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Chemistry

Fabricação de gotículas de alta viscosidade usando dispositivo capilar Microfluidic com inversão de fase estrutura de fluxo de co

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

Um dispositivo de inversão de fase de fluxo co é demonstrado para gerar gotículas de alta viscosidade monodisperso acima 1 Pas, que é difícil perceber em microfluídica da gota.

Abstract

A geração de gotículas monodisperso com alta viscosidade sempre foi um desafio em microfluídica da gota. Aqui, demonstramos um dispositivo de fluxo de co de inversão de fase para gerar gotículas uniformes de alta viscosidade em um líquido de baixa viscosidade. O dispositivo capilar microfluidic tem uma estrutura de fluxo co comum com sua saída, conectando a um tubo mais largo. Alongada gotículas de líquido de baixa viscosidade primeiro são encapsuladas pelo fluido de alta viscosidade na estrutura de fluxo de co. Como as gotas de baixa viscosidade alongadas fluem através da saída, que é tratada para ser molhadas pelo fluido de baixa viscosidade, inversão de fase é então induzida pela adesão das gotas de baixa viscosidade para a ponta da saída, o que resulta no inverso subsequente encapsulamento do fluido de alta viscosidade. O tamanho de gotas alta viscosidade resultantes pode ser ajustado alterando a relação de taxa de fluxo do fluido de baixa viscosidade para o fluido de alta viscosidade. Vamos demonstrar vários exemplos típicos da geração de gotículas de alta viscosidade com uma viscosidade até 11,9 Pas, tais como solução de glicerol, mel, amido e polímero. O método fornece uma abordagem simples e direta para gerar monodisperso gotículas de alta viscosidade, que podem ser usadas em uma variedade de aplicações baseadas em gotículas, como síntese de materiais, administração de medicamentos, ensaio de células, bioengenharia e comida de engenharia.

Introduction

A geração de gotículas está se tornando uma tecnologia-chave em uma variedade de aplicações, tais como a entrega da droga, síntese de materiais, bioprinting 3D, ensaios de célula e comida engenharia1,2,3,4 , 5 , 6. dispositivos microfluídicos com entroncamento7,8, co1,9de fluxo, ou fluxo de focagem10,11 estruturas são amplamente utilizadas para gerar monodisperso gotículas de emulsão simples. Seleção de uma fase contínua mais viscosa irá facilitar a formação de gotículas12e as viscosidades de ambos os fluidos, contínuas e dispersas são comumente inferiores a 0,1 Pas em gotículas microfluídica13. No entanto, em muitas aplicações, a fase dispersa pode ter uma viscosidade várias centenas de vezes superior da água, tais como o glicerol14, soluções contendo nanopartículas15, proteínas16ou polímeros17 , 18 , 19, apesar de ser difícil conseguir monodisperso gotas diretamente de fluidos de alta viscosidade em um estábulo pingando regime11 em dispositivos microfluídicos, especialmente para os líquidos com uma viscosidade η > 1 Pa · s14 ,17,18,19. Além disso, tem sido relatado13,18 que métodos microfluidic típico para a formação de gotículas exigem líquidos com uma viscosidade relativamente baixa e moderada tensão interfacial para formar gotículas uniformes em um gotejamento estável regime.

Para uma fase dispersa com uma viscosidade ligeiramente maior do que 0,1 Pas, existem várias abordagens possíveis para facilitar a formação de gotículas com entroncamento típico, co fluxo ou fluxo de focagem microfluidic dispositivos: (1) diminuição da viscosidade do dispersos fase, diluindo-a em um solvente volátil11,20; (2) diminuir a relação de viscosidade dispersos-para-contínua aumentando a viscosidade da fase contínua1,11; (3) diminua a taxa de fluxo da fase dispersa a um valor extremamente baixo, mantendo um alto fluxo contínuo de-dispersa taxa relação 14,19. No entanto, essas abordagens não são práticas para líquidos com viscosidade muito maior, como eles abaixarão significativamente a taxa de produção enquanto a elevar drasticamente o consumo de solvente volátil ou a fase contínua. Além disso, tem sido relatado que algumas soluções de polímero de alta viscosidade com η > 1 Pa · s ainda não quebraram em gotas com abordagens mencionadas acima de17,19.

