Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Fabricera High-viscosity droppar använder mikroflödessystem kapillär enhet med fas-inversion samtidig flöde struktur

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 fas-inversion samtidig flöde enhet demonstreras för att generera monodisperse high-viscosity droppar ovan 1 Pas, vilket är svårt att realisera i droplet-mikrofluidik.

Abstract

Generering av monodisperse droppar med hög viskositet har alltid varit en utmaning i droplet-mikrofluidik. Här visar vi en fas-inversion samtidig flöde enhet för att skapa enhetliga high-viscosity droppar i en låg viskositet vätska. Mikroflödessystem kapillär enheten har en gemensam samtidig flöde struktur med dess utgång som ansluter till ett större rör. Långsträckt droppar av låg viskositet vätskan kapslas först av hög viskositet vätskan i strukturen samtidig flöde. Som långsträckt låg viskositet droppar flöda genom utloppet, som behandlas att vara fuktad av låg viskositet vätskan, framkallas fas inversion sedan av adhesionen av låg viskositet droppar till spetsen av avfarten, vilket resulterar i efterföljande inversen inkapsling av hög viskositet vätskan. Storleken på de resulterande hög viskositet dropparna kan justeras genom att ändra flödet klassar förhållandet av låg viskositet vätskan till hög viskositet vätskan. Vi visar flera typiska exempel på generering av high-viscosity droppar med en viskositet upp till 11,9 Pas, såsom glycerol, honung, stärkelse och polymer lösning. Metoden ger en enkel och okomplicerad metod för att generera monodisperse high-viscosity droppar, som kan användas i en mängd olika droplet-baserade applikationer, såsom material syntes, drug delivery, cell assay, bioteknik och mat Engineering.

Introduction

Generationen av droppar blir en nyckel-teknologi i en mängd olika applikationer, såsom läkemedel, material syntes, 3D bioprinting, cell analyser och mat engineering1,2,3,4 , 5 , 6. mikroflödessystem enheter med t-korsning7,8, Co flow1,9, eller flöde-fokus10,11 strukturer ofta används för att generera monodisperse enda emulsion droppar. Urval av en mer trögflytande kontinuerlig fas kommer att underlätta bildandet av droppar12, och viskositeter av både kontinuerliga och spridda vätskorna är vanligen under 0.1 Pas i droplet-mikrofluidik13. I många applikationer, kan den spridda fasen dock ha en viskositet flera hundra gånger högre än vatten, såsom glycerol14, lösningar som innehåller nanopartiklar15, proteiner16eller polymerer17 , 18 , 19, medan det är svårt att uppnå monodisperse droppar direkt från hög viskositet vätskor i en stabil droppande regimen11 i ultrakalla enheter, särskilt för vätskor med en viskositet av η > 1 Pa·s14 ,17,18,19. Dessutom har det varit rapporterade13,18 att typiska mikroflödessystem metoder för droplet bildandet kräver vätskor med en relativt låg viskositet och måttlig gränsskiktsspänning bildar enhetliga droppar i en stabil droppande regimen.

För en spridda fas med en viskositet som är något större än 0,1 Pas, finns det flera möjliga metoder att underlätta droplet bildandet med typiska t-korsning, samtidig flöde eller flödet-fokus mikroflödessystem enheter: (1) minska viskositeten hos den spridda fas genom att späda ut den i en flyktiga lösningsmedel11,20; (2) minskning spridda-till-kontinuerlig viskositet förhållandet genom att öka viskositeten av kontinuerlig fas1,11; (3) minska flödet av den spridda fasen till ett extremt lågt värde, samtidigt hålla en hög kontinuerlig--spridda flödet klassar baserat på 14,19. Dessa metoder är dock inte praktiskt för vätskor med mycket högre viskositet, som de kommer att avsevärt sänka produktionstakten samtidigt dramatiskt höja konsumtionen av flyktiga lösningsmedel eller den kontinuerliga fasen. I addtion, har det rapporterats att vissa hög viskositet polymerlösningar med η > 1 Pa·s fortfarande inte bryta i små droppar med de metoder som nämns ovan17,19.

