendt nedstrøms høy viskositet væsken inn dråper slik at fase inversjon er fullført. Ifølge fase inversjon mekanisme, kan monodisperse høy viskositet dråper genereres basert på en typisk co flyt enhet, mens utgangen av co flyt enheten er behandlet for å være wetted av lav viskositet væsken, og deretter koblet til en større rør24 ,25.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. produserer en fase-inversjon co flyt kapillær enhet for å observere Generasjonsprosessen med vannbasert, høy viskositet dråper med en Diameter på ~ 500 μm.

Merk: Firkantet ytre røret her er for å ta bilder av generasjon høy viskositet dråper. Hvis det er ikke nødvendig å ta bilder, gjøres en forenklet versjon av enheten i henhold til protokollen trinn 2.

  1. Forberede tre glass rør med forskjellige størrelser for montering av kapillær enheten.
    1. Ta plassen røret med en indre størrelse 1.05 mm, og skjær et stykke røret ~ 4 cm i lengde. Dette blir ytre røret på enheten.
    2. Ta runde røret med en diameter (ID) av 580 μm og en ytre diameter (OD) på 1 mm, og skjær et stykke røret ~ 3 cm i lengde. Dette vil være midt tube av enheten.
    3. Ta en runde røret med ID = 200 μm og OD = 330 μm, og skjær et stykke røret ~ 2 cm i lengde. Dette vil være det indre røret på enheten.
  2. Endre den overflaten wettability på en ende av midtre røret skal hydrofobe.
    1. Ta en 1 mL hetteglass, og Legg 0,3 mL av trichloro (octadecyl) silane (OTS) i hetteglass.
    2. Ta den midterste tuben med ID = 580 μm i protokollen trinn 1.1.2 og dyppe ene enden i OTS i hetteglass for ~ 10 s.
    3. Ta ut midt røret, og tømme røret med nitrogen gass fra ubehandlet slutten.
  3. Forberede pinner for sundene på kapillære enheten.
    1. Ta en 20G butt tupp dispensing nål, og kuttet en slot med ~0.5 mm x 0,5 mm på kanten av plast Luer huben med blad.
      Merk: Denne p vil tjene som innløpet til lav viskositet olje fase.
    2. Ta en annen 20G butt tupp dispensing nål, og kutte to spor på kanten av plast Luer hub. Justere de to plassene en linje passerer diameteren på Luer huben.
      Merk: Ett spor har en størrelse på ~0.5 mm x 0,5 mm, mens det andre sporet har en størrelse på ~1.0 mm x 1.0 mm. Denne p vil tjene som innløpet for høy viskositet vandige fasen.
    3. Ta en annen 20G butt tupp dispensing nål, og kutte to spor på kanten av plast Luer hub. Justere de to plassene en linje passerer diameteren på Luer huben.
      Merk: Ett spor har en størrelse på ~1.5 mm x 1,5 mm; mens det andre sporet har en størrelse på ~1.0 mm x 1.0 mm. Denne p vil tjene som innløp ved rengjøring.
  4. Sette glass rør i henhold til Figur 1A.
    1. Ta en vanlig 7,62 cm x 2,54 cm glass lysbilde som underlaget kapillær enheten.
    2. Legge ytre røret med ID = 1.05 mm, utarbeidet i protokollen trinn 1.1.1, objektglass med ~ 1 cm ekstrudering kortsiden av av objektglass.
    3. Ta den midterste tuben med ID = 580 μm, utarbeidet i protokollen trinn 1.2, hydrofobe slutten av middels rør inn ytre røret fra slutten på av objektglass og holde ~ 1 cm midt røret utenfor ytre røret.
    4. Ta det indre røret med ID = 200 μm, utarbeidet i protokollen trinn 1.1.3, før en ende av slange i midten røret og holde ~ 1 cm slange utenfor midt røret.
    5. Bruk epoxy limet for å fikse tre rør i posisjon langs midtlinjen av objektglass. Vent ~ 5 minutter eller lenger for limet å størkne helt.
  5. Samle sundene på kapillære enheten.
    1. Ta innløp nålen for lav viskositet olje-fase i protokollen trinn 1.3.1, og la Luer huben dekke slutten av slange på underlaget, og bruk deretter epoxy limet for å fikse Luer navet på underlaget.
    2. Ta innløp nålen for høy viskositet vandige fasen, utarbeidet i protokollen trinn 1.3.2, og la Luer huben dekke krysset mellom slange og midtre røret, og bruk deretter epoxy limet for å fikse Luer navet på underlaget.
    3. Ta innløp nålen, utarbeidet i protokollen trinn 1.3.3, og, og la Luer huben dekke krysset mellom midten røret og ytre røret, og bruk deretter epoxy limet for å fikse Luer navet på underlaget.
    4. Vent ~ 5 minutter eller lenger for limet å størkne helt.
    5. Bruk epoxy limet for å forsegle Luer hubene inn nåler på underlaget.
  6. Vent ~ 30 minutter eller lenger for limet å størkne helt, og deretter enheten er klar til bruk.

