Waiting
Login processing...

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

Engineering

Microfluidics og Microrheology for å finne reologiske egenskapene til myk saken under gjentatt fase overganger

Published: April 19, 2018 doi: 10.3791/57429
Automatic Translation
1, 1, 2, 1
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Lehigh University, 2Process and Engineering Development, Procter & Gamble Co.

Summary

Viser vi fabrikasjon og bruk av en microfluidic enhet som gjør at flere partikkel sporer microrheology mål for å studere reologiske effekten av gjentatt fase overganger i myk saken.

Abstract

Mikrostruktur myk saken direkte påvirker makroskopisk reologiske egenskaper og kan endres av faktorer, inkludert kolloidalt omorganisering under forrige faseendringer og brukt skjær. For å fastslå omfanget av disse endringene, har vi utviklet en microfluidic enhet som kan gjentas fase overganger av utveksling av omkringliggende væske og microrheological karakterisering samtidig skjær på prøven. Denne teknikken er µ2Reologi, kombinasjonen av microfluidics og microrheology. Microfluidic enheten er en to-lags design med symmetrisk innløp strømmer inn en prøve kammer som feller gel prøven på plass under fluid bytte. Sug kan brukes langt fra prøven kammer å trekke væsker i prøven kammeret. Reologiske materialegenskaper kjennetegnes ved hjelp av flere partikkel sporing microrheology (MPT). I MPT, fluorescerende sonde partikler er innebygd i materialet og Brownsk bevegelse sonder registreres bruker video mikroskopi. Bevegelsen av partikler spores og betyr-squared forskyvning (MSD) beregnes. MSD er knyttet til makroskopisk reologiske egenskaper, bruk av generalisert Stokes-Einstein forholdet. Fasen av materialet er identifisert sammenligning til kritisk avslapning eksponenten, bestemmes ved hjelp av tid-cure superposisjon. Målinger av en fibrøs kolloidalt gel illustrerer nytten av teknikken. Denne gel har en delikat struktur som kan endres irreversibelt når skjær brukes. µ2Reologi data viser at materialet gjentatte ganger equilibrates til samme reologiske egenskaper etter hver fase overgang, indikerer at fase overganger ikke spiller en rolle i microstructural endres. For å bestemme rollen skjær, kan prøver være skåret før injeksjon i vår microfluidic enheten. µ2Reologi er en allment gjeldende teknikk for karakterisering av myk saken slik at fastsetting av reologiske egenskapene til delikate microstructures i en enkelt prøve under fase overganger som svar på gjentatte endringer i det rundt miljøforhold.

Introduction

Fase overganger i myk saken kan endre stillaset strukturen, som har konsekvenser i den materielle1,2,3og stabilitet. Karakterisering av myke materialer under dynamisk fase overganger gir viktig informasjon om forholdet mellom strukturelle utviklingen og likevekt struktur og reologiske egenskaper. Mange hjem produkter krever for eksempel en fase-endring under forbruker. Også under produksjon, kan behandlingstrinn, inkludert fortynning og miksing, formidle skjær påvirker reologiske egenskaper og endelige mikrostruktur av produktet. Forstå egenskapene reologiske gjennom en fase-endring sikrer at produktet utfører som designet. I tillegg hvis styrker endrer start Reologi materialet under produksjon, kan fase overganger gi uventede og uønskede resultater, endre tiltenkte funksjonen og effektivitet. Det kritiske gelation punktet, definert som punktet hvor materialet overganger fra en løsning av tilknyttede kolloider eller polymerer til eksempel-spenner gel nettverk, endre materialegenskaper drastisk med små endringer til foreningen. Endringer i strukturen i kritiske gel punktet kan påvirke sluttproduktet4. Under disse dynamiske overganger, myke materialer har svak mekaniske egenskaper og mål som bruker klassisk eksperimentelle teknikker kan være innen måling støy grense5,6,7. Å ta hensyn til dette, teknikker som microrheology, som er følsomme i området lav moduli (10-3 - 4 Pa), brukes til å beskrive svake begynnende gel under dynamisk utvikling. Noen materialer er utsatt for endringer i mikrostruktur på grunn av ytre krefter, som presenterer en utfordring under karakterisering, som noen overføring av materiale eller væske kan påvirke strukturen og til slutt, de siste materialegenskaper. For å unngå å endre den materielle mikrostrukturen, har vi utviklet en microfluidic enhet som kan utveksle miljømessige væske rundt et utvalg samtidig minimere skjær. Utveksle væske miljøet, er endringer i reologiske egenskaper og mikrostruktur målt under fase overganger med minimal bidrag fra skjær. Enheten er kombinert med flere partikkel sporing microrheology (MPT) i en teknikk som kalles µ2Reologi. Denne teknikken brukes å kvantifisere materialegenskaper under påfølgende faseendringer av en gel som svar på en ekstern drivkraften. Teknikken vil bli belyst med en fibrøs kolloidalt gel, hydrogenert ricinusolje (HCO)9,10,11.

Gel stillaser kan gjennomgå endringer i foreningen og dissosiasjon på grunn av deres eksempel miljø12,13,14,15. Drivkraften for gelation og fornedrelse materiale bestemt og må være skreddersydd for hvert materiale rundt. µ2Reologi kan brukes til å beskrive gel systemer som svare på eksterne stimuli, inkludert kolloidalt og polymere nettverk. Endre pH, osmotisk trykk eller saltkonsentrasjon er eksempler på drivkreftene som kan skape den materielle mikrostrukturen. For eksempel gjennomgår HCO kontrollert fase overganger ved å opprette en osmotisk trykk gradering. Når en konsentrert HCO gel prøve (4 wt % HCO) er neddykket i vann, svekke de attraktive styrkene mellom kolloidalt partikler, forårsaker nedbrytning. Alternativt, når en fortynnet løsning av HCO (0.125 wt % HCO) er kontaktet med en hydrofile materiale (referert til som gelling agent og består av hovedsakelig glyserin og surfactant), den attraktive styrker tilbake, forårsaker gelation. Gel systemet brukes til å vise drift av enheten som et verktøy for å måle påfølgende fasen overganger på en enkelt prøve9,10. For å karakterisere disse gel stillaser under dynamiske overganger og delikat begynnende gel strukturen på kritiske fasen overgangen, bruker vi MPT for å karakterisere disse materialene med spatio-temporale høyoppløselig.