Det finns också flera förbättrade mönster mikroflödessystem enheter som införa en tredje fas av vätska i systemet, vilket underlättar generationen av high-viscosity droppar. Nyheter inkluderar: bubblor infördes för att skära en jetting tråd i droppar21, en blandbara chaperoning vätska med måttlig viskositet, infördes som den mellersta fasen mellan den dipsersed fasen och kontinuerlig fas18, och microreactors infördes för att generera hög viskositet droppar från två låg viskositet prekursorer21,22,23. Men som ett mer vätska är inblandat i processen, systemet blir mer komplicerade och enheterna arbetar oftast i en mycket smalare flöde regim än de typiska enheterna för generering av enda emulsion droppar.

Att generera monodisperse droppar direkt från en hög viskositet vätska med η > 1 Pa·s, surface-kontrollerade fas-inversion metoder har varit undersökt24. Generering av låg viskositet droppar är mycket lättare än high-viscosity droppar12, långsträckt låg viskositet droppar i en high-viscosity kontinuerlig fas genereras först med hjälp av en typisk samtidig flöde struktur, och sedan bryts upp vederbörlig till ändringen av surface Vätbarheten nedströms samtidig flöde struktur. Släppta låg viskositet vätskan kapslar omvänt nedströms hög viskositet vätskan i små droppar så att fasen inversion är klar. Enligt fas inversion mekanismen, kan monodisperse high-viscosity droppar genereras utifrån en typisk samtidig flöde enhet, medan avfarten på samtidig flöde enheten är behandlad för att vara fuktad av låg viskositet vätskan, och sedan ansluts till en bredare tube24 ,25.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. producera en fas-Inversion samtidig flöde kapillär enhet för observation genereringsprocessen av vattenhaltigt, High-Viscosity droppar med en Diameter på ~ 500 μm.

Obs: Fyrkantig yttre röret används här är för att ta bilder av den generation high-viscosity droppar. Om det finns ingen anledning att ta bilder, kan en förenklad version av enheten göras enligt protokollet steg 2.

  1. Förbered tre glasrör med olika storlekar för montering av kapillär enheten.
    1. Ta en fyrkantig glasrör med en inre storlek 1,05 mm och skär en bit av röret ~ 4 cm i längd. Detta kommer att vara det yttersta röret av enheten.
    2. Ta en runda glasrör med en inre diameter (I.D.) 580 μm och en ytterdiameter (OD) 1 mm och skär en bit av röret ~ 3 cm i längd. Detta blir det mellersta röret av enheten.
    3. Ta en runda glasrör med I.D. = 200 μm och OD = 330 μm och skär en bit av röret ~ 2 cm i längd. Detta kommer att vara det inre röret av enheten.
  2. Ändra den ytan Vätbarheten i ena änden av det mellersta röret vara hydrofoba.
    1. Ta en 1 mL injektionsflaska av glas och tillsätt 0,3 mL av triklor (oktadecyl) silan (OTS) i glasflaskan.
    2. Ta mellersta röret med I.D. = 580 μm bereddes i protokollet steg 1.1.2 och Doppa ena änden av det till OTS i glasflaskan för ~ 10 s.
    3. Ta ut det mellersta röret, och spola röret med kvävgas från obehandlade slutet.
  3. Förbereda nålar för öppningarna av kapillär enheten.
    1. Ta en 20G trubbig spets dispensering nål, och skär en slot med ~0.5 mm x 0,5 mm i utkanten av plast Luer navet med blad.
      Obs: Denna nål kommer fungera som inlopp för låg viskositet olja fas.
    2. Ta en annan 20G trubbig spets dispensering nål, och skär två kortplatser på kanten av plast Luer hub. Rikta in de två skårorna i en linje som passerar navet Luer diameter.
      Obs: Ett fack har en storlek på ~0.5 mm x 0,5 mm, medan det andra uttaget har en storlek på ~1.0 mm x 1,0 mm. Denna nål kommer fungera som inlopp för high-viscosity vattenfasen.
    3. Ta en annan 20G trubbig spets dispensering nål, och skär två kortplatser på kanten av plast Luer hub. Rikta in de två skårorna i en linje som passerar navet Luer diameter.
      Obs: Ett fack har en storlek på ~1.5 mm x 1,5 mm; medan det andra uttaget har en storlek på ~1.0 mm x 1,0 mm. Denna nål kommer fungera som inlopp för rengöring ändamål.
  4. Montera glas rör enligt Figur 1A.
    1. Ta en vanlig 7,62 x 2,54 cm glasskiva som substrat för kapillär enheten.
    2. Sätta det yttersta röret med I.D. = 1,05 mm, bereddes i protokollet steg 1.1.1, i glas bilden med ~ 1 cm strängpressning kortsidan av en glasskiva.
    3. Ta mellersta röret med I.D. = 580 μm, bereddes i protokollet steg 1.2, och infoga den hydrofoba delen av den mellersta röret i det yttersta röret från slutet på en glasskiva och hålla ~ 1 cm av mellersta röret utanför yttre röret.
    4. Ta det inre röret med I.D. = 200 μm, bereddes i protokollet steg 1.1.3, och sätt in ena änden av det inre röret i det mellersta röret och hålla ~ 1 cm av det inre röret utanför det mellersta röret.
    5. Använda epoxy lim för att fixa tre rören i position längs mittlinjen av en glasskiva. Sedan vänta ~ 5 min eller längre för limmet att stelna helt.
  5. Montera öppningarna på kapillär enheten.
    1. Ta inloppsnålen för låg viskositet olja fas, bereddes i protokollet steg 1.3.1, och låt navet Luer täcka i slutet av det inre röret på substratet, och sedan använda epoxy lim fixar Luer navet på substratet.
    2. Ta inloppsnålen för high-viscosity vattenfasen, bereddes i protokollet steg 1.3.2, och låt navet Luer täcker korsningen mellan det inre röret och mellersta röret, och sedan använda epoxy lim fixar Luer navet på substratet.
    3. Ta inloppsnålen, bereddes i protokollet steg 1.3.3, och för rengöring, låt navet Luer täcker korsningen mellan mellersta röret och det yttersta röret och sedan använda epoxy lim fixar Luer navet på substratet.
    4. Vänta ~ 5 min eller längre för limmet att stelna helt.
    5. Använd epoxy lim för att täta Luer Naven av nålar på substratet.
  6. Vänta ~ 30 min eller längre för limmet att stelna helt, och sedan enheten är klar att använda.