2. Lag en fase-inversjon, co flyt kapillær enhet for fabrikasjon vandig høy viskositet dråper med en Diameter på ~ 500 μm.

Merk: Enheten gjort her er en forenklet versjon av enheten i protokollen trinn 1.

  1. Forberede to glass rør med forskjellige størrelser for montering av kapillær enheten.
    1. Ta en runde røret med ID = 580 μm og OD = 1 mm, og skjær et stykke rør med ~ 3 cm i lengde. Dette vil være midt tube av enheten.
    2. Ta en runde røret med ID = 200 μm og OD = 330 μm, og skjær et stykke rør med ~ 2 cm i lengde. Dette vil være det indre røret på enheten.
  2. Endre den overflaten wettability på en ende av midtre røret skal hydrofobe.
    1. Legge til 0,3 mL OTS i en 1 mL hetteglass.
    2. Ta den midterste tuben med ID = 580 μm, utarbeidet i protokollen trinn 2.1.1, og dyppe ene enden i OTS i hetteglass for ~ 10 s.
    3. Ta ut midt røret, og deretter tømme røret med nitrogen gass fra ubehandlet slutten.
  3. Forberede pinner for sundene på kapillære enheten.
    1. Forberede en 20G butt tupp dispensing nål, som vil tjene som innløpet til lav viskositet olje fase. Deretter kuttet en slot på ~0.5 mm x 0,5 mm med blad i utkanten av plast Luer huben.
    2. Ta en annen 20G butt tupp dispensing nål, og kutte to spor på kanten av plast Luer hub. Justere de to plassene en linje passerer diameteren på Luer huben.
      Merk: Ett spor har en størrelse på ~0.5 mm x 0,5 mm, mens det andre sporet har en størrelse på ~1.0 mm x 1.0 mm. Denne omg vil tjene som innløpet for høy viskositet vandige fasen.
  4. Sette glass rør i henhold til Figur 1A .
    1. Ta en vanlig 7,62 cm x 2,54 cm glass lysbilde som underlaget kapillær enheten.
    2. Legge midten røret med ID = 580 μm, utarbeidet i protokollen trinn 2.2, objektglass med hydrofobe slutten ekstrudering ~ 1 cm over kortsiden av av objektglass.
    3. Ta det indre røret med ID = 200 μm, utarbeidet i protokollen trinn 2.1.2, før en ende av slange i midten røret fra ubehandlet slutten på av objektglass og holde ~ 1 cm av det indre røret utenfor midt røret.
    4. Bruk epoxy limet for å fikse to rør i posisjon langs midtlinjen av objektglass.
    5. Vent for ~ 5 minutter eller lenger limet å størkne helt.
  5. Samle sundene på kapillære enheten.
    1. Ta innløp nålen for lav viskositet olje-fase i protokollen trinn 2.3.1, og la Luer huben dekke slutten av slange på underlaget, og bruk deretter epoxy limet for å fikse Luer navet på underlaget.
    2. Ta innløp nålen for høy viskositet vandige fasen, utarbeidet i protokollen trinn 2.3.2, og la Luer huben dekke krysset mellom slange og midtre røret, og bruk deretter epoxy limet for å fikse Luer navet på underlaget.
      Merk: Den andre enden av midtre røret er utløpet av enheten.
    3. Vent ~ 5 minutter eller lenger for limet å størkne helt.
    4. Bruk epoxy limet for å forsegle Luer hubene inn nåler på underlaget.
  6. Vent ~ 30 minutter eller lenger for limet å størkne helt.
  7. Koble den gratis enden av midtre røret med stikkontakt slangen, dvs., polyetylen rør med ID = 0,86 mm og ~ 20 mm i lengde.
    Merk: Liten deformasjon av ytre slangen vil sikre forseglingen av tilkoblingen, slik at ingen limet er nødvendig her. Stikkontakt slangen fungerer som et bredere ytre rør for fase inversjon. På dette punktet er enheten klar til bruk.