Existem também diversos projetos de melhoria de dispositivos microfluídicos que introduzir uma terceira fase de fluido no sistema, que facilita a geração de gotículas de alta viscosidade. As inovações incluem: bolhas introduzidas para cortar um segmento jorrando gotas21, um líquido imiscível parentes com viscosidade moderada, introduzido como fase intermediária entre a fase de dipsersed e a fase contínua18, e microreactors introduzido para gerar gotículas de alta viscosidade de dois precursores de baixa viscosidade21,22,23. No entanto, como um fluido mais está envolvido no processo, o sistema torna-se mais complicado, e os dispositivos normalmente trabalham em um regime de fluxo muito mais estreito do que os dispositivos típicos para a geração de gotículas de emulsão simples.

Para gerar monodisperso gotas diretamente de um fluido de alta viscosidade com η > 1 Pa · s, métodos de superfície controlada fase-inversão tem sido investigado24. Como a geração de gotículas de baixa viscosidade é muito mais fácil do que as gotas de alta viscosidade12, alongadas gotículas de baixa viscosidade em uma fase contínua de alta viscosidade são geradas pela primeira vez usando uma estrutura de fluxo típico de co e então terminaram devido para a mudança de superfície molhabilidade a jusante da estrutura de fluxo de co. O fluido de baixa viscosidade lançado inversamente encapsula o fluido de alta viscosidade a jusante em gotas para que a inversão de fase está concluída. De acordo com o mecanismo de inversão de fase, gotículas de alta viscosidade monodisperso podem ser geradas com base em um dispositivo de fluxo típico de co, enquanto a saída do dispositivo co fluxo é tratada para ser molhadas pelo fluido de baixa viscosidade e então conectada a um tubo mais largo24 ,25.

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Protocol

1. produzindo um inversão de fase co fluxo capilar dispositivo para observar o processo de geração de gotículas aquosas, alta viscosidade, com um diâmetro de ~ 500 μm.

Nota: O tubo quadrado exterior usado aqui é para tirar imagens do processo de geração das gotas de alta viscosidade. Se não há nenhuma necessidade de tirar fotos, uma versão simplificada do dispositivo pode ser feita de acordo com a etapa do protocolo 2.

  1. Prepare-se três tubos de vidro com tamanhos diferentes para a montagem do dispositivo capilar.
    1. Pegar um tubo de vidro quadrado com um tamanho interno de 1,05 mm e corte um pedaço de tubo de ~ 4 cm de comprimento. Este será o tubo exterior do dispositivo.
    2. Pegar um tubo de vidro redondo com um diâmetro interno (ID) de 580 μm e um diâmetro externo (OD) de 1 mm e corte um pedaço de tubo de ~ 3 cm de comprimento. Este será o meio tubo do dispositivo.
    3. Pegar um tubo de vidro redonda com identificação = 200 μm e O.D. = 330 μm e corte um pedaço de tubo de ~ 2 cm de comprimento. Este será o tubo interno do dispositivo.
  2. Modifica a molhabilidade superficial de uma extremidade do tubo médio para ser hidrofóbico.
    1. Tomar um frasco de vidro de 1 mL e adicionar 0,3 mL de tricloro (octadecil) silano (OTS), dentro do frasco de vidro.
    2. Pegue o tubo médio com carteira de identidade = 580 μm preparadas na etapa de protocolo 1.1.2 e mergulhe uma extremidade do mesmo em OTS no frasco de vidro para ~ 10 s.
    3. Retire o tubo do meio e lavar o tubo com gás de nitrogênio da extremidade não tratada.
  3. Prepare as agulhas para as entradas do dispositivo capilar.
    1. Pegue uma ponta romba de 20g, dispensando a agulha e corte um entalhe com ~0.5 x 0,5 mm na borda do plástico do conector Luer com uma lâmina.
      Nota: Esta agulha servirá como a entrada para a fase de óleo de baixa viscosidade.
    2. Pegue a outra ponta romba 20G dispensação agulha e corte duas ranhuras na borda do plástico conector Luer. Alinhe os dois slots em uma linha que passa o diâmetro do eixo Luer.
      Nota: Um slot tem um tamanho de ~0.5 milímetros x 0,5 mm, enquanto o outro slot tem um tamanho de ~1.0 milímetros x 1,0 mm. Esta agulha vai servir como entrada para a fase aquosa de alta viscosidade.
    3. Pegue a outra ponta romba 20G dispensação agulha e corte duas ranhuras na borda do plástico conector Luer. Alinhe os dois slots em uma linha que passa o diâmetro do eixo Luer.
      Nota: Um slot tem um tamanho de ~1.5 mm x 1,5 mm; enquanto o outro slot tem um tamanho de ~1.0 milímetros x 1,0 mm. Esta agulha vai servir como entrada para fins de limpeza.
  4. Montar o vidro tubos de acordo com Figura 1A.
    1. Leve uma lâmina de vidro regular 7,62 x 2,54 cm como a carcaça do dispositivo capilar.
    2. Colocar o tubo exterior com identificação = 1,05 mm, preparado na etapa de protocolo 1.1.1, sobre a lâmina de vidro com ~ 1 cm, expulsando a borda curta da lâmina de vidro.
    3. Pegue o tubo médio com carteira de identidade = 580 μm, preparado na etapa de protocolo 1.2, insira a extremidade hidrofóbica do tubo médio dentro do tubo exterior da extremidade do slide de vidro e manter ~ 1 cm do tubo médio fora o tubo exterior.
    4. Pegue o tubo interno com identificação = 200 μm, preparado na etapa de protocolo 1.1.3, insira uma extremidade do tubo interior do tubo médio e manter ~ 1 cm do tubo interior do lado de fora do tubo médio.
    5. Use cola epóxi para corrigir os três tubos em posição ao longo da linha central da lâmina de vidro. Então espere ~ 5 min ou mais tempo para a cola solidificar completamente.
  5. Monte as entradas no dispositivo capilar.
    1. A agulha da entrada para a fase de óleo de baixa viscosidade, preparado na etapa de protocolo 1.3.1 e deixarei o conector Luer cobrir a extremidade do tubo interior no substrato e em seguida, use cola epóxi para fixar o conector Luer no substrato.
    2. A agulha da entrada para a fase aquosa de alta viscosidade, preparada na etapa de protocolo 1.3.2 e deixarei o conector Luer cobrir a junção entre o tubo interno e o meio do tubo e em seguida, use cola epóxi para fixar o conector Luer sobre o substrato.
    3. Tire a agulha da entrada, preparada na etapa de protocolo 1.3.3 e, para a limpeza, deixe o conector Luer cobrir a junção entre o tubo médio e o tubo exterior e em seguida, use cola epóxi para fixar o conector Luer no substrato.
    4. Espere ~ 5 min ou mais tempo para a cola solidificar completamente.
    5. Use cola epóxi para selar os hubs Luer das agulhas no substrato.
  6. Espere ~ 30 min ou mais tempo para a cola solidificar completamente, e em seguida, o dispositivo está pronto para usar.