2. gör en fas-Inversion, samtidig flöde kapillär enhet för fabricera Aqueous High-Viscosity droppar med en Diameter på ~ 500 μm.

Obs: Enheten gjort här är en förenklad version av enheten i protokollet steg 1.

  1. Förbered två glasrör med olika storlekar för montering av kapillär enheten.
    1. Ta en runda glasrör med I.D. = 580 μm och OD = 1 mm och skär en bit av röret med ~ 3 cm i längd. Detta blir det mellersta röret av enheten.
    2. Ta en runda glasrör med I.D. = 200 μm och OD = 330 μm och skär en bit av röret med ~ 2 cm i längd. Detta kommer att vara det inre röret av enheten.
  2. Ändra den ytan Vätbarheten i ena änden av det mellersta röret vara hydrofoba.
    1. Tillsätt 0,3 mL OTS i en 1 mL injektionsflaska av glas.
    2. Ta mellersta röret med I.D. = 580 μm, bereddes i protokollet steg 2.1.1, och Doppa ena änden av det till OTS i glasflaskan för ~ 10 s.
    3. Ta ut det mellersta röret, och sedan spola röret med kvävgas från obehandlade slutet.
  3. Förbereda nålar för öppningarna av kapillär enheten.
    1. Förbereda en 20G trubbig spets dispensering nål, som kommer att fungera som inlopp för låg viskositet olja fas. Sedan, klippa en slot av ~0.5 mm x 0,5 mm med ett blad på kanten av plast Luer navet.
    2. Ta en annan 20G trubbig spets dispensering nål, och skär två kortplatser på kanten av plast Luer hub. Rikta in de två skårorna i en linje som passerar navet Luer diameter.
      Obs: Ett fack har en storlek på ~0.5 mm x 0,5 mm, medan det andra uttaget har en storlek på ~1.0 mm x 1,0 mm. Denna andra nålen kommer att fungera som inlopp för high-viscosity vattenfasen.
  4. Montera glas rör enligt Figur 1A .
    1. Ta en vanlig 7,62 x 2,54 cm glasskiva som substrat för kapillär enheten.
    2. Sätta det mellersta röret med I.D. = 580 μm, bereddes i protokollet steg 2.2, i glas bilden med den hydrofoba änden strängpressning ~ 1 cm över kortsidan av en glasskiva.
    3. Ta det inre röret med I.D. = 200 μm, bereddes i protokollet steg 2.1.2, och sätt in ena änden av det inre röret i det mellersta röret från obehandlade slutet på en glasskiva och hålla ~ 1 cm av det inre röret utanför det mellersta röret.
    4. Använda epoxy lim för att fixa de två slangarna i position längs mittlinjen av en glasskiva.
    5. Vänta för ~ 5 min eller längre för limmet att stelna helt.
  5. Montera öppningarna på kapillär enheten.
    1. Ta inloppsnålen för låg viskositet olja fas, bereddes i protokollet steg 2.3.1 och låt navet Luer täcka i slutet av det inre röret på substratet, och sedan använda epoxy lim fixar Luer navet på substratet.
    2. Ta inloppsnålen för high-viscosity vattenfasen, bereddes i protokollet steg 2.3.2 och låt navet Luer täcker korsningen mellan det inre röret och mellersta röret, och sedan använda epoxy lim fixar Luer navet på substratet.
      Obs: Den andra änden av det mellersta röret är uttaget av enheten.
    3. Vänta ~ 5 min eller längre för limmet att stelna helt.
    4. Använd epoxy lim för att täta Luer Naven av nålar på substratet.
  6. Vänta ~ 30 min eller längre för limmet att stelna helt.
  7. Anslut den fria änden av mellersta röret med utlopp slangen, dvs., polyeten-slang med I.D. = 0,86 mm och ~ 20 mm i längd.
    Obs: Liten deformation av yttre slangen kommer att säkerställa tätning av anslutningen, så att inget lim behövs här. Utlopp slangen fungerar som ett bredare yttre rör för fas inversionen. Vid denna punkt, är enheten klar att använda.

