Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Opdigte høj viskositet Droplets bruger mikrofluid kapillær enhed med fase-inversion Co flow 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 fase-inversion Co flow enhed er påvist for at generere monodisperse høj viskositet dråber over 1 Pas, som er vanskelig at realisere i droplet mikrofluidik.

Abstract

Generation af monodisperse dråber med høj viskositet har altid været en udfordring i droplet mikrofluidik. Her viser vi en fase-inversion Co flow enhed for at generere ensartet høj viskositet dråber i en lav viskositet væske. Mikrofluid kapillær enheden har en fælles co flow struktur med dens udgang tilslutning til en bredere tube. Aflangt dråber af lav viskositet væske er først indkapslet af høj viskositet væske i strukturen Co flow. Som aflangt lav viskositet dråber flow gennem exit, som er behandlet for at være chloroformvædet af lav viskositet væske, induceret fase inversion derefter af vedhæftning af lav viskositet dråber til spidsen af exit, hvilket resulterer i den efterfølgende inverse indkapsling af høj viskositet væske. Størrelsen af de deraf følgende høj viskositet dråber kan justeres ved at ændre flow rate ratio af lav viskositet væske til høj viskositet væske. Vi viser flere typiske eksempler på generation af high-viskositet dråber med en viskositet op til 11,9 Pas, såsom glycerol, honning, stivelse og polymer løsning. Metoden giver en enkel og ligetil tilgang for at generere monodisperse høj viskositet dråber, der kan anvendes i en bred vifte af droplet-baserede applikationer, såsom materialer syntese, medicinafgivelse, celle assay, bioteknologi og levnedsmidler ingeniør.

Introduction

Generation af dråber bliver en nøgleteknologi i en række forskellige applikationer, f.eks. medicinafgivelse, materialer syntese, 3D bioprinting, celle assays og food engineering1,2,3,4 , 5 , 6. mikrofluid enheder med t-kryds7,8, co flow1,9, eller strøm-fokusere10,11 strukturer er almindeligt anvendt til at generere monodisperse enkelt emulsion dråber. Valg af en mere tyktflydende kontinuerlige fase vil lette dannelsen af droplets12, og viskositet på både løbende og spredte væsker er almindeligvis under 0,1 Pas i droplet mikrofluidik13. I mange applikationer, kan den spredte fase dog have en viskositet flere hundrede gange højere end vand, såsom glycerol14, opløsninger indeholdende nanopartikler15, proteiner16eller polymerer17 , 18 , 19, mens det er vanskeligt at opnå monodisperse dråber direkte fra høj viskositet væsker i en stabil dryp regime11 i mikrofluid enheder, især for væsker med en viskositet på η > 1 Pa·s14 ,17,18,19. Derudover har det været rapporteret13,18 , typisk mikrofluid metoder for slipværktøj dannelse kræver væsker med relativt lav viskositet og moderat interfacial spænding til at danne ensartet dråber i en stabil dryppende regime.

For en spredte fase med en lidt større end 0,1 Pas viskositet, der er flere mulige tilgange til lette droplet dannelsen med typiske t-kryds, co flow eller strøm-fokusere mikrofluid enheder: (1) fald viskositet af den spredte fase ved at fortynde det i en flygtige opløsningsmidler11,20 (2) mindske spredt-til-kontinuerlig viskositet forholdet ved stigende viskositet af den kontinuerlige fase1,11; (3) nedsætte strømningshastigheden af den spredte fase til en meget lav værdi, mens du holder en høj kontinuerlig til spredt flow rate ratio 14,19. Men disse tilgange er ikke praktisk for væsker med meget højere viskositet, som de bliver betydeligt lavere produktion sats samtidig dramatisk øge forbruget af de flygtige opløsningsmidler eller den kontinuerlige fase. I addtion, er blevet rapporteret, at nogle høj viskositet polymer løsninger med η > 1 Pa·s stadig ikke bryde op i dråber med metoderne nævnt ovenfor17,19.