2. faça uma inversão de fase, co fluxo capilar dispositivo para fabricar aquosas gotículas de alta viscosidade, com um diâmetro de ~ 500 μm.

Nota: O dispositivo feito aqui é uma versão simplificada do dispositivo na etapa do protocolo 1.

  1. Prepare-se dois tubos de vidro com tamanhos diferentes para a montagem do dispositivo capilar.
    1. Pegar um tubo de vidro redonda com identificação = 580 μm e O.D. = 1 mm e corte um pedaço de tubo com ~ 3 cm de comprimento. Este será o meio tubo do dispositivo.
    2. Pegar um tubo de vidro redonda com identificação = 200 μm e O.D. = 330 μm e cortar um pedaço do tubo com ~ 2 cm de comprimento. Este será o tubo interno do dispositivo.
  2. Modifica a molhabilidade superficial de uma extremidade do tubo médio para ser hidrofóbico.
    1. Adicione 0,3 mL de OTS dentro de um frasco de vidro de 1 mL.
    2. Pegue o tubo médio com carteira de identidade = 580 μm, preparado na etapa de protocolo 2.1.1 e mergulhe uma extremidade do mesmo em OTS no frasco de vidro para ~ 10 s.
    3. Retire o tubo médio e em seguida lavar o tubo com gás de nitrogênio da extremidade não tratada.
  3. Prepare as agulhas para as entradas do dispositivo capilar.
    1. Prepare uma ponta romba de 20g, dispensando a agulha, que servirá como a entrada para a fase de óleo de baixa viscosidade. Em seguida, corte um entalhe de ~0.5 milímetros x 0,5 mm com uma lâmina na borda do plástico do conector Luer.
    2. Pegue a outra ponta romba 20G dispensação agulha e corte duas ranhuras na borda do plástico conector Luer. Alinhe os dois slots em uma linha que passa o diâmetro do eixo Luer.
      Nota: Um slot tem um tamanho de ~0.5 milímetros x 0,5 mm, enquanto o outro slot tem um tamanho de ~1.0 milímetros x 1,0 mm. Esta segunda agulha vai servir como entrada para a fase aquosa de alta viscosidade.
  4. Montar o vidro tubos de acordo com Figura 1A .
    1. Leve uma lâmina de vidro regular 7,62 x 2,54 cm como a carcaça do dispositivo capilar.
    2. Colocar o tubo médio com carteira de identidade = 580 μm, preparado na etapa de protocolo 2.2, sobre a lâmina de vidro com extremidade hidrofóbica expulsando ~ 1 cm sobre a borda curta da lâmina de vidro.
    3. Pegue o tubo interno com identificação = 200 μm, preparado na etapa de protocolo 2.1.2, insira uma extremidade do tubo interior do tubo médio da extremidade não tratado sobre a lâmina de vidro e manter ~ 1 cm do tubo interior do lado de fora do tubo médio.
    4. Use cola epóxi para corrigir os dois tubos na posição ao longo da linha central da lâmina de vidro.
    5. Espere por ~ 5 min ou mais a cola solidificar completamente.
  5. Monte as entradas no dispositivo capilar.
    1. A agulha da entrada para a fase de óleo de baixa viscosidade, preparado na etapa de protocolo 2.3.1 e deixarei o conector Luer cobrir a extremidade do tubo interior no substrato e em seguida, use cola epóxi para fixar o conector Luer no substrato.
    2. A agulha da entrada para a fase aquosa de alta viscosidade, preparada na etapa de protocolo 2.3.2 e deixarei o conector Luer cobrir a junção entre o tubo interno e o meio do tubo e em seguida, use cola epóxi para fixar o conector Luer no substrato.
      Nota: A outra extremidade do tubo médio é a saída do dispositivo.
    3. Espere ~ 5 min ou mais tempo para a cola solidificar completamente.
    4. Use cola epóxi para selar os hubs Luer das agulhas no substrato.
  6. Espere ~ 30 min ou mais tempo para a cola solidificar completamente.
  7. Conecte a extremidade livre do tubo médio com a tubagem de saída, i. e., tubos de polietileno com identificação = 0,86 mm e 20 mm de comprimento.
    Nota: A ligeira deformação do tubo exterior irá garantir o selo da conexão, para que não cola é necessária aqui. A tubagem de saída atua como um mais largo tubo exterior para a inversão de fase. Neste ponto, o dispositivo está pronto para usar.