3. göra fas-Inversion samtidig flöde kapillär anordning för att observera genereringsprocessen av vattenhaltigt High-Viscosity droppar med en Diameter på ~ 200 μm.

Obs: Enheten gjort här är en mindre version av enheten av protokollet steg 1 att göra mindre droppar.

  1. Förbered tre glasrör med olika storlekar för montering av kapillär enheten.
    1. Ta en fyrkantig glasrör med I.D. = 400 μm och skär en bit av röret ~ 4 cm i längd, som kommer att vara det yttersta röret av enheten.
    2. Ta en runda glasrör med I.D. = 200 μm och OD = 330 μm och skär en bit av röret ~ 3 cm i längd, som kommer att vara det mellersta röret av enheten.
    3. Ta en runda glasrör med I.D. = 100 μm och OD = 170 μm och skär en bit av röret ~ 2 cm i längd, som kommer att vara det inre röret av enheten.
  2. Ändra den ytan Vätbarheten i ena änden av det mellersta röret vara hydrofoba.
    1. Ta en 1 mL injektionsflaska av glas och tillsätt 0,3 mL OTS i glasflaskan.
    2. Ta mellersta röret med I.D. = 200 μm, bereddes i protokollet steg 3.1.2, och Doppa ena änden av det till OTS i glasflaskan för ~ 10 s.
    3. Ta ut det mellersta röret, och sedan spola röret med kvävgas från obehandlade slutet.
  3. Förbereda nålar för öppningarna av kapillär enheten.
    1. Förbereda en 20G trubbig spets dispensering nål, som kommer att fungera som inlopp för låg viskositet olja fas. Sedan, med blad, skär en slot ~0.2 mm x 0,2 mm i utkanten av plast Luer navet.
    2. Förbereda en annan 20G trubbig spets dispensering nål, och skär två kortplatser på kanten av plast Luer navet. Rikta in de två skårorna i en linje som passerar navet Luer diameter.
      Obs: Ett fack har en storlek på ~0.2 mm x 0,2 mm, medan det andra uttaget har en storlek på ~0.4 mm x 0,4 mm. Denna andra nålen kommer att fungera som inlopp för high-viscosity vattenfasen.
    3. Ta en annan 20G trubbig spets dispensering nål, och skär två kortplatser på kanten av plast Luer hub. De två kortplatserna justeras i en linje som passerar navet Luer diameter.
      Obs: Ett fack har en storlek på ~0.8 mm x 0,8 mm, medan det andra uttaget har en storlek på ~0.4 mm x 0,4 mm. Denna tredje nål kommer att fungera som ett inlopp för rengöring ändamål.
  4. Följ protokollstegen 1.4-1.6 till slut enheten, de glasrör som förberett i protokollet steg 3,1 i stället för de förberedda i protokollet steg 1.1, samt använder nålar bereddes i protokollet steg 3.3 istället för de tillagats i protokollet steg 1.3.