Der er også flere forbedret design af mikrofluid enheder, som indfører en tredje fase af væske ind i systemet, der fremmer generation af high-viskositet dråber. Innovationer omfatter: bobler indført for at skære en jetting tråd i dråber21, en ikke-blandbare chaperoning væske med moderat viskositet, introducerede som den midterste fase mellem dipsersed fasen og den kontinuerlige fase18, og microreactors indført for at generere høj viskositet dråber fra to lav viskositet prækursorer21,22,23. Men da en mere væske er involveret i processen, systemet bliver mere kompliceret, og enhederne arbejder normalt i et meget smallere flow regime end de typiske enheder for generation af enkelt emulsion dråber.

At generere monodisperse dråber direkte fra en høj viskositet væske med η > 1 Pa·s, overflade-kontrollerede fase-inversion metoder har været undersøgt24. Som generation af lav viskositet dråber er meget lettere end at høj viskositet dråber12, aflangt lav viskositet dråber i en høj viskositet kontinuerlige fase genereres først ved hjælp af en typisk Co flow struktur, og derefter brydes op due ændring af overflade befugtningen nedstrøms i strukturen Co flow. Den frigivne lav viskositet væske indkapsler omvendt downstream høj viskositet væsken i dråber, således at fase inversion er afsluttet. Ifølge den fase inversion mekanisme, der kan genereres monodisperse høj viskositet dråber baseret på en typisk Co flow enhed, mens afgangen fra enhedens Co flow er behandlet for at være chloroformvædet af lav viskositet væske, og derefter forbundet til en bredere tube24 ,25.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. udarbejde en fase-Inversion Co Flow kapillær enhed for at observere Generation processen af vandig, høj viskositet dråber med en Diameter på ~ 500 μm.

Bemærk: Firkantet ydre røret bruges her er til at tage billeder af generation processen med høj viskositet dråber. Hvis der er ingen grund til at tage billeder, kan en forenklet version af enheden være fremstillet efter protokollen trin 2.

  1. Forberede tre glasrør med forskellige størrelser til montering af kapillar enheden.
    1. Tage en firkantet glasrør med en indre størrelse 1,05 mm, og skære et stykke af røret ~ 4 cm i længden. Dette vil være den ydre rør af enheden.
    2. Tage en runde glasrør med en indre diameter (I.D.) 580 μm og et ydre diameter (OD) på 1 mm, og skære et stykke af røret ~ 3 cm i længden. Dette vil være den midterste tube af enheden.
    3. Tage en runde glasrør med I.D. = 200 μm og OD = 330 μm, og skære et stykke af røret ~ 2 cm i længden. Dette vil være slange af enheden.
  2. Ændre den overflade befugtningen af ene ende af den midterste tube er hydrofobe.
    1. Tag en 1 mL hætteglas, og der tilsættes 0,3 mL af trichlor (octadecyl) silan (OTS) ind i hætteglasset.
    2. Tag den midterste tube med id = 580 μm forberedt i protokollen trin 1.1.2, og dyp ene ende af det til OTS i hætteglasset for ~ 10 s.
    3. Tag den midterste tube, og skylle tube med nitrogen gas fra ubehandlet slutningen.
  3. Forberede nåle til indløb af kapillar enheden.
    1. Tag en 20G stump spids udlevering nål, og skær et slot med ~0.5 mm x 0.5 mm på kanten af den plast Luer hub med en kniv.
      Bemærk: Denne nålen vil tjene som fjorden for lav viskositet olie fase.
    2. Tag en anden 20G stump spids udlevering nål, og skær to slots på kanten af plast Luer hub. Juster de to pladser i en linje, der gaar diameteren af hubben Luer.
      Bemærk: En slot har en størrelse på ~0.5 mm x 0,5 mm, mens anden slotten har en størrelse på ~1.0 mm x 1,0 mm. Denne nålen vil tjene som fjorden for høj viskositet vandig fase.
    3. Tag en anden 20G stump spids udlevering nål, og skær to slots på kanten af plast Luer hub. Juster de to pladser i en linje, der gaar diameteren af hubben Luer.
      Bemærk: En slot har en størrelse på ~1.5 mm x 1,5 mm; mens de andre slot har en størrelse på ~1.0 mm x 1,0 mm. Denne nålen vil tjene som indgang for rengøring.
  4. Saml glas rør i henhold til Figur 1A.
    1. Tage en regelmæssig 7,62 cm x 2,54 cm glas dias som substrat for kapillær-enhed.
    2. Sætte det ydre rør med I.D. = 1,05 mm, forberedt i protokollen trin 1.1.1, på glas dias med ~ 1 cm strengpresning glas dias korte kant.
    3. Tag den midterste tube med id = 580 μm, forberedt i protokollen trin 1.2, og Indsæt den hydrofobe ende af den midterste rør ind i den ydre rør fra slutningen på glas dias og holde ~ 1 cm af den midterste rør uden for det ydre rør.
    4. Tage slange med I.D. = 200 μm, udarbejdet protokol taktfast 1.1.3, og sæt den ene ende af en slange ind i midten røret, og holde ~ 1 cm af slange uden for den midterste tube.
    5. Brug epoxy lim til at fastsætte de tre rør i stilling langs midterlinjen af glas dias. Derefter vente ~ 5 minutter eller længere for lim til at størkne helt.
  5. Samle fjorde på kapillær-enhed.
    1. Tage inlet nålen for lav viskositet olie fase, udarbejdet protokol taktfast 1.3.1, og lad Luer hub dække afslutningen af slange på underlaget, og derefter bruge epoxy lim til at rette Luer hub på underlaget.
    2. Tage inlet nålen for høj viskositet vandig fase, udarbejdet protokol taktfast 1.3.2, og lad Luer hub dække krydset mellem slange og den midterste tube, og derefter bruge epoxy lim til at rette Luer hub på underlaget.
    3. Tage inlet nålen, udarbejdet protokol taktfast 1.3.3, og til rengøring, lad Luer hub dække krydset mellem midten røret og det ydre rør, og derefter bruge epoxy lim til at rette Luer hub på underlaget.
    4. Vente ~ 5 minutter eller længere for lim til at størkne helt.
    5. Bruge epoxy lim til at forsegle Luer hubs af nåle på underlaget.
  6. Vente ~ 30 min eller længere for lim til at størkne helt, og derefter enheden er klar til brug.