3. Faça inversão de fase co fluxo capilar dispositivo para observar o processo de geração de gotículas de alta viscosidade aquosas de ~ 200 μm de diâmetro.

Nota: O dispositivo feito aqui é uma versão menor do dispositivo da etapa do protocolo 1 tornar gotículas menores.

  1. Prepare-se três tubos de vidro com tamanhos diferentes para a montagem do dispositivo capilar.
    1. Pegar um tubo de vidro quadrado com identificação = 400 μm e corte um pedaço de tubo de ~ 4 cm de comprimento, que será o tubo exterior do dispositivo.
    2. Pegar um tubo de vidro redonda com identificação = 200 μm e O.D. = 330 μm e corte um pedaço de tubo de ~ 3 cm de comprimento, que será o meio tubo do dispositivo.
    3. Pegar um tubo de vidro redonda com identificação = 100 μm e O.D. = 170 μm e corte um pedaço de tubo de ~ 2 cm de comprimento, que será o tubo interno do dispositivo.
  2. Modifica a molhabilidade superficial de uma extremidade do tubo médio para ser hidrofóbico.
    1. Tomar um frasco de vidro de 1 mL e adicionar 0,3 mL de OTS num frasco de vidro.
    2. Pegue o tubo médio com carteira de identidade = 200 μm, preparado na etapa de protocolo 3.1.2 e mergulhe uma extremidade do mesmo em OTS no frasco de vidro para ~ 10 s.
    3. Retire o tubo médio e em seguida lavar o tubo com gás de nitrogênio da extremidade não tratada.
  3. Prepare as agulhas para as entradas do dispositivo capilar.
    1. Prepare uma ponta romba de 20g, dispensando a agulha, que servirá como a entrada para a fase de óleo de baixa viscosidade. Em seguida, com uma lâmina, corte um slot ~0.2 milímetros x 0,2 mm na borda do plástico do conector Luer.
    2. Prepare outra ponta romba 20G dispensação agulha e corte duas ranhuras na borda do plástico do conector Luer. Alinhe os dois slots em uma linha que passa o diâmetro do eixo Luer.
      Nota: Um slot tem um tamanho de ~0.2 mm x 0,2 mm, enquanto o outro slot tem um tamanho de ~0.4 milímetros x 0,4 mm. Esta segunda agulha vai servir como entrada para a fase aquosa de alta viscosidade.
    3. Pegue a outra ponta romba 20G dispensação agulha e corte duas ranhuras na borda do plástico conector Luer. Os dois slots são alinhadas em uma linha que passa o diâmetro do eixo Luer.
      Nota: Um slot tem um tamanho de ~0.8 mm x 0,8 mm, enquanto o outro slot tem um tamanho de ~0.4 milímetros x 0,4 mm. Esta terceira agulha irá servir como uma entrada para fins de limpeza.
  4. Siga os passos do protocolo 1.4-1.6 para terminar o dispositivo, usando os tubos de vidro, preparados na etapa de protocolo 3.1 em vez daqueles preparados no protocolo passo 1.1 e as agulhas preparadas na etapa de protocolo 3.3 em vez daqueles preparados na etapa de protocolo 1.3.