3. gjøre fase-inversjon co flyt kapillær enhet for å observere Generasjonsprosessen med vandig høy viskositet dråper med en Diameter på ~ 200 μm.

Merk: Enheten gjort her er en mindre versjon av enheten protokollen trinn 1 for å få mindre dråper.

  1. Forberede tre glass rør med forskjellige størrelser for montering av kapillær enheten.
    1. Ta plassen røret med ID = 400 μm, og skjær et stykke røret ~ 4 cm i lengde, som blir ytre røret på enheten.
    2. Ta en runde røret med ID = 200 μm og OD = 330 μm, og skjære et stykke av røret ~ 3 cm i lengde, som vil være midt tube av enheten.
    3. Ta en runde røret med ID = 100 μm og OD = 170 μm, og skjær et stykke røret ~ 2 cm i lengde, som vil være det indre røret på enheten.
  2. Endre den overflaten wettability på en ende av midtre røret skal hydrofobe.
    1. Ta en 1 mL hetteglass, og legge 0,3 mL OTS inn i hetteglass.
    2. Ta den midterste tuben med ID = 200 μm, utarbeidet i protokollen trinn 3.1.2, og dyppe ene enden i OTS i hetteglass for ~ 10 s.
    3. Ta ut midt røret, og deretter tømme røret med nitrogen gass fra ubehandlet slutten.
  3. Forberede pinner for sundene på kapillære enheten.
    1. Forberede en 20G butt tupp dispensing nål, som vil tjene som innløpet til lav viskositet olje fase. Deretter med et blad, kuttet en slot ~0.2 mm x 0.2 mm på kanten av plast Luer huben.
    2. Forberede en annen 20G butt tupp dispensing nål, og kutte to spor på kanten av plast Luer huben. Justere de to plassene en linje passerer diameteren på Luer huben.
      Merk: Ett spor har en størrelse på ~0.2 mm x 0.2 mm, mens det andre sporet har en størrelse på ~0.4 mm x 0.4 mm. Denne omg vil tjene som innløpet for høy viskositet vandige fasen.
    3. Ta en annen 20G butt tupp dispensing nål, og kutte to spor på kanten av plast Luer hub. De to sporene er justert i en linje passerer diameteren på Luer huben.
      Merk: Ett spor har en størrelse på ~0.8 mm x 0,8 mm, mens det andre sporet har en størrelse på ~0.4 mm x 0.4 mm. Denne tredje p vil tjene som en vik ved rengjøring.
  4. Fremgangsmåten protokollen 1.4-1.6 å fullføre enheten, bruke BILLEDRØR forberedt i protokollen trinn 3.1 i stedet for de forberedt i protokollen trinn 1.1, og bruke nålene i protokollen trinn 3.3 i stedet for dem i protokollen trinn 1.3.

4. observere generering av glyserol dråper i flytende parafin

Merk: For at du tok bildene som vises i figurer 1B - D, bruk enheten i protokollen trinn 1; for å ta bilder som vises i Figur 3, kan du bruke enheten i protokollen trinn 3.