2. Lav en fase-Inversion, co Flow kapillær enhed for at fabrikere vandig høj viskositet dråber med en Diameter på ~ 500 μm.

Bemærk: Enheden lavet her er en forenklet version af enheden i protokollen trin 1.

  1. Forbered to glasrør med forskellige størrelser til montering af kapillar enheden.
    1. Tage en runde glasrør med I.D. = 580 μm og OD = 1 mm, og skære et stykke af røret med ~ 3 cm i længden. Dette vil være den midterste tube af enheden.
    2. Tage en runde glasrør med I.D. = 200 μm og OD = 330 μm, og skære et stykke af røret med ~ 2 cm i længden. Dette vil være slange af enheden.
  2. Ændre den overflade befugtningen af ene ende af den midterste tube er hydrofobe.
    1. Der tilsættes 0,3 mL OTS i en 1 mL hætteglas.
    2. Tag den midterste tube med id = 580 μm, udarbejdet protokol taktfast 2.1.1, og dyp ene ende af det til OTS i hætteglasset for ~ 10 s.
    3. Tag den midterste rør, og derefter skylle tube med nitrogen gas fra ubehandlet slutningen.
  3. Forberede nåle til indløb af kapillar enheden.
    1. Forberede en 20G stump spids udlevering nål, som vil tjene som fjorden for lav viskositet olie fase. Derefter skæres et slot af ~0.5 mm x 0,5 mm med en klinge på kanten af den plast Luer hub.
    2. Tag en anden 20G stump spids udlevering nål, og skær to slots på kanten af plast Luer hub. Juster de to pladser i en linje, der gaar diameteren af hubben Luer.
      Bemærk: En slot har en størrelse på ~0.5 mm x 0,5 mm, mens anden slotten har en størrelse på ~1.0 mm x 1,0 mm. Denne anden nål vil tjene som fjorden for høj viskositet vandfasen.
  4. Saml glas rør i henhold til Figur 1A .
    1. Tage en regelmæssig 7,62 cm x 2,54 cm glas dias som substrat for kapillær-enhed.
    2. Sætte den midterste tube med id = 580 μm, forberedt i protokollen trin 2.2, på glas dias med den hydrofobe ende strengpresning ~ 1 cm over den korte kant af glas dias.
    3. Tage slange med I.D. = 200 μm, udarbejdet protokol taktfast 2.1.2, og sæt den ene ende af en slange ind i midten røret fra ubehandlet slutningen på glas dias og holde ~ 1 cm af slange uden for den midterste tube.
    4. Bruge epoxy lim til at rette de to rør i stilling langs midterlinjen af glas dias.
    5. Vente på ~ 5 min eller længere for lim til at størkne helt.
  5. Samle fjorde på kapillær-enhed.
    1. Tage inlet nålen for lav viskositet olie fase, udarbejdet protokol taktfast 2.3.1, og lad Luer hub dække afslutningen af slange på underlaget, og derefter bruge epoxy lim til at rette Luer hub på underlaget.
    2. Tage inlet nålen for høj viskositet vandig fase, udarbejdet protokol taktfast 2.3.2, og lad Luer hub dække krydset mellem slange og den midterste tube, og derefter bruge epoxy lim til at rette Luer hub på underlaget.
      Bemærk: Anden enden af den midterste tube er afgangen fra enheden.
    3. Vente ~ 5 minutter eller længere for lim til at størkne helt.
    4. Bruge epoxy lim til at forsegle Luer hubs af nåle på underlaget.
  6. Vente ~ 30 min eller længere for lim til at størkne helt.
  7. Tilslut den frie ende af den midterste tube med outlet rør, dvs., polyethylen slanger med I.D. = 0,86 mm og ~ 20 mm i længden.
    Bemærk: Den lille deformation af den ydre slanger vil sikre segl af forbindelsen, så at ingen lim er behov her. Outlet rør fungerer som et bredere ydre rør for fase inversion. På dette tidspunkt, er enheden klar til brug.

3. lav fase-Inversion Co Flow kapillær enhed for observere Generation proces af vandige høj viskositet dråber med en Diameter på ~ 200 μm.

Bemærk: Enheden lavet her er en mindre version af enheden af protokollen trin 1 for at gøre mindre dråber.

  1. Forberede tre glasrør med forskellige størrelser til montering af kapillar enheden.
    1. Tage en firkantet glasrør med I.D. = 400 μm, og skære et stykke af røret ~ 4 cm i længden, som vil være den ydre rør af enheden.
    2. Tage en runde glasrør med I.D. = 200 μm og OD = 330 μm, og skære et stykke af røret ~ 3 cm i længden, som vil være den midterste tube af enheden.
    3. Tage en runde glasrør med I.D. = 100 μm og OD = 170 μm, og skære et stykke af røret ~ 2 cm i længde, som vil være slange af enheden.
  2. Ændre den overflade befugtningen af ene ende af den midterste tube er hydrofobe.
    1. Tag en 1 mL hætteglas, og der tilsættes 0,3 mL OTS ind i hætteglasset.
    2. Tag den midterste tube med id = 200 μm, udarbejdet protokol taktfast 3.1.2, og dyp ene ende af det til OTS i hætteglasset for ~ 10 s.
    3. Tag den midterste rør, og derefter skylle tube med nitrogen gas fra ubehandlet slutningen.
  3. Forberede nåle til indløb af kapillar enheden.
    1. Forberede en 20G stump spids udlevering nål, som vil tjene som fjorden for lav viskositet olie fase. Derefter, med en kniv, skæres et slot ~0.2 mm x 0,2 mm på kanten af den plast Luer hub.
    2. Forberede en anden 20G stump spids udlevering nål, og skære to slots på kanten af den plast Luer hub. Juster de to pladser i en linje, der gaar diameteren af hubben Luer.
      Bemærk: En slot har en størrelse på ~0.2 mm x 0,2 mm, mens anden slotten har en størrelse på ~0.4 mm x 0,4 mm. Denne anden nål vil tjene som fjorden for høj viskositet vandfasen.
    3. Tag en anden 20G stump spids udlevering nål, og skær to slots på kanten af plast Luer hub. De to slots er justeret på en linje, der gaar diameteren af hubben Luer.
      Bemærk: En slot har en størrelse på ~0.8 mm x 0,8 mm, mens anden slotten har en størrelse på ~0.4 mm x 0,4 mm. Denne tredje nålen vil tjene som et indløb til rengøring.
  4. Følg protokol trin 1.4-1,6 til slut enheden, ved hjælp af glasrør forberedt i protokollen trin 3.1 i stedet for disse parat i protokollen trin 1.1, og ved hjælp af nåle forberedt i protokollen trin 3.3 i stedet de udarbejdet i protokollen trin 1.3.

4. observere Generation af Glycerol dråber i flydende Paraffin

Bemærk: For at tage billeder vist i tal 1B - D, brug enheden parat i protokollen trin 1; for at tage billeder, der vises i figur 3, brug enheden parat i protokollen trin 3.

  1. Forberede løsninger anvendes i forsøget.
    1. Bruge glycerol som høj viskositet vandfasen, og tilføje 0,5 w.t.% toluidin blå O at farve det blå.
    2. Bruge flydende paraffin som lav viskositet olie fase, og Tilføj 1% w.t. Span 80 i det som overfladeaktivt stof.
  2. Forberede tre 1 mL sprøjter og tre sprøjte pumper.
    Bemærk: Tre sprøjter for væsker forberedt i protokollen træde 4.1: én til indblæsning høj viskositet glycerol, udarbejdet protokol taktfast 4.1.1, og to andre til indsprøjtning lav viskositet flydende paraffin, udarbejdet protokol taktfast 4.1.2, henholdsvis.
    1. Tilslut sprøjte indeholdende glycerol til indløb til det midterste rør.
    2. Tilslut en sprøjte indeholdende flydende paraffin til indløb af slange, mens den anden tilsluttet indløb til rengøring.
  3. Placer enheden parat i protokollen trin 1 på en inverteret mikroskop, og læg et stykke af en Kimwipe under afgangen fra det ydre rør til at absorbere den rende væske.
    Forsigtig: Lad ikke den væske lækage uden for Kimwipe område.
  4. Sæt sprøjten pumper strømningshastigheder.
    Bemærk: Brug sprøjten pumpe forbundet til den ydre rør for rengøring, når der er fanget bobler eller dråber omkring afgangen fra den midterste tube. Ellers bare lade pumpen stoppede.
    1. Indstille strømningshastigheden af glycerol injektion til det midterste rør af Qw = 10 μL/min.
    2. Indstille strømningshastigheden af flydende paraffin indsprøjtning til slange af Qo = 30 μL/min.
    3. Kør de to pumper til at generere glycerol dråber.
  5. Vente på ~0.5 min. indtil strømmen er stabiliseret og glycerol dråber genereres ensartet ved fra det midterste rør. Derefter tag videoer eller billeder af droplet generation proces.
    Bemærk: Billeder i tal 1B-C kan tages ved hjælp af enheden parat i protokollen trin 1, mens billeder i figur 3A kan tages ved hjælp af enheden parat i protokollen trin 3. Stop alle pumperne, så snart videoer eller billeder er taget, og tage enheden ud mikroskopet lige bortrejst.
  6. Forberede indsamling høj viskositet dråber.
    1. Sted enhed i et lodret plan med forretningen pegede ned, og sætte en petriskål under forretningen. Brug tape til at fastsætte enheden med outlet ~ 2 mm over bunden af petriskålen.
    2. Hæld nogle flydende paraffin forberedt i protokollen trin 4.1.2 i petriskålen, og bare fordybe outlet af enheden.
  7. Kør de to sprøjten pumper igen på Qw = 10 μL/min og Qo = 30 μL/min, og indsamle glycerol dråber i petriskålen.
    Bemærk: Vent til ~ 1 min. indtil strømmen er stabiliseret og glycerol dråber genereres ensartet ved fra det ydre rør, billedet af dråber i petriskålen kan tages, som vist i figur 1 d for enheden parat i protokol 1 , eller figur 3B til enheden parat i protokollen trin 3.

5. generering og indsamling af Glycerol dråber i flydende Paraffin med forenklede enheden parat i trin 2.

Bemærk: Dette er for at tage billeder af glycerol dråber fremkommet under forskellige flow hastighed forholdet mellem Qo/Qw, og måling af den tilsvarende størrelse variation af droplets til datapunkterne i figur 2.

  1. Forberede løsninger anvendes i eksperimentet ved at følge protokollen trin 4.1.
  2. Forbered to 1 mL sprøjter og to sprøjte pumper.
    Bemærk: To sprøjter for væsker forberedt i protokollen træde 4.1: én til indblæsning høj viskositet glycerol, udarbejdet i protokollen trin 4.1.1, og den anden til indsprøjtning lav viskositet flydende paraffin, udarbejdet protokol taktfast 4.1.2, henholdsvis.
    1. Tilslut sprøjte indeholdende 0,8 mL glycerol til indløb til det midterste rør.
    2. Tilslut sprøjte indeholdende 0,8 mL flydende paraffin til fjorden af slange.
  3. Forberede indsamling høj viskositet dråber.
    1. Sted enhed i et lodret plan med forretningen pegede ned, og sætte en 35 mm petriskål under forretningen. Brug tape til at fastsætte enheden med outlet ~ 2 mm over bunden af petriskålen.
    2. Hæld nogle flydende paraffin forberedt i protokollen trin 4.1.2 i petriskålen, og bare fordybe outlet af enheden.
  4. Sæt sprøjten pumper strømningshastigheder.
    Bemærk: For hver flow rate ratio i figur 2, lave strømningshastigheden af glycerol Qw = 2 μl/min, mens stigende strømningshastigheden af flydende paraffin Qo til forskellige værdier ifølge nødvendige strøm sats forholdet mellem Q o/Qw. For hver flow rate ratio, vente ~ 1 min. indtil strømmen er stabiliseret og ensartet glycerol dråber er indsamlet i petriskålen, så tag billeder af dråberne.
    1. Indstille strømningshastigheden af glycerol sprøjtes ind i midten røret af Qw = 2 μl/min.
    2. Indstille strømningshastigheden af flydende paraffin injiceres slange af Qo = 6 μL/min.
    3. Kør de to pumper til at generere glycerol dråber.
      Bemærk: Generation proces af dråberne kan være direkte observeret med en mobiltelefon-kamera eller et digitalt kamera monteret på et stativ.
  5. Vente ~ 1 min., indtil strømmen er stabiliseret, og ændre en ny petriskål til indsamling af ensartet glycerol dråber.

6. generere andre høj viskositet dråber i flydende Paraffin ved hjælp af fase-Inversion Co Flow enhed.

Bemærk: Dette er til billederne i figur 4. Alle lav viskositet olie fase anvendes i eksperimenter er den samme som bruges i protokollen trin 4.1.2.

  1. Bruges ren honning som høj viskositet vandig fase for figur 4A.
  2. Forberede figur 4B6 w.t.% stivelsesopløsning.
    Forsigtig: Brug en passende høj temperatur media glasflaske og en høj temperatur cap. Varmebestandige handsker.
    1. Tilføj 47 g vand i en 100 mL glasflaske medier og sætte en røre bar i flasken.
    2. Sætte flasken i et vandbad og Indstil temperaturen til 100 ° C.
    3. Tilføje 3 g stivelse pulver i det varme vand når vandbadet når 100 ° C.
    4. Cover hætten af flasken og holde omrøring for ~ 4 h, indtil løsningen er klar.
    5. Vent, indtil løsningen, der er afkølet til stuetemperatur før anvendelse.
  3. Forberede figur 4 c10 w.t.% PVA-124 løsning.
    Forsigtig: Brug en passende høj temperatur media glasflaske og en høj temperatur cap. Varmebestandige handsker.
    1. Tilføje 45 g vand i en 100 mL glasflaske medier og sætte en røre bar i flasken.
    2. Sætte flasken i et vandbad og Indstil temperaturen til 70 ° C.
    3. Tilsaettes 5 g PVA-124 pulver i flasken, efter et vandbad når 70 ° C.
    4. Cover hætten af flasken og holde omrøring for ~ 1 h, indtil løsningen er klar.
    5. Vent, indtil løsningen, der er afkølet til stuetemperatur før anvendelse.
  4. Generer høj viskositet dråber i flydende paraffin.
    1. Følg protokol trin 5 ved hjælp af high-viskositet væsker forberedt i trin 6.1-6.3, i stedet for glycerol i protokollen trin 5.
    2. Bruge indstillingerne flow sats af Qw = 1 μL/min og Qo = 5 μl/min i figur 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En mikrofluid kapillær enhed med en fase-inversion, co flow struktur var designet til at generere monodisperse vandig høj viskositet dråber, som vist i figur 1A. I figur 1, høj viskositet vandig fase var glycerol, som har en viskositet på ηw = 1,4 Pas; lav viskositet olie fase var flydende paraffin, som har en viskositet på ηo = 0.029 Pas; overfladespænding mellem de to faser var γ = 27,7 mN/m. I det midterste reagensglas, kan aflange olie dråber indkapslet af glycerol i en velkontrollerede dryppende tilstand9,13, fordi viskositet af glycerol er meget højere end flydende paraffin og kapillær-numre, Ca , af begge faser er så lavt som 10-4- 10-2, hvor Ca = ηU/γ, U = Q/A er den gennemsnitlige hastighed af væske, og A er området af korset del af kanalen. Som aflange olie dråber flød ud af afgangen fra det midterste rør ind i en bredere ydre rør, som vist i figur 1B, olie dråber brød på den hydrofobe spids i midten røret, og omvendt indkapslet downstream hætten af glycerol, så høj viskositet glycerol dråber blev indhentet, som vist i figur 1 c. Så længe Dråbestørrelse og afstanden mellem de to tilstødende olie dråber holdes uændret, bliver dannet glycerol dråber monodisperse24,25. Billeder i figur 1B-C blev opnået ved hjælp af enheden af trin 1, og følgende forsøgsplan trin 4. Glycerol dråber genereret på Qo = 30 uL/min og Qw = 10 uL/min er vist i figur 1 d, hvori dråber havde en gennemsnitlig diameter på 521 μm og variationskoefficienten (CV) af den Dråbestørrelse, defineret som standardafvigelsen divideret med den gennemsnitlige Dråbestørrelse, var CV = 0,9%, som angiver dråberne var monodisperse.

Størrelsen af høj viskositet dråber kan justeres ved at ændre flow sats nøgletal Qo/Qw med en fast Qw. Et sæt af typiske eksperimentelle resultater, opnået fra eksperimenter følgende protokol trin 5 med enheden af protokollen trin 2, er vist i figur 2. Som Qvarw fast, Dråbestørrelse faldt med forhøjelsen af Qo. Yderligere stigende flow rate ratio kunne have udbytte mindre dråber, men volumenfraktion paa dråber ville være faldet i overensstemmelse hermed, og der ville have været en dramatisk forøgelse af de samlede træk og indre tryk inde i enheder. Derfor, inden for rækkevidde af flow rate ratio i figur 2, Dråbestørrelse var sammenlignelig med den indvendige diameter af den midterste tube.

Dråbestørrelse kan nedskrives yderligere, når der anvendes en anordning med mindre rør. De typiske eksperimentelle resultater, efter protokollen trin 4 med enheden fra protokollen trin 3, er vist i figur 3, hvor den midterste tube havde en I.D. = 200 μm.

Den samme enhed fra protokollen trin 2 kan bruges til at generere monodisperse dråber fra forskellige høj viskositet væsker, som har viskositeter højere end glycerol. Typiske resultater af monodisperse dråber af honning (11 Pas), stivelsesopløsning (8,5 Pas) og polymer løsning (2,5 Pas) er vist i figur 4. Forberedelse af væsker i figur 4 er detaljeret beskrevet i protokollen trin 6.

Figure 1
Figur 1: Generation af high-viskositet glycerol dråber i lav viskositet flydende paraffin bruger fase-inversion Co flow enhed. (A) skematisk af fase-inversion Co flow enheder. (B) observation af generation af glycerol dråber af olie i glycerol slug flow i midten røret til glycerol-i-olie enkelt emulsion i det ydre rør. (C) tid sekvens billeder af fase-inversion proces. (D) monodisperse glycerol dråber og størrelse fordelingen af dråberne. Den gennemsnitlige diameter af dråberne er 521 μm og CV = 0,9%. Genoptrykt med tilladelse fra [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Skala barer er 500 μm. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Variation af Dråbestørrelse med ændringen af flow rate ratio QO/QW mens QW = 2 μl/min. For hvert datapunkt, 30 dråber er målt, og den gennemsnitlige diameter er rapporteret. Fejllinjer med standardafvigelse er mindre end det symbol, der anvendes i plottet, er de ikke vist her. Genoptrykt med tilladelse fra [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: mindre glycerol dråber genereret fra enheden med den midterste tube af I.D. = 200 μm. (A) observation af generation af glycerol dråber i det ydre rør af enheden. (B) den resulterende monodisperse glycerol dråber med en gennemsnitlig diameter på 212 μm og CV = 1,9%. Genoptrykt med tilladelse fra [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Skala barer er 200 μm. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: typiske eksempler på høj viskositet dråber genereret fra forskellige løsninger. Genoptrykt med tilladelse fra [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. (A) honning dråber med en gennemsnitlig diameter på 612 μm og CV = 0,7%. (B) stivelse dråber med en gennemsnitlig diameter på 600 μm og CV = 0,9%, (C) PVA-124 polymer dråber med en gennemsnitlig diameter på 773 μm og CV = 0,7%. Alle skala barer er 1,0 mm. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Fase-inversion Co flow enhed giver en enkel og lige fremad metode for at generere monodisperse høj viskositet dråber. Denne enhed har en lignende struktur til fælles co flow enheder, som den grundlæggende Co flow struktur består af en indre rør indsat i midten røret, exit som er tilsluttet stikkontakt rør. Der er dog to vigtigste forskelle mellem fase-inversion Co flow enhed og fælles co flow enhed for generation af high-viskositet dråber med en viskositet på η > 1 Pa·s.