4. att observera generationen av Glycerol droppar i flytande Paraffin

Obs: För att ta bilderna som visas i siffror 1B - D, Använd enheten bereddes i protokollet steg 1; för att ta bilder som visas i figur 3, Använd enheten beredd i protokollet steg 3.

  1. Bered lösningar som ska användas i försöket.
    1. Använd glycerol som high-viscosity vattenfasen och Lägg till 0,5 w.t.% toluidin blå O att färga det blå.
    2. Använda flytande paraffin som fasen låg viskositet olja och Lägg till 1% w.t. Span 80 i det som tensid.
  2. Förbered tre 1 mL sprutor och tre sprutpumpar.
    Obs: Tre sprutor för de vätskor som förberett i protokollet steg 4.1: en för att injicera high-viscosity glycerol, förberedd i protokollet steg 4.1.1 och de andra två för att injicera det flytande paraffin för låg viskositet, bereddes i protokollet steg 4.1.2, respektive.
    1. Anslut sprutan som innehåller glycerol att inloppet till mellersta röret.
    2. Anslut en spruta som innehåller flytande paraffin till öppningen av det inre röret, medan ansluta den andra till inloppet för rengöring ändamål.
  3. Placera enheten bereddes i protokollet steg 1 på ett inverterat Mikroskop och placera en bit av en Kimwipe under utloppet av yttre röret att absorbera den läcka vätskan.
    Varning: Låt inte den vätska läckan utanför området Kimwipe.
  4. Ange sprutpumpar flödesområde.
    Obs: Använd sprutpumpen ansluten till det yttersta röret för rengöring ändamål när det finns fångade bubblor eller droppar runt utloppet av det mellersta röret. Annars bara Låt pumpen stoppas.
    1. Ställa in flödet klassar av glycerol injicera till mellersta röret av Qw = 10 μL/min.
    2. Ställa in flödet klassar av flytande paraffin injicera till det inre röret av Qo = 30 μL/min.
    3. Kör två pumpar för att generera glycerol droppar.
  5. Vänta för ~0.5 min flödena är stabiliserad och glycerol droppar genereras jämnt på utgångarna av mellersta röret. Ta sedan, videor eller bilder av droplet genereringsprocessen.
    Obs: Bilder i siffror 1B-C kan tas använder enheten bereddes i protokollet steg 1, medan bilder i figur 3A kan tas använder enheten beredd i protokollet steg 3. Stoppa alla pumpar så snart videor eller bilder är tagna och ta av enheten mikroskopet rätt bort.
  6. Förbereda för att samla in high-viscosity droppar.
    1. Placera enheten i ett vertikalt plan med utloppet pekade nedåt och sätta en petriskål under utloppet. Använd tejp fixar enheten med utloppet ~ 2 mm över botten av petriskål.
    2. Häll några flytande paraffin som förberett i protokollet steg 4.1.2 i petriskål och bara fördjupa utloppet av enheten.
  7. Kör de två spruta pumpar igen på Qw = 10 μL/min och Qo = 30 μL/min och samla glycerol droppar i petriskål.
    Observera: Vänta ~ 1 min tills flödena är stabiliserad och glycerol droppar genereras jämnt på utgångarna av yttre röret, bilden av droppar i petriskål kan vidtas, som visas i figur 1 d för den enhet som förberett i protokoll 1 , eller figur 3B för den enhet som förberett i protokollet steg 3.

5. skapa och samla Glycerol droppar i flytande Paraffin med förenklade enheten bereddes i steg 2.

Obs: Detta är för att ta bilder av glycerol droppar genereras under olika flöde-kvoten Qo/Qwoch mäta motsvarande storlek variant av droppar för datapunkterna i figur 2.