  1. Utarbeide løsninger i eksperimentet.
    1. Bruke glyserol som høy viskositet vandige fasen, og Legg til 0,5 w.t.% Toluidine blå O å farge det blå.
    2. Bruke flytende parafin som lav viskositet olje fasen, og legge til 1% w.t. Span 80 i det som surfactant.
  2. Forbered tre 1 mL sprøyter og tre sprøyte pumper.
    Merk: Tre sprøyter for væsker i protokollen trinn 4.1: én for sprøytebruk høy viskositet glyserol, utarbeidet i protokollen trinn 4.1.1, og de andre to sprøytebrukere lav viskositet flytende parafin, utarbeidet i protokollen trinn 4.1.2, henholdsvis.
    1. Koble sprøyten som inneholder glyserol i innløpet til midten røret.
    2. Koble en sprøyte som inneholder flytende parafin i innløpet til slange, under tilkobling til andre i innløpet for rengjøring formål.
  3. Plasser enheten i protokollen trinn 1 på en invertert mikroskop, og Plasser et stykke av en Kimwipe under tuten av ytre røret å absorbere lekkasje væsken.
    FORSIKTIG: Ikke la den væske lekkasjen utenfor Kimwipe.
  4. Angi strømningshastigheter sprøyte pumper.
    Merk: Bruk sprøytepumpen koblet til ytre røret ved rengjøring når det er fanget bobler eller dråper rundt avkjørselen til midten røret. Ellers, bare la pumpen stoppet.
    1. Angi inntakets glyserol sprøytebruk til midten tube Qw = 10 μL/min.
    2. Angi inntakets flytende parafin innsprøytningen å det indre røret Qo = 30 μL/min.
    3. Kjøre to pumper for å generere glyserol dråper.
  5. Vent til ~0.5 min før renn er stabilisert og glyserol dråpene genereres jevnt på utganger på midten røret. Så, ta videoer eller bilder av slippverktøy generasjon.
    Merk: Bilder i tallene 1B-C kan tas ved hjelp av enheten i protokollen trinn 1, mens bilder i figur 3A kan hentes ved hjelp av enheten i protokollen trinn 3. Stopp alle pumpene snarest videoer eller bilder er tatt, og ta av enheten mikroskopet umiddelbart.
  6. Forberede innsamling av høy viskositet dråper.
    1. Sted enheten i et loddrett fly med stikkontakt pekte nedover, og sette en Petriskål under tuten. Bruk tape for å fikse enheten med stikkontakt ~ 2 mm over bunnen av Petriskål.
    2. Hell noen flytende parafin i protokollen trinn 4.1.2 i Petriskål, og bare dyppe utløpet av enheten.
  7. Kjøre to sprøyte pumper igjen på Qw = 10 μL/min og Qo = 30 μL/min, og samle glyserol dråper i Petriskål.
    Merk: Vente på ~ 1 min til renn er stabilisert og glyserol dråpene genereres jevnt på utganger på ytre røret, bildet av dråper i Petriskål kan tas, som vist i figur 1 d for enheten i protokollen 1 , eller figur 3B for enheten i protokollen trinn 3.

5. generere og samle glyserol dråper i flytende parafin med forenklet enheten i trinn 2.

Merk: Dette er for å ta bilder av glyserol dråper generert under forskjellige flow rate forholdet mellom Qo/Qwog måle den tilsvarende størrelse variant av dråper for datapunktene i figur 2.

  1. Utarbeide løsninger brukes i eksperimentet ved å følge protokollen trinn 4.1.
  2. Forbered to 1 mL sprøyter og to sprøyte pumper.
    Merk: To sprøyter for væsker i protokollen trinn 4.1: én for sprøytebruk høy viskositet glyserol, utarbeidet i protokollen trinn 4.1.1, og den andre sprøytebrukere lav viskositet flytende parafin, utarbeidet i protokollen trinn 4.1.2, henholdsvis.
    1. Koble sprøyten som inneholder 0,8 mL glyserol i innløpet til midten røret.
    2. Koble sprøyten som inneholder 0,8 mL flytende parafin i innløpet til det indre røret.
  3. Forberede innsamling av høy viskositet dråper.
    1. Sted enheten i et loddrett fly med stikkontakt pekte nedover, og sette en 35 mm Petriskål under tuten. Bruk tape for å fikse enheten med stikkontakt ~ 2 mm over bunnen av Petriskål.
    2. Hell noen flytende parafin i protokollen trinn 4.1.2 i Petriskål, og bare dyppe utløpet av enheten.
  4. Angi strømningshastigheter sprøyte pumper.
    Merk: For hver flow rate forholdet i figur 2, fikse inntakets glyserol Qw = 2 μL/min, mens økende inntakets flytende parafin Qo ulike verdier etter nødvendige flow rate prosenter av Q o/Qw. For hver flow rate forholdet, vent ~ 1 min til renn er stabilisert og uniform glyserol dråper er samlet i Petriskål, så ta bilder av dråpene.
    1. Angi inntakets glyserol injisert i midten tube Qw = 2 μL/min.
    2. Angi inntakets flytende parafin injisert i det indre røret Qo = 6 μL/min.
    3. Kjøre to pumper for å generere glyserol dråper.
      Merk: Generasjonsprosessen med dråpene observert direkte med en mobiltelefon-kamera eller et digitalt kamera montert på et stativ.
  5. Vent ~ 1 min til renn er stabilisert, og endre en ny Petriskål for innsamling uniform glyserol dråper.