Microrheology brukes til å bestemme gel egenskaper og struktur, spesielt på kritiske overgangen, til en rekke myke materialer, inkludert kolloidalt og polymere gels5,6,9,16. MPT er en passiv microrheological teknikk som bruker video mikroskopi posten Brownsk bevegelse fluorescerende sonde partikler som er innebygd i et utvalg. Partikkel stillingene gjennom videoene er nettopp bestemt til innen 1/10th av en piksel med klassisk sporing algoritmer17,18. Ensemblet gjennomsnitt betyr-squared forskyvning (MSD, (Δr2(t))) er beregnet fra disse partikkel baner. MSD er knyttet til materielle egenskapene, for eksempel krype etterlevelse, bruker de generalisert Stokes-Einstein forhold17,19,20,21,22, 23. Delstaten materialet bestemmes ved å beregne logaritmisk skråningen av MSD kurven som en funksjon av oppholdstid, α,

Equation 1

hvor t er forsinkelse, og sammenligne den kritiske avslapning eksponenten n. n bestemmes ved hjelp av tid-cure superposisjon, en godt dokumentert teknikk som ble endret for å analysere MPT data av Larsen og Furst6. Sammenligning av n til α bestemmes delstaten materialet kvantitativt. Når α > n materialet er en sol, og når α < n materialet er en gel. Tidligere arbeid har preget HCO systemet bruker microrheology til å bestemme kritisk avslapning eksponent9. Bruker denne informasjonen, finne vi nøyaktig når materialet overganger fra en gel til en sol under et eksperiment. I tillegg kan ikke-Gaussian parameteren αNG, beregnes for å fastslå omfanget av strukturelle heterogenitet av systemet,

Equation 2

der Δx(t) er endimensjonale partikkel bevegelsen i x -retningen. Bruker MPT, kan vi beskrive en enkelt fase overgang, men overvåker materialer med MPT i en microfluidic enhet, er vi i stand til å manipulere flytende omgivelsene og samle inn data på flere fase overganger på et enkelt gel utvalg.

Microfluidic enheten er utformet for å undersøke viktige overganger i en enkelt gel utvalg som gjennomgår faseendringer i respons på endringer i væske omgivelsene. Enheten erstatter væske rundt prøven når det er enten i gel eller sol ved å låse prøven å indusere en fase overgang samtidig minimere skjær. En løsemiddel bassenget ligger rett ovenfor prøve kammeret, som er forbundet med seks symmetrisk linjeavstand inntak kanaler. Denne symmetri tillater utveksling av væske fra løsemiddel bassenget til prøve chamber under oppretting av like trykket rundt prøven, låse den på plass. Det har vært flere studier som bruker denne teknikken for enkelt partikkel og DNA overtrykk, men dette arbeidet skalerer opp volumet fra enkelt molekyler prøver som er ca 10 µL24,25,26. Denne unike design gjør det også mulig for sanntids microrheological karakterisering under fase overganger.

µ2Reologi er en robust teknikk som gjelder for mange myk saken systemer. Teknikken er beskrevet i dette dokumentet ble utviklet for kolloidalt gels, men det kan lett tilpasses andre materialer som polymer eller micellar løsninger. Med denne teknikken, vi bestemmer ikke bare hvordan fase overganger påvirke egenskapene likevekt materiale, men også hvordan ulike behandlingstrinnene kan ha varige effekter på reologiske utviklingen av materialet og den endelige stillas strukturen og egenskaper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. fabrikasjon av Microfluidic enheten