  1. Bered lösningar som ska användas i försöket genom att följa protokollet steg 4.1.
  2. Förbered två 1 mL sprutor och två sprutpumpar.
    Obs: Två sprutor för de vätskor som förberett i protokollet steg 4.1: en för att injicera high-viscosity glycerol, upprättats i protokollet steg 4.1.1, och den andra för att injicera det flytande paraffin för låg viskositet, bereddes i protokollet steg 4.1.2, respektive.
    1. Anslut sprutan som innehåller 0,8 mL glycerol att inloppet till mellersta röret.
    2. Anslut sprutan som innehåller 0,8 mL flytande paraffin till öppningen av det inre röret.
  3. Förbereda för att samla in high-viscosity droppar.
    1. Placera enheten i ett vertikalt plan med utloppet pekade nedåt och sätta en 35 mm petriskål under utloppet. Använd tejp fixar enheten med utloppet ~ 2 mm över botten av petriskål.
    2. Häll några flytande paraffin som förberett i protokollet steg 4.1.2 i petriskål och bara fördjupa utloppet av enheten.
  4. Ange sprutpumpar flödesområde.
    Obs: För varje flöde-kvoten i figur 2, fixa flödet klassar av glycerol Qw = 2 μL/min, samtidigt öka flödet klassar av flytande paraffin Qo olika värden enligt önskat flöde klassar nyckeltalen av Q o/Qw. För varje flöde-kvoten, vänta ~ 1 min tills flödena är stabiliserad och enhetlig glycerol droppar samlas i petriskål, sedan ta bilder av droppar.
    1. Ställa in flödet klassar av glycerol som injiceras i det mellersta röret av Qw = 2 μL/min.
    2. Ställa in flödet klassar av flytande paraffin injiceras i det inre röret av Qo = 6 μL/min.
    3. Kör två pumpar för att generera glycerol droppar.
      Obs: Genereringsprocessen av droppar kan observeras direkt med en mobiltelefon-kamera, eller en digital kamera monterad på ett stativ.
  5. Vänta ~ 1 min tills flödena stabiliseras, och ändra en ny petriskål för att samla in enhetlig glycerol droppar.

6. generera andra High-Viscosity droppar i flytande Paraffin använder fas-Inversion samtidig flöde enheten.

Obs: Detta är för bilder i figur 4. Alla låg viskositet olja fas används i experiment är samma som används i protokollet steg 4.1.2.

  1. Använda ren honung som high-viscosity vattenfasen för figur 4A.
  2. Blanda 6 w.t.% stärkelsen för figur 4B.
    Varning: Använd en ordentlig hög temperatur media glasflaska och en hög temperatur cap. Använd värmebeständiga handskar.
    1. Lägg till 47 g vatten i en 100 mL glasflaska media och sätta en uppståndelse bar i flaskan.
    2. Placera flaskan i ett vattenbad och Ställ in temperaturen till 100 ° C.
    3. Tillsätt 3 g stärkelse pulver i varmvatten efter vattenbadet når 100 ° C.
    4. Täck locket på flaskan och Håll omrörning för ~ 4 h tills lösningen är klar.
    5. Vänta tills lösningen har svalnat till rumstemperatur före användning.
  3. Förbereda 10 w.t.% PVA-124 lösning för figur 4 c.
    Varning: Använd en ordentlig hög temperatur media glasflaska och en hög temperatur cap. Använd värmebeständiga handskar.
    1. Lägg till 45 g vatten i en 100 mL glasflaska media och sätta en uppståndelse bar i flaskan.
    2. Placera flaskan i ett vattenbad och Ställ in temperaturen till 70 ° C.
    3. Tillsätt 5 g PVA-124 pulvret i flaskan efter vattenbadet når 70 ° C.
    4. Täck locket på flaskan och Håll omrörning för ~ 1 h tills lösningen är klar.
    5. Vänta tills lösningen har svalnat till rumstemperatur före användning.
  4. Generera hög viskositet droppar i flytande paraffin.
    1. Följ protokoll steg 5 med hög viskositet vätskor bereddes i steg 6.1-6.3, i stället för glycerol i protokollet steg 5.
    2. Använd flöde klassar inställningar av Qw = 1 μL/min och Qo = 5 μL/min för figur 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En mikroflödessystem kapillär enhet med en fas-inversion, samtidig flöde struktur var utformade för att generera monodisperse aqueous high-viscosity droppar, som visas i figur 1A. I figur 1, high-viscosity vattenfasen var glycerol, som har en viskositet på ηw = 1,4 Pas; den låg viskositet olja fasen var flytande paraffin, som har en viskositet av ηo = 0,029 Pas; ytspänningen mellan de två faserna var γ = 27,7 mN/m. I det mellersta röret, kan långsträckt oljedroppar vara inkapslade av glycerol i en väl kontrollerad droppande läge9,13, eftersom viskositeten av glycerol är mycket högre än för flytande paraffin, och kapillär siffrorna, Ca , båda faserna är så låg som 10-4- 10-2, där Ca = ηU/γ, U = Q/A är den genomsnittliga hastigheten av vätska, och A är området av korset avsnitt av kanalen. Som de avlånga oljedroppar flödade ur avfarten på mellersta röret i en bredare yttre röret, som visas i figur 1B, oljedroppar bröt vid mellersta röret hydrofoba spets, och omvänt inkapslade nedströms locket av glycerol, så att High-viscosity glycerol droppar erhölls, som visas i figur 1 c. Så länge droppstorlek och avståndet mellan varje två intilliggande oljedroppar hålls oförändrad, blir bildas glycerol droppar monodisperse24,25. Bilderna i figur 1B-C erhölls använder enheten steg 1 och följande experimentprotokoll steg 4. Glycerol droppar genereras på Qo = 30 uL/min och Qw = 10 uL/min visas i figur 1 d, vari droppar hade en genomsnittlig diameter av 521 μm och variationskoefficienten (CV) av den droppstorlek, definieras som standardavvikelsen dividerat med genomsnittliga droppstorlek, var CV = 0,9%, vilket indikerar droppar var monodisperse.

Storleken på high-viscosity droppar kan justeras genom att ändra flödet klassar nyckeltal Qo/Qw med en fast Qw. En uppsättning typiska experimentella resultat som erhållits från de experiment som efter protokollet steg 5 med enheten av protokollet steg 2, visas i figur 2. Som Qvarw fasta droppstorlek minskade med ökningen av Qo. Ytterligare öka flödet klassar förhållandet kanske har kapacitet mindre droppar, men volymfraktionen av droppar skulle ha sjunkit med detta, och det skulle ha varit en dramatisk ökning av den totala drar och inre trycket inuti enheterna. Därför, inom spänna av flow-kvoten i figur 2, droppstorlek var jämförbar med den inre diametern av det mellersta röret.

Droppstorlek kan minskas ytterligare när en enhet med mindre rör används. De typiska experimentella resultat, efter protokollet steg 4 med enheten från protokollet steg 3, visas i figur 3, där det mellersta röret hade en I.D. = 200 μm.

Samma enhet från protokollet steg 2 kan användas för att generera monodisperse droppar från olika hög viskositet vätskor, som har viskositet högre än glycerol. Typiska resultat av monodisperse droppar honung (11 Pas), stärkelselösning (8,5 Pas) och polymer lösning (2,5 Pas) visas i figur 4. Beredning av vätskorna i figur 4 redovisas i protokollet steg 6.

Figure 1
Figur 1: Generation av high-viscosity glycerol droppar i låg viskositet flytande paraffin med fas-inversion samtidig flöde enhet. (A) Schematisk bild av fas-inversion samtidig flöde enheter. (B), observation av generationen av glycerol droppar från olja-i-glycerol slug flödet i det mellersta röret till den enda glycerol-i-olja emulsionen i det yttersta röret. (C) tid sekvens bilder av fas-inversion processen. (D) monodisperse glycerol droppar och storlek distribution av droppar. Den genomsnittliga diametern av dropparna är 521 μm och CV = 0,9%. Omtryckt med tillåtelse från [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Skala barerna är 500 μm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: variant av droppstorlek med ändringen av den flöde-kvoten QO/QW medan QW = 2 μL/min. För varje datapunkt, 30 droppar mäts, och den genomsnittliga diametern rapporteras. Felstaplar av standardavvikelsen är mindre än den symbol som används i handlingen, visas de inte här. Omtryckt med tillåtelse från [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: mindre glycerol droppar genereras från enheten med det mellersta röret av I.D. = 200 μm. (A) observation av generationen av glycerol droppar i det yttersta röret av enheten. (B), resulterande monodisperse glycerol droppar med en genomsnittlig diameter av 212 μm och CV = 1,9%. Omtryckt med tillåtelse från [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Skala barerna är 200 μm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: typiska exempel på high-viscosity droppar genereras från olika lösningar. Omtryckt med tillåtelse från [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. (A) honung droppar med en genomsnittlig diameter av 612 μm och CV = 0,7%. (B) stärkelse droppar med en genomsnittlig diameter av 600 μm och CV = 0,9%, (C) PVA-124 polymer droppar med en genomsnittlig diameter av 773 μm och CV = 0,7%. Alla skala barerna är 1,0 mm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Fas-inversion samtidig flöde enheten ger en enkel och rak vidarebefordra metod för att generera monodisperse high-viscosity droppar. Enheten har en liknande struktur gemensamma Co flöde enheter, som den grundläggande samtidig flöde strukturen består av en innerslang som infogas i det mellersta röret, avfarten som är ansluten till utlopp slang. Dock finns det två huvudsakliga skillnader mellan fas-inversion samtidig flöde enhet och gemensam samtidig flöde anordning för generering av high-viscosity droppar med en viskositet av η > 1 Pa·s.