6. generere andre høy viskositet dråper i flytende parafin bruker fase-inversjon co flyt enheten.

Merk: Dette er for bildene i Figur 4. Alle lav viskositet olje fasen brukes i forsøkene er den samme som brukes i protokollen trinn 4.1.2.

  1. Bruk ren honning som høy viskositet vandige fasen for figur 4A.
  2. Forberede 6 w.t.% stivelse løsning figur 4B.
    FORSIKTIG: Bruk en riktig høy temperatur media glassflaske og en høy temperatur cap. Bruk varmebestandige hansker.
    1. Legg til 47 g vann i en 100 mL glassflaske media og sette rør bar i flasken.
    2. Sette flasken i et vannbad og satt temperaturen til 100 ° C.
    3. Legge til 3 g stivelse pulver i varmt vann etter vannbad når 100 ° C.
    4. Dekker hetten av flasken og holder gripende ~ 4 h til løsningen er klart.
    5. Vent til løsningen kjøles ned til romtemperatur før bruk.
  3. Forberede 10 w.t.% PVA-124 løsning figur 4C.
    FORSIKTIG: Bruk en riktig høy temperatur media glassflaske og en høy temperatur cap. Bruk varmebestandige hansker.
    1. Legg til 45 g vann i en 100 mL glassflaske media og sette rør bar i flasken.
    2. Sette flasken i et vannbad og satt temperaturen til 70 ° C.
    3. Legge 5 g PVA-124 pulver i flasken etter vannbad når 70 ° C.
    4. Dekker hetten av flasken og holder gripende ~ 1 h til løsningen er klart.
    5. Vent til løsningen kjøles ned til romtemperatur før bruk.
  4. Generere høy viskositet dråper i flytende parafin.
    1. Følge protokollen trinn 5 med høy viskositet væsker i trinn 6.1-6.3, i stedet for glyserol i protokollen trinn 5.
    2. Bruk flow rate innstillingene Qw = 1 μL/min og Qo = 5 μL/min for Figur 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En microfluidic kapillær enhet med en fase-inversjon, co flyt strukturen ble designet for å generere monodisperse vandig høy viskositet dråper, som vist i figur 1A. I figur 1, høy viskositet vandige fasen var glyserol, som har en viskositet på ηw = 1,4 Pas; lav viskositet olje fasen var flytende parafin, som har en viskositet på ηo = 0.029 Pas; overflatespenningen mellom de to fasene var γ = 27,7 mN/m. I midten røret, kan langstrakt olje dråper være innkapslet av glyserol i et godt kontrollert dryppende modus9,13, fordi viskositeten av glyserol er mye høyere enn flytende parafin, og capillary tallene, Ca , begge fasene er så lavt som 10-4- 10-2, der Ca = ηU/γ, U = Q/A er den gjennomsnittlige hastigheten av væske, og er området av korset delen av kanalen. Som de avlange olje dråpene kom ut av utgangen av middels rør i en bredere ytre tube, som vist i figur 1B, olje dråper brøt hydrofobe tuppen av midtre røret, og omvendt innkapslet nedstrøms hetten glyserol, slik at høy viskositet glyserol dråper ble innhentet, som vist i figur 1 c. Så lenge dråpestørrelse og avstanden mellom noen to tilstøtende olje dråper beholdes uendret, er dannet glyserol dråpene monodisperse24,25. Bildene i figur 1B-C ble oppnådd ved hjelp av enheten i trinn 1, og følgende eksperimentelle protokollen trinn 4. Glyserol dråper generert på Qo = 30 uL/min og Qw = 10 uL/min er vist i figur 1 d, hvor dråpene hadde en gjennomsnittlig diameter på 521 μm, og variasjonskoeffisienten (CV) av den dråpestørrelse, definert som standardavvik delt på gjennomsnittlig dråpestørrelse, var CV = 0,9%, som angir dråpene ble monodisperse.