4. observar a geração de gotículas de glicerol em parafina líquida

Nota: Para tirar as imagens mostradas nas figuras 1B - D, use o dispositivo preparado na etapa do protocolo 1; para a tomada de imagens mostradas na Figura 3, use o dispositivo preparado na etapa do protocolo 3.

  1. Prepare soluções para ser usado no experimento.
    1. Use o glicerol como fase aquosa de alta viscosidade e adicione 0,5 w.t.% O azul de toluidina para tingi-lo azul.
    2. Uso parafina líquida como a fase de óleo de baixa viscosidade e adicionar 1% TM Span 80 nele como surfactante.
  2. Prepare três seringas de 1 mL e três bombas de seringa.
    Nota: Três seringas para os líquidos preparados no protocolo passo 4.1: um para injetar o glicerol de alta viscosidade, preparada na etapa de protocolo 4.1.1 e os outros dois para injetar a parafina líquida de baixa viscosidade, preparada na etapa de protocolo 4.1.2, respectivamente.
    1. Conecte a seringa contendo glicerol para a entrada no tubo médio.
    2. Conecte uma seringa contendo parafina líquida para a entrada do tubo interior, enquanto se conecta a outra entrada para fins de limpeza.
  3. Coloque o dispositivo preparado na etapa do protocolo 1 em um microscópio invertido e coloque um pedaço de um Kimwipe baixo da saída do tubo exterior para absorver o líquido vazou.
    Cuidado: Não permita que o vazamento de fluido fora da área de Kimwipe.
  4. Defina as taxas de fluxo das bombas de seringa.
    Nota: Use a bomba de seringa conectada ao tubo exterior para fins de limpeza, quando há bolhas presas ou gotas em torno da saída do tubo central. Caso contrário, deixe a bomba parada.
    1. Definir a taxa de fluxo de injeção de glicerol ao tubo de meio de Qw = 10 µ l/min.
    2. Definir a taxa de fluxo de injeção de parafina líquida para o tubo interno do Qo = 30 µ l/min.
    3. Execute as duas bombas para gerar gotículas de glicerol.
  5. Espere por ~0.5 min até os fluxos são estabilizados e as gotas de glicerol são uniformemente geradas nas saídas do tubo médio. Em seguida, tome a vídeos ou imagens do processo de geração de gotículas.
    Nota: Imagens em figuras 1B-C pode ser tomada utilizando o dispositivo preparado na etapa do protocolo 1, enquanto imagens na Figura 3A seja possível usando o dispositivo preparado na etapa do protocolo 3. Pare todas as bombas, assim como vídeos ou imagens são tomadas e levem o aparelho desligado o microscópio imediatamente.
  6. Prepare-se para recolher as gotas de alta viscosidade.
    1. O dispositivo em um plano vertical com a saída apontada para baixo e colocar uma placa de Petri baixo da saída. Use fita para fixar o dispositivo com saída de ~ 2 mm acima do fundo da caixa de Petri.
    2. Despeje a parafina líquida preparada na etapa de protocolo 4.1.2 para o prato de petri e apenas mergulhe a saída do dispositivo.
  7. Executar os dois seringa bombas novamente no Qw = 10 µ l/min e Qó = 30 µ l/min e recolher as gotas de glicerol na prato de petri.
    Nota: Espere por ~ 1 min até que os fluxos são estabilizados e as gotas de glicerol são uniformemente geradas nas saídas do tubo exterior, a imagem das gotas na caixa de Petri pode ser tomada, como mostrado na Figura 1 para o dispositivo preparado no protocolo 1 , ou Figura 3B para o dispositivo preparado na etapa do protocolo 3.

5. gerar e recolher as gotas de glicerol em parafina líquida com o dispositivo simplificado preparado na etapa 2.

Nota: Este é para a tomada de imagens das gotas de glicerol geradas sob relação de taxa de fluxo diferente do Qo/Q,we medindo o correspondente tamanho variação das gotas para os pontos de dados na Figura 2.

  1. Prepare soluções para ser usado no experimento seguindo passo protocolo 4.1.
  2. Prepare duas seringas de 1 mL e duas bombas de seringa.
    Nota: Duas seringas para os líquidos preparados no protocolo passo 4.1: um para injetar o glicerol de alta viscosidade, preparado no protocolo passo 4.1.1 e o outro para injetar a parafina líquida de baixa viscosidade, preparada na etapa de protocolo 4.1.2, respectivamente.
    1. Conecte a seringa contendo glicerol 0,8 mL para a entrada no tubo médio.
    2. Conecte a seringa contendo parafina líquida de 0,8 mL para a entrada do tubo interior.
  3. Prepare-se para recolher as gotas de alta viscosidade.
    1. O dispositivo em um plano vertical com a saída apontada para baixo e colocar um prato de Petri baixo da saída de 35mm. Use fita para fixar o dispositivo com saída de ~ 2 mm acima do fundo da caixa de Petri.
    2. Despeje a parafina líquida preparada na etapa de protocolo 4.1.2 para o prato de petri e apenas mergulhe a saída do dispositivo.
  4. Defina as taxas de fluxo das bombas de seringa.
    Nota: Para cada relação de taxa de fluxo na Figura 2, fixar a taxa de fluxo do glicerol Qw = 2 µ l/min, aumentando a taxa de fluxo de parafina líquida Qó para valores diferentes de acordo com os rácios de taxa de fluxo necessária de Q o/Qw. Para cada relação de taxa de fluxo, espere ~ 1 min até os fluxos são estabilizados e gotas de glicerol uniforme são coletadas na caixa de Petri e, em seguida, levar imagens de gotas.
    1. Definir a taxa de fluxo do glicerol injetada no tubo de meio de Q,w = 2 µ l/min.
    2. Definir a taxa de fluxo de parafina líquida, injectada o tubo interno do Qo = 6 µ l/min.
    3. Execute as duas bombas para gerar gotículas de glicerol.
      Nota: O processo de geração de gotas pode ser diretamente observado com uma câmera de celular ou uma câmera digital montada sobre um tripé.
  5. Espere ~ 1 min até os fluxos são estabilizados e mudam uma nova placa de Petri para recolher as gotas de glicerol uniforme.

6. gere outras gotas de alta viscosidade em parafina líquida, usando o dispositivo de fluxo de co de inversão de fase.

Nota: Este é para as imagens na Figura 4. Toda a fase de óleo de baixa viscosidade utilizada nos experimentos é o mesmo que usou na etapa de protocolo 4.1.2.

  1. Use mel puro como a fase aquosa de alta viscosidade para Figura 4A.
  2. Prepare a solução de amido w.t.% 6 para Figura 4B.
    Atenção: Utilize um frasco de mídia de vidro de alta temperatura adequada e um boné de alta temperatura. Use luvas resistentes ao calor.
    1. Adicionar 47 g de água em um frasco de mídia de vidro de 100 mL e colocar uma barra de agitação na garrafa.
    2. Coloque a garrafa em um banho de água e regule a temperatura para 100 ° C.
    3. Adicionar 3 g de pó de amido na água quente, após o banho de água atinge 100 ° C.
    4. Cubra a tampa da garrafa e continue mexendo para ~ 4 h até que a solução é clara.
    5. Espere até que a solução esfria a temperatura ambiente antes do uso.
  3. Prepare-se 10 w.t.% PVA-124 solução para Figura 4.
    Atenção: Utilize um frasco de mídia de vidro de alta temperatura adequada e um boné de alta temperatura. Use luvas resistentes ao calor.
    1. Adicionar 45 g de água em um frasco de mídia de vidro de 100 mL e colocar uma barra de agitação na garrafa.
    2. Coloque a garrafa em um banho de água e definir a temperatura de 70 ° C.
    3. Adicionar 5 g de pó de PVA-124 para a garrafa após o banho de água chega a 70 ° C.
    4. Cubra a tampa da garrafa e continue mexendo para ~ 1 h até que a solução é clara.
    5. Espere até que a solução esfria a temperatura ambiente antes do uso.
  4. Gere gotículas de alta viscosidade em parafina líquida.
    1. Siga o protocolo passo 5 usando os fluidos de alta viscosidade, preparados na etapa 6.1-6.3, em vez do glicerol na etapa de protocolo 5.
    2. Use as configurações de taxa de fluxo do Qw = 1 µ l/min e Qo = 5 µ l/min para Figura 4.

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Representative Results

Um dispositivo capilar microfluidic com uma inversão de fase, estrutura de fluxo de co foi projetado para gerar monodisperso aquosa gotículas de alta viscosidade, como mostrado na figura 1A. Na Figura 1, a fase aquosa de alta viscosidade foi o glicerol, que tem uma viscosidade ηw = 1,4 Pas; a fase de óleo de baixa viscosidade foi parafina líquida, que tem uma viscosidade ηó = 0,029 Pas; a tensão superficial entre as duas fases foi γ = 27,7 mN/m. No tubo do meio, gotículas de óleo alongada podem ser encapsuladas pelo glicerol em um gotejamento bem controlados modo9,13, porque a viscosidade do glicerol é muito maior do que a de parafina líquida e os números capilares, Ca , de ambas as fases são tão baixos quanto 10-4- 10-2, onde Ca = ηU/γ, U = Q/A é a velocidade média do fluido, e A é a área da Cruz seção do canal. Como as gotículas de óleo alongada fluíam fora a saída do tubo médio em um tubo exterior mais amplo, como mostrado na figura 1B, as gotículas de óleo quebrou na ponta do tubo médio hidrofóbica e inversamente encapsulado a tampa a jusante do glicerol, para que gotas de glicerol de alta viscosidade foram obtidas, como mostrado na Figura 1. Enquanto o tamanho da gota e a distância entre quaisquer dois gotículas de óleo adjacentes são mantidos inalterados, as gotas de glicerol formado será monodisperso24,25. As imagens na figura 1B-C foram obtidas usando o dispositivo de etapa 1 e o seguinte protocolo experimental etapa 4. As gotas de glicerol geradas no Qó = 30 uL/min e Qw = 10 uL/min são mostrados na Figura 1, onde as gotas tinham um diâmetro médio de 521 μm e o coeficiente de variação (CV) do tamanho da gota, definido como o desvio-padrão dividido pelo tamanho da gota média, foi CV = 0,9%, o que indica as gotas eram monodisperso.

O tamanho de gotas a alta viscosidade pode ser ajustado alterando a taxa de fluxo rácios Qó/Qw com um fixo Qw. Um conjunto de resultados experimentais típicos, obtidos a partir dos experimentos seguindo passo protocolo 5 com o dispositivo de etapa do protocolo 2, é mostrado na Figura 2. Como Qw foi corrigido, o tamanho das gotas diminui com o aumento do Qo. Aumentando ainda mais a relação de taxa de fluxo pode ter rendimento de gotículas menores, no entanto a fração de volume de gotas que diminuíram em conformidade e lá teria sido um aumento dramático da chatice total e a pressão interna dentro dos dispositivos. Portanto, dentro do intervalo de relação de taxa de fluxo na Figura 2, o tamanho da gota era comparável com o diâmetro interno do tubo médio.

O tamanho das gotas pode ser diminuído ainda mais quando é utilizado um dispositivo com tubos menores. Os resultados experimentais típicos, seguindo o passo do protocolo 4 com o dispositivo da etapa do protocolo 3, são mostrados na Figura 3, onde o tubo médio tinha uma carteira de identidade = 200 μm.

O mesmo dispositivo da etapa de protocolo 2 pode ser usado para gerar monodisperso gotículas de vários fluidos de alta viscosidade, que têm viscosidades superiores ao glicerol. Resultados típicos de monodisperso gotas de mel (11 Pas), solução de amido (8,5 Pas) e solução de polímero (2,5 Pas) são mostrados na Figura 4. A preparação dos fluidos na Figura 4 é detalhada na etapa de protocolo 6.

Figure 1
Figura 1: geração de gotas de glicerol de alta viscosidade em parafina líquida de baixa viscosidade usando o dispositivo de fase-inversão de fluxo co. (A) diagrama esquemático dos dispositivos de fluxo co de inversão de fase. (B), a observação da geração de gotas de óleo-em-glicerol glicerol fluxo de lesma no tubo médio à emulsão único glicerol em óleo no tubo exterior. (C) tempo imagens da sequência do processo de inversão de fase. (D) as gotas de glicerol monodisperso e a distribuição de tamanho de gotas. O diâmetro médio das gotas é 521 μm e CV = 0,9%. Reproduzido com permissão da [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. As barras de escala são 500 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: variação do tamanho da gota com a mudança da relação de taxa de fluxo QO/QW enquanto QW = 2 µ l/min. Para cada ponto de dados, medem-se 30 gotas e o diâmetro médio é relatado. Como as barras de erro, o desvio-padrão são menores do que o símbolo usado na trama, eles não são mostrados aqui. Reproduzido com permissão da [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: gotículas menores de glicerol geradas a partir do dispositivo com o tubo de meio de identificação = 200 μm. (A) a observação da geração de gotas de glicerol no tubo exterior do dispositivo. (B), o glicerol monodisperso resultante de gotas com diâmetro médio de 212 μm e CV = 1,9%. Reproduzido com permissão da [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. As barras de escala são 200 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: exemplos típicos de gotículas de alta viscosidade, geradas a partir de diferentes soluções. Reproduzido com permissão da [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. (A) mel gotas com diâmetro médio de 612 μm e CV = 0,7%. (B) amido gotas com diâmetro médio de 600 μm e CV = 0,9%, (C) PVA-124 gotículas de polímero com um diâmetro médio de 773 μm e CV = 0,7%. Todos os bares de escala são 1,0 mm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