Först i vanliga Co flöde enheter används en innerslang med en avsmalnande spets, medan en rak innerslang kan användas i fas-inversion samtidig flöde enheter. Den avsmalnande spetsen har vanligtvis I.D. = 20 μm och OD = 30 μm1,8, så att en pipett avdragare är oftast nödvändigt att göra den avsmalnande spetsen. I fas-inversion samtidig flöde enheten, en runda glas röret med I.D. = 100-200 μm kan användas direkt utan att vara avsmalnande.

Andra, gemensamt samarbete flöde enheter, en hög viskositet vätska injiceras i det inre röret att vara inkapslade av låg viskositet vätska; medan i fas-inversion samtidig flöde enheter, sprutas en låg viskositet vätska in i det inre röret att vara inkapslade av en hög viskositet vätskan, som är mycket lättare att förverkliga. Till exempel droppande när vi använder en gemensam samtidig flöde-enhet för att generera glycerol droppar i flytande paraffin, den flöde-kvoten Qo/Qw bör vara minst 25 att inse en väl kontrollerad läge, vilket resulterar i en volymandel av glycerol droppar inte högre än 4%. Tvärtom, i fas-inversion samtidig flöde enheter, flödet Betygsätt baserat Qo/Qw kan vara så låg som 2,5 inse en väl kontrollerad droppande läge, därför en volymfraktion av 28% av glycerol droppar kan realiseras.

I fas-inversion samtidig flöde enheten framkallas fas inversionen av upplösningen av avlånga olja droplet-programmet vid avfarten hydrofoba av mellersta röret. Behandling av ytan Vätbarheten för mellersta röret därför ett viktigt steg för fas-inversion-metoden, där avfarten på mellersta röret måste behandlas att vara fuktad av fasen låg viskositet att inducera fas inversionen. Dessutom finns det ett kritiskt flöde över vilken de avlånga oljedroppar kommer inte uppbrottet och fasen inversion inte uppstår därefter24. När olja droppar inte kan uppbrottet vid avfarten hydrofoba, lägre flödesområde båda vätskor med ett fast flöde-kvoten, tills de avlånga oljedroppar bryta och inducera fas inversion. Dessutom har både hög viskositet vätskan och låg viskositet vätskan liknande Vätbarheten på den behandlade ytan, skulle då metoden fas-inversion vara ogiltigt.

Även om vi tillhandahåller bara de protokoll och exempel för generering av vattenhaltigt high-viscosity droppar i detta arbete, kan fas-inversion samtidig flöde enheten också användas att generera hög viskositet oljedroppar i låg viskositet vattenlösningar23. I en sådan enhet behöver uppströms av mellersta röret behandlas för att vara fuktad av en high-viscosity fas, medan avfarten på mellersta röret behöver behandlas för att vara fuktad av fasen låg viskositet. Fas-inversion samtidig flöde enheten erbjuder en enkel metod för att kapsla in vätskor med hög viskositet på ett väl kontrollerat sätt snabbt utveckla droplet-baserade program.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöds av den nationella naturvetenskap Foundation i Kina (nr 51420105006 och 51322501). Vi tackar Daniel för hans bra diskussion på hög viskositet idéer.

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

Kemi fråga 134 mikrofluidik Emulsion droppar hög viskositet fas Inversion Vätbarheten glas kapillärer
Fabricera High-viscosity droppar använder mikroflödessystem kapillär enhet med fas-inversion samtidig flöde struktur
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