Størrelsen på høy viskositet dråpene kan justeres ved å endre flow rate prosenter Qo/Qw med en fast Qw. Et sett med typiske eksperimentelle resultater, fra eksperimenter følger protokollen trinn 5 med enheten i protokollen trinn 2 er vist i figur 2. Som Qblew løst, dråpestørrelse redusert med økningen av Qo. Ytterligere øke flow rate forholdet kan ha kapasitet mindre dråper, men volumet brøkdel av dråpene ville ha redusert tilsvarende, og det ville ha vært en dramatisk økning i den totale dra og indre press i enhetene. Derfor innen flow rate forholdet i figur 2var dråpestørrelse sammenlignes med den indre diameteren på midten røret.

Dråpestørrelse kan reduseres ytterligere når en enhet med mindre rør brukes. Typisk eksperimentelle resultatene, etter protokollen trinn 4 med enheten fra protokollen trinn 3, vises i Figur 3hvor midten røret hadde en ID = 200 μm.

Den samme enheten fra protokollen trinn 2 kan brukes til å generere monodisperse dråper fra ulike høy viskositet væsker, som har viskositet høyere enn glyserol. Typiske resultater av monodisperse dråper av honning (11 Pas) og stivelse løsning (8,5 Pas) polymer løsning (2,5 Pas) er vist i Figur 4. Utarbeidelse av væsker i Figur 4 er beskrevet i protokollen trinn 6.

Figure 1
Figur 1: generasjon av høy viskositet glyserol dråper i lav viskositet flytende parafin bruker fase-inversjon co flyt enhet. (A) skjematisk av fase-inversjon co vannføring enheter. (B) observasjon av generasjonen av glyserol dråper fra olje i glyserol slug flyten i midten røret til glyserol-i-olje enkelt emulsjonen i ytre røret. (C) gang sekvens bilder av fase-inversjon prosess. (D) monodisperse glyserol dråper og størrelsesDistribusjon av dråpene. Gjennomsnittlig diameter på dråpene er 521 μm, og CV = 0,9%. Gjengitt med tillatelse fra [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Skala barer er 500 μm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: variant av dråpestørrelse med endring av flow rate forholdet QO/QW mens QW = 2 μL/min. For hvert datapunkt, 30 dråper er målt, og gjennomsnittlig diameter er rapportert. Som feilfeltene standardavvik er mindre enn symbolet i plottet, er de ikke vist her. Gjengitt med tillatelse fra [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: mindre glyserol dråper generert fra enheten til midten tube ID = 200 μm. (A) observasjon av generasjonen av glyserol dråper i ytre røret på enheten. (B) den resulterende monodisperse glyserol dråper med en gjennomsnittlig diameter på 212 μm og CV = 1,9%. Gjengitt med tillatelse fra [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Skala barer er 200 μm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: typiske eksempler på høy viskositet dråper generert fra ulike løsninger. Gjengitt med tillatelse fra [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. (A) honning dråper med en gjennomsnittlig diameter på 612 μm og CV = 0,7%. (B) stivelse dråper med en gjennomsnittlig diameter på 600 μm og CV = 0,9%, (C) PVA-124 polymer dråper med en gjennomsnittlig diameter på 773 μm og CV = 0,7%. Alle de skala barene er 1,0 mm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Fase-inversjon co flyt enheten gir en enkel og likefram videresende metoden for å generere monodisperse høy viskositet dråper. Denne enheten har en lignende struktur felles co flyt enheter, som grunnleggende co flyt strukturen består av en indre rør inn i midten røret, avkjørselen som er koblet til uttaket rør. Det er imidlertid to viktigste forskjellene mellom fase-inversjon co flyt enhet og felles co flyt enhet for generering av høy viskositet dråper med en viskositet η > 1 Pa·s.