Først, i fælles co flow enheder, en slange med en tilspidset spids bruges, mens en straight slange kan bruges i fase-inversion Co flow enheder. Den koniske spids har typisk I.D. = 20 μm og OD = 30 μm1,8, således at en pipette puller er normalt nødvendigt at gøre den koniske spids. I fase-inversion Co flow enhed, en runde glas rør med I.D. = 100-200 μm kan anvendes direkte uden at blive tilspidset.

For det andet til fælles co flow enheder, en høj viskositet væske sprøjtes ind slange at være indkapslet af lav viskositet væske; mens i fase-inversion Co flow enheder, sprøjtes en lav viskositet væske ind slange at være indkapslet af en væske, høj viskositet, som er meget lettere at realisere. For eksempel, dryp når vi bruger et fælles co flow enhed til at generere glycerol dråber i flydende paraffin, flow rate ratio Qo/Qw bør være mindst 25 at realisere en velkontrollerede tilstand, hvilket resulterer i en volumenfraktion af glycerol dråber ikke højere end 4%. Tværtimod, i fase-inversion Co flow enheder, strømmen rate ratio Qo/Qw kan være så lavt som 2,5 at realisere en velkontrollerede dryppende tilstand, derfor volumenfraktion 28% af glycerol dråber kan realiseres.

I fase-inversion Co flow enhed, er fase inversion foranlediget af opløsningen af aflange olie droplet ved hydrofobe afgangen fra den midterste tube. Derfor, behandling af overfladen befugtningen af afgangen fra det midterste tube er et kritisk skridt for metoden fase-inversion hvor afgangen fra midten røret skal behandles at være chloroformvædet af lav viskositet fase at fremkalde fase inversion. Derudover er der en kritisk strømning sats hvorover aflange olie dråberne vil ikke bruddet og fase inversion efterfølgende ikke vil forekomme24. Når olien dråber kan ikke bruddet på den hydrofobe exit, lavere strømningshastigheder af både væsker med en fast flow rate ratio, indtil de aflange olie dråber bryde og inducerer fase inversion. Desuden, hvis både høj viskositet væske og lav viskositet væske har lignende befugtningen på den behandlede overflade, så metoden fase-inversion ville være ugyldig.

Selv om vi kun give protokoller og eksempler for generation af vandige høj viskositet dråber i dette arbejde, kan fase-inversion Co flow enhed også bruges til at generere høj viskositet olie dråber i lav viskositet vandige opløsninger23. I sådan en enhed skal upstream i midten røret behandles for at være chloroformvædet af høj viskositet fase, mens afgangen fra midten røret skal behandles for at være chloroformvædet af lav viskositet fase. Fase-inversion Co flow enhed giver en enkel metode til at indkapsle høj viskositet væsker i velkontrollerede måde i hastig udvikling droplet-baserede programmer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af den National Natural Science Foundation of China (nr. 51420105006 og 51322501). Vi vil gerne takke Daniel for hans hjælpsomme diskussion om høj 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

Kemi spørgsmål 134 mikrofluidik Emulsion dråber høj viskositet fase Inversion befugtningen glas kapillærer
Opdigte høj viskositet Droplets bruger mikrofluid kapillær enhed med fase-inversion Co flow 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