O dispositivo de fase-inversão de fluxo co fornece um método simples e direto para a frente para gerar monodisperso gotículas de alta viscosidade. Este dispositivo tem uma estrutura similar aos dispositivos de fluxo co comum, como a estrutura de fluxo de co básico consiste de um tubo interno inserido no tubo do meio, a saída dos quais está ligada ao tubo de saída. No entanto, existem duas diferenças principais entre o dispositivo de fluxo de co de inversão de fase e o dispositivo de fluxo co comum para a geração de gotículas de alta viscosidade com uma viscosidade η > 1 Pa · s.

Primeiro, em dispositivos de fluxo co comum, um tubo interno com uma ponta afunilada é usado, enquanto um reta do tubo interno pode ser usado em dispositivos de fluxo co a inversão de fase. A ponta cónica geralmente tem identificação = 20 μm e O.D. = 30 μm81,, para que um puxador de pipeta é geralmente necessário para fazer a ponta cónica. No dispositivo de fluxo de co de inversão de fase, uma rodada de tubo de vidro com ID = 100-200 μm pode ser usado diretamente sem ser afilado.

Em segundo lugar, em comum dispositivos de fluxo de co, um fluido de alta viscosidade é injetado o tubo interno para ser encapsulado pelo líquido de baixa viscosidade; enquanto em dispositivos de fluxo co de inversão de fase, um fluido de baixa viscosidade é injetado o tubo interno para ser encapsulada por um fluido de alta viscosidade, que é muito mais fácil de perceber. Por exemplo, quando utilizamos um dispositivo co fluxo comum para gerar gotículas de glicerol em parafina líquida, a relação de taxa de fluxo Qó/Qw deve ser pelo menos 25 para realizar um bem controlados pingando de modo, que resulta em uma fração de volume das gotas de glicerol não superiores a 4%. Pelo contrário, nos dispositivos de fluxo co de inversão de fase, o fluxo taxa de relação Qó/Qw pode ser tão baixa quanto 2.5 para perceber um modo pingando bem controlados, portanto, uma fração de volume de 28% de gotas de glicerol pode ser realizada.

No dispositivo de fluxo de co de inversão de fase, a inversão de fase é induzida pela separação da gota de óleo alongada na saída do tubo médio hidrofóbica. Portanto, o tratamento de superfície molhabilidade da saída do tubo médio é uma etapa crítica para o método de inversão de fase, onde a saída do tubo médio deve ser tratada para ser molhadas por fase de baixa viscosidade para induzir a inversão de fase. Além disso, há uma taxa de fluxo crítico, acima do qual as gotículas de óleo alongada serão não a separação e a fase de inversão posteriormente não ocorrerá24. Quando as gotas de óleo não separação na saída hidrofóbica, diminuir as taxas de fluxo de ambos os fluidos com uma relação de taxa de fluxo fixo, até que as gotículas de óleo alongada quebrar e induzem a inversão de fase. Além disso, se tanto o fluido de alta viscosidade e o fluido de baixa viscosidade tem molhabilidade semelhante na superfície tratada, o método de inversão de fase seria inválido.

Embora nós fornecemos somente os protocolos e exemplos para a geração de gotículas de alta viscosidade aquosas neste trabalho, o dispositivo de fluxo de co de inversão de fase também pode ser usado para gerar gotículas de óleo de alta viscosidade em soluções aquosas de baixa viscosidade,23. Em tal dispositivo, o montante do tubo médio precisa ser tratada para ser molhadas por fase de alta viscosidade, enquanto a saída do tubo médio precisa ser tratada para ser molhadas por fase de baixa viscosidade. O dispositivo de fase-inversão de fluxo co fornece um método simples para encapsular fluidos de alta viscosidade, de uma forma bem controlada em rápido desenvolvimento de aplicativos baseados em gotículas.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de ciências naturais da China (n. 51420105006 e 51322501). Agradecemos o Daniel por sua discussão útil sobre as ideias de alta viscosidade.

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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