Først i vanlige co flyt enheter brukes en slange med en konisk tips mens en rett indre røret kan brukes i fase-inversjon co flyt enheter. Koniske spissen har vanligvis ID = 20 μm og OD = 30 μm1,8, slik at en pipette avtrekker er vanligvis nødvendig for å gjøre den koniske spissen. I fase-inversjon co flyt enheten, en runde glass rør med ID = 100-200 μm kan brukes direkte uten å være konisk.

Andre felles co flyt enheter, en høy viskositet væsken injiseres i det indre røret å være innkapslet av lav viskositet væsken; i fase-inversjon co flyt enheter, injiseres en lav viskositet væsken i det indre røret å være innkapslet av en høy viskositet væske, som er mye lettere å realisere. For eksempel dryppende når vi bruke en felles co flyt-enhet generere glyserol dråper i flytende parafin, flow rate forholdet Qo/Qw bør være minst 25 å realisere et godt kontrollerte modus, som resulterer i en volum brøk til glyserol dråper ikke høyere enn 4%. Tvert imot, i fase-inversjon co flyt enheter, strømmen rate forholdet Qo/Qw kan være så lavt som 2.5 å realisere en godt kontrollerte dryppende modus, derfor en volum brøkdel av 28% av glyserol dråper kan realiseres.

I fase-inversjon co flyt enheten, er fase inversjon indusert av bruddet med langstrakt olje slippverktøyet ved hydrofobe utgangen av midtre røret. Behandling av overflaten wettability av utgangen av midtre røret er derfor et kritisk punkt for metoden fase-inversjon hvor utgangen av middels rør må behandles å være wetted av lav viskositet fasen å indusere fase inversjon. I tillegg finnes det en kritisk flow rate som langstrakt olje dråper vil ikke bruddet og fasen inversjon ikke skjer senere24. Når olje dråper ikke bruddet på hydrofobe exit, lavere strømningshastigheter av både væsker med en fast flyt rate, før de avlange olje dråpene bryte og indusere fase inversjon. Videre, hvis både høy viskositet væsken og lav viskositet væsken har lignende wettability på behandlet overflaten, deretter fase-inversjon metoden vil være ugyldig.