  1. Microfluidic stempel fabrikasjon.
    Merk: Dette trinnet krever bruk av flyktige materialet og bør gjøres i kjemisk avtrekksvifte.
    1. Bruk en negativ trykte design med samme dimensjoner som objektglass (75 × 50 mm), kanaler farget hvit, og bakgrunnen farget svart (se figur 1). Skriv ut denne design et klart acetate ark (gjennomsiktighet) med en oppløsning på 1200 dpi.
    2. Hvis den mørke delen av gjennomsiktigheten gir lys gjennom, lag flere negativer, og holde fast med dobbeltsidig tape.
    3. Slå på høy intensitet ultrafiolett (UV) lys kilden og la den varmes opp til en konstant utgang (ca 30 min).
      Merk: UV vernebriller bør brukes ved høy intensitet UV lyskilde.
    4. Fyll tre 150 mL Petri retter med aceton, etanol eller destillert vann.
    5. Plass tom gjennomsiktighet på flate nær høy produksjon UV-kilde, men ikke direkte under UV lys. Dette vil gi en base å utvikle microfluidic stempelet.
    6. Skissere hjørnene av et 75 × 50 mm glass lysbilde i midten av Tom gjennomsiktigheten med en permanent markør og sted fire glass avstandsstykker (ca 30 × 30 × 1 mm) i hjørnene av disponerte rektanglet.
    7. Hell ca 5 mL av UV kureres thiol: ene harpiks i midten av avstandsstykkene, og forsiktig plassere en 75 x 50 x 1 mm objektglass på glass avstandsstykker, slik at limet er helt dekket av glass lysbildet med ingen luftbobler.
    8. Gjennomsiktigheten med trykte negativt på toppen av objektglass og flytte alle de ovennevnte komponentene (fra bunn til topp: Tom åpenhet, glass spacere og UV-lim, objektglass og negative transparent) ved å dra tom gjennomsiktigheten nøye under UV lyskilden.
    9. At UV-lyset å skinne gjennom negative på harpiks og kur. Kur tiden kan justeres for å endre høyden på kanalen. En 45 kur tid resultater i en kanal høyde på 1 mm, bruke våre lyskilde.
    10. Flytte komponentene fra UV-kilde og fjerne negative transparent og objektglass. Av objektglass med kanalene fabrikkert i UV lim vil nå bli referert til som microfluidic stempelet.
    11. Kast åpenhet og glass avstandsstykkene.
    12. Dypp microfluidic frimerket aceton badekaret, etterfulgt av etanol badekaret. Gjenta dette trinnet to ganger. Aceton vil forringe UV limet, så ikke la aceton på stempelet større enn 10 s.
    13. Mens du holder stempelet, dukke stempel i vannet og bruke en bomullspinne for å fjerne resten av Ureagert harpiks. Ikke direkte tørk kurert deler, som det vil gjøre kanalene grov.
    14. Plasserer stempelet på papirhåndkle og tilbake til UV-kilde i minst 30 minutter for å sikre fullstendig herding.
  2. Polydimethylsiloxane (PDMS) molding
    1. Hell 70 g av PDMS base i en klar kopp og legge cross-linking agent til basen i vektforholdet 1:10 crosslinker basere. Dette er produsenten anbefalte prosenter. Bruker ikke en glassbeholder.
    2. Bland kryss-linker og base grundig med en metall rørestang; blandingen skal være grumset på grunn av fanget luftbobler når riktig blandet.
    3. Plassert i PDMS i et vakuum ovnen og trekke vakuum på blandet PDMS. Slå av vakuum Hvis løsningen begynner å overflyt fra cup, så fortsette vakuum etter overløp avtar. Totalt trykket i vakuum ovnen spiller ingen rolle, som vakuum bare raskere avgassing. La i kammeret til alle bobler har blitt evakuert fra blandingen (ca 60 minutter).
    4. Sett microfluidic stempel i en tom 150 mm diameter plast Petriskål, og sakte hell i PDMS i Petriskål, helt dekker microfluidic stempelet. Hell nær overflaten av Petriskål å minimere bobler reformere i PDMS.
    5. Dekke Petriskål og sett i ovnen en 55 ° C over natten å kurere. Når helt helbredet, kuttet i mønstret PDMS bruke en kniv og fjerne fra stempel. Beholde overflødig PDMS for bygging av løsemiddel bassenget (protokollen trinn 1.6.3) og PDMS propper (protokollen trinn 2.2.1.1).
    6. Bruke en 0,5 mm biopsi punch, skjære hull til følgende områder: en på hvert hjørne, ett i sugekraft kammeret nær kanten av kanalen, seks eksempel kammeret symmetrisk plassert 60° fra hverandre, og en i midten av prøven kammeret. For å sikre ut symmetrisk montert hull et mønster på et ark og sted under eksempel kammeret. Siden PDMS er klar, kan du enkelt se hvor hullene skal plasseres.
  3. Utarbeidelse av sol-gel løsning å lage glassvegger i microfluidic enhet
    1. Legg til 25 mL av 90% etanol, 25 mL av pH 4 (0.0001 M) i en 100 mL krukke, saltsyre løsning, 25 mL av 98% tetraethoxysilane og 25 mL av 98% methyltriethoxysilane. Sted 100 mL løsningen, nå omtales som preconverted væsken, i mikrobølgeovn avdekket i 10 sekunder, og sett i en 80 ° C over natten.
  4. Enheten montering
    1. Plasser begge de mønstrede PDMS og en 75 × 50 × 0.10 mm glass lysbilde i plasma renere og 3-veis ventilen til av-stilling.
    2. Aktivere vakuumpumpe og tillate ett minutt å evakuere kammeret.
    3. Sette 3-veis ventilen for å flyte kontrolleren posisjon og la kammeret equilibrate i 5 sekunder. Flyt Kontroller plasseringen gjør en liten flow rate av luft inn plasma renere, lavt nok for å holde kammeret ved lave trykk. Slå på bryteren (radiofrekvens) til middels for 40 sekunder, deretter slå av RF-bryteren og vakuumpumpe.
    4. Plass 3-veis ventilen til åpen posisjon tilbake i kammeret atmosfæriske forhold. Fjerne mønstret PDMS og glass lysbildet.
    5. Nøye følge mønstret PDMS til glass lysbilde ved å sette to overflater i kontakt med hverandre.
    6. Bruke UV kureres harpiks sømmene rundt mønstrede PDMS og kur for 5 min under lav intensitet UV-lyset.
  5. Fabrikasjon av glassvegger i microfluidic kanaler.
    Merk: Dette trinnet må fullføres innen 30 minutter plasma, som det PDMS celleoverflaten endringer som oppstår under plasma behandling. Tykkelsen på laget vil være ca 5-10 µm. Dette trinnet krever bruk av flyktige materialet og bør gjøres i kjemisk avtrekksvifte.
    1. Angi en kokeplate 100 ° c og forberede fire sprøyter (tre 30 mL og en 3 mL) med 18 gauge nåler og ca 30 cm lengde klar termoplastisk rør.
    2. Fyll tre 30 mL sprøyter med etanol, kloroform og luft, henholdsvis. Fylle en 3 mL sprøyte med preconverted væske (fra protokollen trinn 1.3.1.)
    3. Sett inn tydelig termoplastisk rør ved hjelp av rustfritt stål kontakter i hvert av hullene i mønstret PDMS, med unntak av ett hjørne hull. Dette hullet blir brukt som en vik, mens alle andre er utsalgssteder.
    4. Fyll microfluidic enheten med preconverted væske fra sprøyten, og plasser microfluidic enheten på 100 ° C varm plate så bunnen glasset berører overflaten av kokeplate.
    5. Strømme 3 mL preconverted væske gjennom microfluidic enheten over 10 sekunder. Tykkelsen på glassvegger justeres ved å endre infusjonshastigheten preconverted væske.
    6. Fjern microfluidic enheten fra varmeplaten. Erstatte preconverted løsning sprøyten med luft sprøyten og presse ut overflødig preconverted væske.
    7. Erstatte luften sprøyten med kloroform sprøyten og sakte strømme 15 mL kloroform gjennom microfluidic enheten. Erstatte kloroform sprøyten med etanol sprøyten og sakte flyte 30 mL av etanol gjennom microfluidic enheten. Disse trinnene bør ta ca 1 min hver.
    8. Erstatt etanol sprøyten med luft sprøyten og flyt luften gjennom microfluidic enheten til tørr.
  6. Anvendelse av glass støtter og løsemiddel-bassenget
    1. Kutte 75 × 10 × 1 mm glass strimler av glass fra 75 × 25 × 1 mm lysbilder.
    2. Bruke UV kureres harpiks glass strimler. Plass microfluidic enheten på strimler, med PDMS siden vendt oppover. Flytte under lav intensitet UV lyskilden i 5 minutter.
    3. Kutte en 30 × 30 mm for PDMS. Bruker en biopsi punch, skjære hull store nok til å dekke 10 mm utvalg kammeret.
    4. Plasser PDMS kvadrat og microfluidic enhet i plasma renere, deretter sette 3-veis ventilen til av-stillingen og aktivere vakuumpumpe.
    5. Tillate ett minutt å evakuere kammer. Sett 3-veis ventilen til flyt kontrolleren posisjon og la kammeret equilibrate i 5 sekunder.
    6. Aktivere RF bryteren til middels for 40 sekunder, deretter slå av RF-bryteren og vakuumpumpe.
    7. Plass 3-veis ventilen til åpen posisjon tilbake i kammeret atmosfæriske forhold.
    8. Fjerne løsemiddel bassenget og microfluidic enheten fra plasma kammeret og overholde ved å kontakte overflater. Husk å plassere løsemiddel bassenget over eksempel kammeret.

2. µ2Reologi prosedyre

  1. Forberedelse av myk saken prøver
    1. Vask sonde partikler
      1. Pipetter vann og 0,5 µm sonder i et microcentrifuge rør i forholdet til vann sonder 10:1. Blander grundig med Pipetter miksing, og plasser microcentrifuge røret i microcentrifuge og spinn 4600 x g i 10 minutter.
        Merk: Sonde løsningen i dette arbeidet er mottatt suspendert i vann med en innledende konsentrasjon av 2,6% tørrstoff/volum, og endelige konsentrasjonen av sonder i prøven er 0,1% tørrstoff/volum.
      2. Fjern microcentrifuge rør og pipette ut nedbryting. Erstatt nedbryting med Ionisert vann. Gjenta sentrifugering for totalt tre ganger.
      3. Plasser microcentrifuge rør i sonicator og sonicate på lav i 15 minutter å fjerne noen aggregater.
    2. Kombinere sonder og myk saken.
      Merk: Til dette en kolloidalt gel ble brukt som myk saken prøven.
      1. På et 75 × 50 mm glass lysbilde, mål 1 mL av utvalget materialet. Pipetter 40 µL av sonden løsning i midten av prøven.
      2. Forsiktig kaste prøven med metall spatula til helt kombinert. Scoop prøven i en microcentrifuge rør og sentrifuger 2340 x g 15 s å fjerne fanget.
      3. Fyll en 1 mL sprøyte utstyrt med en 18 gauge nål og klart termoplastisk rør med sonde/HCO blanding.
  2. Påfølgende fasen overganger av fluid bytte
    1. Fyller microfluidic enheten
      1. For å opprette PDMS propper, kuttet ved hjelp av overflødig PDMS fra protokollen trinn 1.2.5, en 5 mm firkantet del av PDMS. Bruke en 0,5 mm diameter biopsi punch, skjære hull halvveis i PDMS stopperen. Sett inn en rustfritt stål kobling i 0,5 mm diameter hull.
      2. Koble termoplastisk rør til tre corner inlet kanalene og suge kammer stikkontakt kanalen. Fylle enheten med vann med en syringe koblet til enheten. Sikrer det ikke finnes noen bobler i prøven kammeret eller microfluidic kanalene. Blokkere gjenværende hjørnet hullet med PDMS stoppere.
      3. Løsemiddel bassenget bør bli delvis fylt fra trinn 2.2.1.2; Hvis det ikke er fylt, fylle løsemiddel bassenget med vann.
      4. Bruker sprøyten fra protokollen trinn 2.1.2.3, injisere 10 µL av prøven/sonde blanding gjennom senterkanalen i prøven kammeret på ca 2 µL/s, og bruk en PDMS stopper for å blokkere senterkanalen i prøven kammeret.
    2. Samle inn microrheological data
      1. Slå kamerainnstillingene de optimalisert for å redusere statisk og dynamisk partikkel sporing feil, deretter bytte til 63 × vann nedsenking målet og Pipetter en dråpe vann på linsen.
      2. Plasser microfluidic enheten på mikroskopet scenen og øke målet før det er fokusert på prøven.
      3. Ta videoer av Brownsk bevegelse sonder tidsintervaller passer for den totale lengden på en fase-endring. Gelation, fortsette å ta videoer til sonde bevegelse er helt stoppet.
        Merk: Vi samle data hvert 10 min. Hvis vi starter med en dårligere eksperiment, dataene samles inn til sonder er helt spre.
    3. Utveksling av væsker i prøve chamber (gravitasjon flow, utveksling av lavere tetthet væsker med høyere tetthet væsker)
      1. Fjern microfluidic enheten fra mikroskop scenen.
      2. Enkel sugeevnen vannet ut av løsemiddel bassenget med en overføring pipette, så Pipetter 4 mL høyere tetthet væske i løsemiddel bassenget.
      3. Tilbake microfluidic enheten til mikroskopet scenen og gjenta til trinn 2.2.2.3
    4. Utveksling av væsker i prøve chamber (sugekraft flyt, utveksling av høyere tetthet væsker med lavere tetthet væsker)
      1. Fjern microfluidic enheten fra mikroskop scenen og fjerne PDMS stopperen fra sugekraft kammeret.
      2. Sett en sprøyte utstyrt med 18 gauge nål og klart termoplastisk rør til sugekraft kammer kanal, og koble sprøyten til en sprøytepumpe. Angi sprøytepumpen å trekke på 1 mL/min.
      3. Fjerne overflødig gelling agent i løsemiddel bassenget og skyll tre ganger med vann ved å fylle løsemiddel bassenget og deretter utsuging ut skyll væsken.
      4. Start sugekraft med sprøytepumpen samtidig vann i løsemiddel bassenget i ett minutt. Ikke la løsemiddel bassenget tom helt, som dette vil trekke luft inn i prøven kammeret.
      5. Fjerne sprøyten fra microfluidic enheten og erstatte den PDMS stopperen på inntaks kammeret.
      6. Tilbake microfluidic enheten til mikroskopet scenen og fortsette å prøver
  3. Fortsett å ta prøver regelmessig under nedbrytning/gelation sykluser til ønsket antall sykluser er fullført eller det er ikke nok sonder for måling.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En to-lagdelt microfluidic enhet er konstruert med PDMS (figur 1, b), som er inspirert microfluidic stempel. Utformingen av stempelet er vist i figur 1c. Uriktig eksperimentelle oppsett kan resultere i feil i passiv microrheology og microfluidic strømmer under rundt fluid bytte (figur 2). Eksempler på uriktig eksperimentelle oppsett er detaljert under diskusjon. Under drift utveksles omkringliggende væske rundt en gel prøve. Denne fluid bytte oppstår når materialet er både gel og sol fasen. Denne microfluidic konstruksjon har muligheten til å utveksle væske uten betydelige tap av gelling materiale og innebygde sonde partikler. To typer væske utveksling brukes, gravitasjon flow (når du går fra lavere til høyere tetthet væske) eller enkel sugeevnen flyt (når du går fra høyere til lavere tetthet væske). I vårt HCO gel systemet brukes sugekraft flyt å indusere fornedrelse mens gravitasjon flow å indusere gelation. Begge flyter formidle minimal skjær på prøven, med skjær på 0,01 Pa og 1 Pa for sugekraft og gravitasjon flow, henholdsvis. Disse saks er under stress ytelse gel, som er på 10 Pa9,10.

Tilstand, struktur og reologiske egenskaper av gel utvalget kjennetegnes kvantitativt ved hjelp av flere partikkel sporing microrheology (MPT). I MPT spores sonde partikler bruker klassisk sporing algoritmer27,28. Ensemble gjennomsnitt betyr-squared forskyvning (MSD) beregnes fra partikkel baner (Figur 3) under påfølgende fasen overganger. Microrheology data (Figur 3) viser at etterfølgende fase overganger er oppnådd i HCO gel systemet. MSD kurvene veksle mellom α → 0 (gel) og α → 1 (sol). Omfanget av MSD kurvene er over den laveste målbare MSD grensen for eksperimentell installasjonen (0,001 µm2). Denne grensen bestemmes eksperimentelt overholde sonder på glass i en prøve kammer, som er gjort ved at partikler å avgjøre under tyngdekraften over natten. Ensemblet gjennomsnitt MSD arrestert sonde partikler måles for å få den laveste grensen for MSD, som er avhengig av spesifikke eksperimentelle apparatet.

Logaritmisk skråningen av MSD kurven (α) og ikke-Gaussian parameter (αNG) beregnes og delstaten materialet bestemmes kvantitativt sammenligning til kritisk avslapning eksponenten (n) (Figur 4). For dette eksperimentet, bruker HCO som en modell gel, måles totalt ni overganger. Materialet starter som en gel (α → 0) og fem ødeleggelse (α → 1) og fire gelations (α → 0) måles over 1500 minutter. Tidspunktet for hver fase overgang er materiale avhengige. Faseendringer er indusert av utveksling av væske. Når det er ingen fluid bytte, som vist av lengre i sol fase mellom 800-1400 min, sonde partikler forblir i utvalget og det er ingen endringer i reologiske egenskapene. Når en væske utveksling skjer, gels materialet igjen.

Dataene vi får fra denne enheten gir informasjon om reologiske egenskaper og struktur av materialet på flere måter. Vi måler ikke endringer i likevekt reologiske egenskapene fra gjentatte faseendringer. Dette er tydelig ved α i hver fase tilbake til samme verdi. Når materialet i sol fase, den når α, = 0.90, og når i gel fase, α = 0,20. Verdien av α i sol fase indikerer at materialet beholder noen struktur selv etter degradering. Et kolloidalt system som har fullstendig brutt ned i en løsning av kolloidalt partikler har α = 1.0, mens likevekt verdien i sol fase for HCO α = 0.90, som viser noen struktur beholdes. I tillegg kan kolloidalt omorganisering skje umiddelbart etter fluid bytte, som angis av en økning i α. Til slutt, ikke-Gaussian parameteren αNG, som quantifies heterogenitet av materialet, viser at gel gjennomgår en økning i strukturelle heterogenitet under degradering (gel til sol) transition. Dette er tydelig ved toppen i αNG.

Figure 1
Figur 1: Microfluidic enheten. (a) bilde av to-lags microfluidic enheten som feller et utvalg på plass mens omkringliggende væsken utveksles. Det første laget har to kamre, for eksempel og en annen for sugekraft. Hull ligger i hver av hjørnene, samt ett i sugekraft kammeret og sju i prøven kammeret. Over eksempel kammeret er et andre lag av PDMS overholdt enheten til å fungere som en løsemiddel bassenget. (b) prøve injiseres inn i prøven kammeret gjennom midten kanalen. Prøven er låst på plass under væske overføring av symmetrisk innløp bekker i prøven kammeret opprette lik trykket rundt prøven. (c) design brukt til å opprette microfluidic stempel for1-laget av enheten . Chambers hver har en diameter på 10 mm, mens kanalene har en bredde på 1 mm. Den resulterende høyden for både kanaler og kamre er 1 mm etter 45 s av UV-stråling. Gjengitt fra Wehrman et al. 201710 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 : Bildet av en feil fylt microfluidic enhet. Luftbobler injisert i enheten kan ha negative effekter på både microrheological-data (på grunn av regissert bevegelse partikler på gass-væske grensesnittet) og microfluidic strømmer under løsning utveksling. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: betyr-squared forskyvning kurver av en hydrogenert ricinusolje gel degradering (a, c) og gelation (b, d). 2nd (a, b) og 3rd (c, d) fase overganger vises ut av 9 totalt overganger. Den kritiske overgangspunkt (gel - sol eller sol - gel) er merket med en stiplet linje på n = α = 0,77 og representerer hver fase-endring med MSD kurver over linjen er en sol og under en gel. Gjengitt fra Wehrman et al. 201710 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: Logaritmisk skråningen (, lukket) og ikke-Gaussian parameteren (αNG, åpne) et enkelt eksempel 4 wt % hydrogenert ricinusolje gel under gjentatt fase overganger. Kritisk overgangen er merket med en horisontal stiplet linje (n = 0,77) og ble bestemt fra tidligere microrheological eksperimenter9,10. Loddrette linjer angir løsemiddel utveksling, med hvit bakgrunn som indikerer at det er vann i løsemiddel bassenget og skyggelagt grå områder er det gelling agent i løsemiddel bassenget. En endring i fargen mellom hvitt og grått indikerer en omvendt osmotisk graderingen. Hvis fargen ikke endres på en loddrett linje, angir at prøven kammeret blir re skylles grundig med samme løsemiddelet. Dette skjer når det er lite væske fjernes, og ofte skjer når høyere tetthet væsken i prøven kammer på grunn av sin store viskositet. Gjengitt fra Wehrman et al. 201710 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

To-lags microfluidic enheten (figur 1) kan lett gjøres ved følgende veldokumenterte microfluidic fabrikasjon teknikker29. Glass støtter legges til bunnen av enheten å redusere vibrasjonsmedisin effekter på sonde bevegelse. Av objektglass er svært tynn (0,10 mm) for å imøtekomme arbeidsavstand av mikroskopet målet. Dette gjør enheten utsatt for små vibrasjoner i bygningen og prøve miljø som er deretter målt med høy hastighet kameraet. Glass støtter oppheve vellykket disse eksterne stimuli. Kort arbeider avstand målet er valgt å samle nøyaktige MPT data som krever: (1) minst 4 piksler per partikkel og (2) en begrenset arbeidsavstand å unngå imaging partikler som ikke i 2D flyet.

Utformingen av denne enheten, figur 1en-c, er basert på tidligere undersøkelser som kombinerer microrheology med microfluidics. Schultz og Furst utviklet µ2Reologi, ved hjelp av samme microfluidic fabrikasjon teknikk brukt for vårt arbeid. Enheten ble designet for å skape 50-100 prøver av hydrogel materialer, atskilt av en kontinuerlig fase, med graderinger i begge polymer ryggrad og kryss-linker konsentrasjon16,29. I tillegg vist teknikker bruker konvergerende microfluidic bekker seg å være nyttig for fangst av enkelt partikler eller makromolekyler25,26. Vi har kombinert fabrikasjon teknikk av Schultz og Furst og deres ideen om å ta microrheological mål i en microfluidic enhet i vår nye enheten og har skalert opp microfluidic overlapping design. I vår design oppretter vi 1 mm firkantet kanaler som er avrundet når et lag av glass på innsiden av kanalene med sol-gel kjemi30. Kanal dimensjonene er valgt for å unngå interaksjoner mellom sonde partikler og murene av den microfluidic enheten31. For våre sonde størrelse (0,5 µm) og channel høyde (1 mm) etter kraft fra glass er proben på F ≈ 10-18 N, som angir denne styrken i glass veggen ikke vil ha en merkbar effekt på bevegelsen av sonden partikler 31. i tillegg sonde partikler må være innenfor 10 µm på muren for å påvirke bevegelse partikler på grunn av partikkel interaksjon med veggen. Alle data er samlet inn mer enn 10 µm fra veggen. Glass er laget i microfluidic kanaler å hindre løsemiddel opptak av PDMS under våre eksperimentelle tidsskala, som er på timer. Ved å bruke en fabrikasjon teknikk som gir 10 µL utvalgene (tilsvarende en kanal høyde på 1 mm) og konvergerende microfluidic bekker, kan vi skalere opp metoden fangst fra enkelt molekyler til 10 µL.

2-lags design er tatt for å hindre flyt ustabilitet som forekommer i en enkelt enhet. Under tidlig gjentakelser av dette arbeidet var hele enheten ett lag. To input bekker (hver med samme væsken, enten vann eller gelling agent) startet fra av enheten og strømmet gjennom lange kanaler kjører lengden på enheten, tangentiell til prøve chamber. Men resulterte flyt ustabilitet mellom kanalene i strømme gjennom eksempel kammeret og tap av prøven, slutter eksperimentet. Det andre laget, sammen med tillegg av stor sugekraft kammeret, fjerner disse ustabilitet ved å bare bruke en suge kilde og opprette lik trykket rundt prøven, fangst prøven under eksperimenter. Det andre laget har en veldig enkel design og er ment å holde nye omkringliggende væsken over eksempel kammeret.

µ2Reologi dataene kunne samles inn ved hjelp av over protokollen. Første trinn i oppsettet, fyller enheten, er avgjørende for en vellykket eksperiment. Uriktig fylling kan resultere i bobler i kanalene eller prøve kammeret, som vil ha en negativ innvirkning både på microrheology og funksjonen til microfluidic enheten (figur 2). Den enkleste måten å unngå bobler i microfluidic enheten er ved å fylle sprøyten (Kontroller at det ikke er noen bobler) før du fyller enheten helt. Alternativt bobler kan fjernes ved å enten introdusere en stor strømningsrate løsemiddel (ved å trykke stempelet til sprøyten vanskeligere) eller ved å trykke enheten forsiktig til boblene flytter til en Avslutt-kanal. Bobler innenfor eksempel kammeret kan forårsake regissert bevegelse av sonder på luft-flytende grensesnittet. MPT mål krever sonder gjennomgå rent Brownsk bevegelse å måle materialegenskaper. Bobler i microfluidic kanaler også påvirke flyt under væske utveksling, som deretter forårsake endringer i press og flytte gel prøven ut av kammeret. Begge disse problemene kan unngås ved å sikre at enheten og løsemiddel kammeret er helt fylt med væske før eksempel injeksjon. Prøven inn trinnet vil gi noen skjær på prøven, men det ikke påvirker negativt reologiske egenskaper og struktur av materialet. Dette ble bekreftet av bulk reologiske målinger av prøver lastet uten skjær og prøver lastet opp på rheometer ved hjelp av samme input teknikker som microfluidic enheten. Etter at enheten er riktig fylt, sikrer prosedyren disposisjonen over riktig funksjon under eksperimenter.

Det er minimal materiale tap under fluid bytte. Dette er tydelig under eksperimenter av: (1) evne til kolloidalt materialet har nok fiber fortsette å danne et gel nettverk og (2) konsentrasjonen av sonden partikler igjen høy nok til å samle statistisk signifikant MPT målinger. I tillegg er et enkelt eksempel kan opptil ni fase overganger, ytterligere indikerer minimale tap under fluid bytte. Totalt antall observerbare overganger avhenger av mengden sonder tapt på grunn av spredning av prøven når det er i sol fase. Sonder er diffusive når materialet er en sol, og en liten mengde av dem vil spre av prøven etter hver gel-sol overgang. Mengden sonder vil begrense overganger mulig for enheten.

Vi har vist at denne enheten kan brukes til å måle materialegenskaper og finne mikrostruktur myk saken under gjentatt fase overganger. Symmetri av vik portene inn i prøven kammeret feller et utvalg på plass, slik at gjentatte fase overganger på et enkelt utvalg uten tap av prøven. Enheten design kan lett tilpasses forskjellige systemer, inkludert polymere hydrogels som endrer strukturen på grunn av endringer i pH eller biologiske og surfactant materiale som er mottakelig for endringer i saltkonsentrasjon, slik at reproduserbar resultater bestemme reologiske egenskaper og struktur av en gel system under påfølgende faseendringer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Det er ingen opplysninger for dette arbeidet.

Acknowledgments

Midler til dette arbeidet ble gitt av Procter & Gamble co og American Chemical Society forskning oljefondet (54462-DNI7). Bekreftelse er gjort til givere i American Chemical Society Petroleum forskning Fund delvis støtte av denne forskningen. Forfatterne ønsker å erkjenne Dr. Marco Caggioni for nyttig diskusjoner.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
150 x 15 mm Petri Dish Corning, Inc. 351058
75 x 50 x 0.15 mm glass slide Fisher Scientific Custom
75 x 50 x 1.0 mm glass slide Fisher Scientific 12-550-C
75 x 25 x 1.0 mm glass Slide Fisher Scientific 12-550-A3
22 x 22 Glass cover slips Fisher Scientific 12-542-B
Acetone, 99.5% VWR Analytical 67-64-1
Low intensity UV source UVP UVL-56
Chloroform, 99.9% Fisher Chemical C298-500
Cotton Swabs Q-tips 83289205
Ethanol, 90% Fisher Chemical A962-4
Fluoresbrite® YG Carboxylate Microspheres 0.50µm Polysciences, Inc.  15700-10
High-Intensity UV Lamp Spectroline Corp. SB-100P
Hot plate Corning, Inc. PC-420
Hydrochloric Acid, 6N Ricca Chemical Company 3750-32
Methyltriethyoxysilane, 98% Acros Organics 174622500
Microcentrifuge Eppendorf 5424
Plasma cleaner Harrick Plasma, Inc. PDC-32G
Polydimethylsiloxane (PDMS) Robert McKwown Company 2065622
Sonicator Branson, Emerson Electric 1800
Steel connectors, ID 0.023 inch New England Small Tube Corp. Custom
Tetraethoxysilane, 98% Alfa Aesar A14965
Thiol-ene Resin (UV curable) Norland Products, Inc.  NOA81
Transparency Staples Inc.  21828
Tygon tubing, ID 1/32 inch McMaster-Carr E-3603
Vacuum oven Fisher Scientific 282A
Biopsy punch 8 mm World Precision Instruments 504535
Bioposy punch 0.5 mm World Precision Instruments 504528
Syringe, 30 mL BD 309659
Syringe, 3 mL BD 309651
Needle, 18 gauge BD 305195
Microcentrifuge tube, 1.5 mL Eppendorf 22-36-320-4
High-speed Camera Vision Research Miro M120 
Microscope Carl Zeiss AG Zeiss Observer, Z1
Syringe pump New Era Pump Systems NE-300
Hydrogenated castor oil Procter & Gamble N/A
Afício MP 6002 Printer Ricoh Company, Ltd. 415877

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mitchell, P. Microfluidics-downsizing large-scale biology. Nat. Biotech. 19, 717-721 (2001).
  2. Haber, C. Microfluidics in commercial applications; an industry perspective. Lab Chip. 6, 1118-1121 (2006).
  3. Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442, 368-373 (2006).
  4. Huang, X., Raghavan, S. R., Terech, P., Weiss, R. G. Distinct kinetic pathways generate organogel networks with contrasting fractality and thixotropic properties. J. Am. Chem. Soc. 128, 15341-15352 (2006).
  5. Larsen, T. H., Schultz, K. M., Furst, E. M. Hydrogel microrheology near the liquid-solid transition. Korea-Aust. Rheol. J. 20, 165-173 (2008).
  6. Larsen, T. H., Furst, E. M. Microrheology of the liquid-solid transition during gelation. Phys. Rev. Lett. 100, 146001 (2008).
  7. Schultz, K. M., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. Rapid rheological screening to identify conditions of biomaterial hydrogelation. Soft Matter. 5, 740-742 (2009).
  8. Switzer, L. H., Klingenberg, D. J. Flocculation in simulations of sheared fiber suspensions. Int. J. Multiph. Flow. 30, 67-87 (2004).
  9. Wehrman, M. D., Lindberg, S., Schultz, K. M. Quantifying the dynamic transition of hydrogenated castor oil gels measured via multiple particle tracking microrheology. Soft Matter. 12, 6463-6472 (2016).
  10. Wehrman, M. D., Milstrey, M. J., Lindberg, S., Schultz, K. M. Using µ2rheology to quantify rheological properties during repeated reversible phase transitions of soft matter. Lab Chip. 17, 2085-2094 (2017).
  11. Wehrman, M. D., Lindberg, S. E., Schultz, K. M. Impact of shear on the structure and rheological properties of a hydrogenated castor oil colloidal gel during dynamic phase transitions. J. Rheol. , (2018).
  12. Loh, X. J. Dual-responsive "reversible micelles". J. Appl. Polym. Sci. 127, 992-1000 (2013).
  13. Kern, F., Zana, R., Candau, S. J. Rheological properties of semidilute and concentrated aqueous solutions of cetyltrimethylammonium chloride in the presence of sodium salicylate and sodium chloride. Langmuir. 7, 1344-1351 (1991).
  14. Trappe, V., Prasad, V., Cipelletti, L., Segre, P. N., Weitz, D. A. Jamming phase diagram for attractive particles. Nature. 411, 772-775 (2001).
  15. Philipse, A. P., Wierenga, A. M. On the density and structure formation in gels and clusters of colloidal rods and fibers. Langmuir. 14, 49-54 (1998).
  16. Schultz, K. M., Bayles, A. V., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. Rapid, high resolution screening of biomaterial hydrogelators by mu2rheology. Biomacromolecules. 12, 4178-4182 (2011).
  17. Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179, 298-310 (1996).
  18. Crocker, J. C., Weeks, E. R. Particle tracking using IDL. , Available from: http://www.physics.emory.edu/faculty/weeks//idl/tracking.html (2011).
  19. Mason, T. G. Estimating the viscoelastic moduli of complex fluids using the generalized Stokes--Einstein equation. Rheol. Actac. 39, 371-378 (2000).
  20. Mason, T. G., Ganesan, K., van Zanten, J. H., Wirtz, D., Kuo, S. C. Particle tracking microrheology of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 79, 3282-3285 (1997).
  21. Mason, T. G., Weitz, D. A. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 74, 1250-1253 (1995).
  22. Squires, T. M., Mason, T. G. Fluid mechanics of microrheology. Annu. Rev. Fluid Mech. 42, 413-438 (2010).
  23. Gittes, F., Schnurr, B., Olmsted, P. D., MacKintosh, F. C., Schmidt, C. F. Microscopic viscoelasticity: shear moduli of soft materials determined from thermal fluctuations. Phys. Rev. Lett. 79, 3286-3289 (1997).
  24. Mai, D. J., Brockman, C., Schroeder, C. M. Microfluidic systems for single DNA dynamics. Soft Matter. 8 (41), 10560-10572 (2012).
  25. Tanyeri, M., Ranka, M., Sittipolkul, N., Schroeder, C. M. A microfluidic-based hydrodynamic trap: design and implementation. Lab Chip. 11, 1786-1794 (2011).
  26. Lee, J. S., Dylla-Spears, R., Teclemariam, N. P., Muller, S. J. Microfluidic four-roll mill for all flow types. Appl. Phys. Lett. 90, 074103 (2007).
  27. Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179 (1), 298-310 (1996).
  28. Mason, T. G., Weitz, D. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 74 (7), 1250 (1995).
  29. Schultz, K. M., Furst, E. M. High-throughput rheology in a microfluidic device. Lab on a chip. 11, 3802-3809 (2011).
  30. Abate, A. R., Lee, D., Do, T., Holtze, C., Weitz, D. A. Glass coating for PDMS microfluidic channels by sol-gel methods. Lab Chip. 8, 516-518 (2008).
  31. Happel, J., Brenner, H. Low Reynolds Number Hydrodynamics: with special applications to particulate media. , Prentice-Hall. (1965).

Tags

Engineering problemet 134 Colloids gel microfluidics microrheology Reologi myk saken
Microfluidics og Microrheology for å finne reologiske egenskapene til myk saken under gjentatt fase overganger
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wehrman, M. D., Milstrey, M. J.,… More

Wehrman, M. D., Milstrey, M. J., Lindberg, S., Schultz, K. M. Combining Microfluidics and Microrheology to Determine Rheological Properties of Soft Matter during Repeated Phase Transitions. J. Vis. Exp. (134), e57429, doi:10.3791/57429 (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