Selv om vi bare gi protokollene og eksempler for generering av vandig høy viskositet dråper i dette arbeidet, kan fase-inversjon co flyt enheten også brukes til å generere høy viskositet olje dråper i lav viskositet vandige løsninger23. I slike en enhet må oppstrøms av middels rør behandles for å være wetted av høy viskositet fase, mens avkjørselen til midten røret må behandles for å være wetted av lav viskositet fasen. Fase-inversjon co flyt enheten gir en enkel metode for å kapsle høy viskositet væsker på en godt kontrollert måte raskt utvikle slippverktøy-baserte programmer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China (nr. 51420105006 og 51322501). Vi takker Daniel for hans nyttig diskusjon på høy viskositet ideer.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Shah, R. K., Shum, H. C., Rowat, A. C., Lee, D., Agresti, J. J., Utada, A. S., Chu, L. Y., Kim, J. W., Fernandez-Nieves, A., Martinez, C. J., Weitz, D. A. Designer emulsions using microfluidics. Mater. Today. 11, 18-27 (2008).
  2. Park, J. I., Saffari, A., Kumar, S., Günther, A., Kumacheva, E. Microfluidic synthesis of polymer and inorganic particulate materials. Annu. Rev. Mater. Res. 40, 415-443 (2010).
  3. Heath, J. R., Ribas, A., Mischel, P. S. Single-cell analysis tools for drug discovery and development. Nat. Rev. Drug Discovery. 15, 204-216 (2016).
  4. Murphy, S. V., Atala, A. 3D Bioprinting of tissues and organs. Nat. Biotechnol. 32, 773-785 (2014).
  5. Du, G., Fang, Q., den Toonder, J. M. Microfluidics for cell-based high throughput screening platforms-a review. Anal. Chim. Acta. 903, 36-50 (2016).
  6. Ushikubo, F. Y., Oliveira, D. R. B., Michelon, M., Cunha, R. L. Designing food structure using microfluidics. Food Eng. Rev. 7, 393-416 (2015).
  7. Xu, J. H., Li, S. W., Tan, J., Wang, Y. J., Luo, G. S. Preparation of highly monodisperse droplet in a T-junction microfluidic device. AIChE Journal. 52, 3005-3010 (2006).
  8. van Steijn, V., Kleijn, C. R., Kreutzer, M. T. Flows around confined bubbles and their importance in triggering pinch-off. Phys. Rev. Lett. 103, 214501 (2009).
  9. Utada, A. S., Fernandez-Nieves, A., Stone, H. A., Weitz, D. A. Dripping to jetting transitions in coflowing liquid streams. Phys. Rev. Lett. 99, 094502 (2007).
  10. Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using "flow focusing" in microchannels. Appl. phys. lett. 82, 364-366 (2003).
  11. Utada, A. S., Lorenceau, E., Link, D. R., Kaplan, P. D., Stone, H. A., Weitz, D. A. Monodisperse double emulsions generated from a microcapillary device. Science. 308, 537-541 (2005).
  12. Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab Chip. 8, 198-220 (2008).
  13. Nunes, J. K., Tsai, S. S. H., Wan, J., Stone, H. A. Dripping and jetting in microfluidic multiphase flows applied to particle and fiber synthesis. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 114002 (2013).
  14. Cubaud, T., Mason, T. G. Capillary threads and viscous droplets in square microchannels. Phys. Fluids. 20, 053302 (2008).
  15. Shestopalov, I., Tice, J. D., Ismagilov, R. F. Multi-step synthesis of nanoparticles performed on millisecond time scale in a microfluidic droplet-based system. Lab Chip. 4, 316-321 (2004).
  16. Zheng, B., Roach, L. S., Ismagilov, R. F. Screening of protein crystallization conditions on a microfluidic chip using nanoliter-size droplets. J. Am. Chem. Soc. 125, 11170-11171 (2003).
  17. Nie, Z. H., Xu, S. Q., Seo, M., Lewis, P. C., Kumacheva, E. Microfluidic production of biopolymer microcapsules with controlled morphology. J. Am. Chem. Soc. 127, 8058-8063 (2005).
  18. Abate, A. R., Kutsovsky, M., Seiffert, S., Windbergs, M., Pinto, L. F., Rotem, A., Utada, A. S., Weitz, D. A. Synthesis of monodisperse microparticles from non-Newtonian polymer solutions with microfluidic devices. Adv. Mater. 23, 1757-1760 (2011).
  19. Seo, M., Nie, Z., Xu, S., Mok, M., Lewis, P. C., Graham, R., Kumacheva, E. Continuous microfluidic reactors for polymer particles. Langmuir. 21, 11614-11622 (2005).
  20. Duncanson, W. J., Lin, T., Abate, A. R., Seiffert, S., Shah, R. K., Weitz, D. A. Microfluidic synthesis of advanced microparticles for encapsulation and controlled release. Lab Chip. 12, 2135-2145 (2012).
  21. Song, H., Chen, D. L., Ismagilov, R. F. Reactions in droplets in microfluidic channels. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 7336-7356 (2006).
  22. Chen, H., Zhao, Y., Li, J., Guo, M., Wan, J., Weitz, D. A., Stone, H. A. Reactions in double emulsions by flow-controlled coalescence of encapsulated drops. Lab Chip. 11, 2312-2315 (2011).
  23. Wang, P., Li, J., Nunes, J., Hao, S., Liu, B., Chen, H. Droplet micro-reactor for internal gelation to fabricate ZrO2 ceramic microspheres. J. Am. Ceram. Soc. 100, 41-48 (2017).
  24. Chen, H., Man, J., Li, Z., Li, J. Microfluidic generation of high-viscosity droplets by surface-controlled breakup of segment flow. ACS Appl. Mater. Interfaces. 9, 21059-21064 (2017).
  25. Man, J., Li, Z., Li, J., Chen, H. Phase inversion of slug flow on step surface to form high viscosity droplets in microchannel. Appl. Phys. Lett. 110, 181601 (2017).

Tags

Kjemi problemet 134 Microfluidics emulsjon dråper høy viskositet fase inversjon Wettability Glass kapillærene
Fabrikere høy viskositet dråper bruker Microfluidic kapillær enhet med fase-inversjon co flyt
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Li, J., Man, J., Li, Z., Chen, H.… More

Li, J., Man, J., Li, Z., Chen, H. Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure. J. Vis. Exp. (134), e57313, doi:10.3791/57313 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter