Waiting
Login processing...

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

Engineering

Сочетание микрофлюидика и микрореологию определить реологических свойств мягкой материи во время неоднократных фазовых переходов

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

Мы показываем, изготовление и использование microfluidic устройство, которое позволяет несколько частиц, отслеживание измерений микрореологию изучить реологические эффекты неоднократные фазовых переходов на мягкой материи.

Abstract

Микроструктура мягкой материи напрямую влияет на реологические свойства макроскопических и может быть изменено факторами, включая коллоидных перегруппировки в ходе предыдущего этапа изменения и применяется при сдвиге. Чтобы определить масштабы этих изменений, мы разработали microfluidic устройство, что позволяет повторять фазовых переходов, индуцированных обмена окружающих жидкости и микрореологических характеристика ограничивая сдвига на образце. Эта техника является реология2мкг, сочетание микрофлюидика и микрореологию. Microfluidic устройство это двухслойная конструкция с симметричный вход потоков ввода пример камеры, что ловушки гель образца в месте в ходе обмена жидкости. Всасывания могут применяться далеко от камеры образец тянуть жидкостях в камеру образец. Реологические свойства материала характеризуются использованием нескольких частиц, отслеживания микрореологию (MPT). В МРТ флуоресцентный зонд частицы внедряются в материал и броуновское движение зондов записывается с помощью видео микроскопии. Отслеживается движение частиц и рассчитывается среднее квадрат перемещения (MSD). Урс связано с макроскопических реологические свойства, используя обобщенные Стоукс-Эйнштейна отношения. Фазы материала определяется сравнением для критических отдыха экспоненты, определяется с использованием время отверждения суперпозиции. Измерения волокнистый гель коллоидных проиллюстрировать полезность технику. Этот гель имеет нежный структуру, которая может необратимо изменено когда применяется сдвига. мкг2реология данных показывает, что материал неоднократно уравновешивает же реологических свойств после каждого этапа перехода, указав, что фазовых переходов не играют роль в микроструктурных изменения. Чтобы определить роль сдвига, образцы можно стриженый до инъекции в нашей microfluidic устройство. Реология2мкг широко применяется методика для характеризации мягкой материи, позволяя определение реологических свойств деликатный микроструктур в одном образце при фазовых переходов в ответ на неоднократные изменения в окружающих условий окружающей среды.

Introduction

Фазовые переходы в мягкой материи можно изменить структуру леса, которая имеет последствия в переработки и окончательной стабильности материала1,2,3. Характеристика мягких материалов во время динамического фазовых переходов предоставляет важную информацию о взаимосвязи между структурной эволюции и равновесная структура и реологические свойства. Например многие уход на дому продукты требуют изменения фазы во время использования потребителем. Кроме того в процессе производства, шагов обработки, включая разбавления и смешивания, может распространять сдвига, влияющих на реологические свойства и окончательной микроструктуры продукта. Понимание всей фазы изменения реологических свойств гарантирует, что продукт выполняет как конструировано. Кроме того если силы изменить начальную реология материала в процессе производства, фазовых переходов может принести непредвиденные и нежелательные результаты, изменения функции и эффективность. В точке критического гелеобразования, определяется как точки, где материал переход от решения связанных коллоиды или полимеров к охватывающих образец гель сети свойств материала резко изменить с незначительными изменениями в ассоциацию. Любые изменения в структуре в точке критического гель может повлиять на конечный продукт4. В ходе этих динамических переходов мягкие материалы имеют слабые механических свойств и измерений, которые используют классические экспериментальные методы можно в пределах измерения шума предел5,6,7. С учетом этого, методы, такие как микрореологию, который чувствителен в диапазоне низких модули (10-3 - 4 Па), используются для характеристики слабых зарождающегося гель во время динамической эволюции. Некоторые материалы чувствительны к изменениям в микроструктуры вследствие внешних сил, которое представляет собой проблему во время определения характеристик, как любой передачи материала или жидкости может повлиять на структуру и, в конечном счете, окончательный свойства материала. Чтобы избежать изменения микроструктуры материала, мы разработали microfluidic устройство, которое можно обменять природоохранных жидкость вокруг образца при сведении к минимуму сдвига. Путем обмена жидкости окружающей среды, изменения реологических свойств и микроструктуры измеряются при фазовых переходах с минимальным вкладом от сдвига. Устройство в сочетании с несколько частиц, отслеживание микрореологию (MPT) в технике называется мкг2реологии. Этот метод используется для количественного определения свойств материала во время последовательных фазовых геля в ответ на внешние движущей силой. Техника будет проиллюстрировано с помощью волокнистых коллоидных гель, гидрогенизированное касторовое масло (HCO)9,10,11.

Подмости гель может претерпеть изменения в ассоциации и диссоциации вследствие их образец среды12,13,,1415. Движущей силой для гелеобразования и деградации материал конкретными и должны быть адаптированы для каждого материала интерес. Реология мкг2может использоваться для характеризуют гель систем, которые реагировать на внешние стимулы, включая коллоидных и полимерные сети. Изменение рН, осмотическое давление или концентрации соли являются примерами движущих сил, которые могут вызвать изменения микроструктуры материала. К примеру HCO подвергается контролируемые фазовых переходов, создав градиент осмотического давления. Когда образец концентрированной HCO гель (4 wt % HCO) погружен в воду, ослабляют сил притяжения между коллоидных частиц, вызывающих деградацию. Кроме того когда разбавленный раствор HCO (0,125 wt % HCO) связывается с гидрофильной материала (упоминаемый как желеобразователь и состоит главным образом глицерин и ПАВ), привлекательной силы вернуться, вызывая гелеобразование. Этот гель системы будет использоваться для отображения операции устройства как инструмент для измерения последовательных фазовых переходов на одном образце9,10. Охарактеризовать эти леса гель во время динамические переходы и деликатный гель зарождающиеся структуры на критическом этапе перехода, мы используем MPT характеризовать эти материалы с высоким пространственно временным разрешением.

Микрореологию используется для определения свойств геля и структуры, особенно в критических перехода массива мягких материалов, в том числе коллоидных и полимерных гелей5,6,9,16. МРТ является пассивным микрореологических техника, которая использует видео микроскопии броуновского движения частиц флуоресцентного зонда, внедренные в образец записи. В пределах 1/10й пикселей с использованием классических отслеживания алгоритмы17,18точно намерены частиц позиции на протяжении всего видео. Ансамбль в среднем среднего квадрата смещения (MSD, (Δr2(t))) рассчитывается из этих траекторий частиц. Урс связано с свойств материала, например соблюдение ползучести, используя обобщенные Стоукс-Эйнштейна отношения17,19,20,21,22, 23. Состояние материала определяется путем вычисления логарифмической наклон кривой MSD как функция времени задержки, α,

Equation 1

где t — время запаздывания и сравнивая его с критической отдыха экспоненты, n. n определяется с помощью время отверждения суперпозиции, документально технику, которая была изменена для анализа данных MPT Ларсен и Ферст6. Сравнения из n для α количественно определить состояние материала. При α > n материал является соль и когда α < n материал представляет собой гель. Предыдущая работа характеризуется HCO системы с помощью микрореологию для определения критических отдыха экспоненты9. Используя эту информацию, мы точно определить, когда материал перехода от геля соль во время эксперимента. Кроме того параметр негауссовских, αнг, могут быть рассчитаны для определения степени структурной неоднородности системы,

Equation 2

где Δx(t) — одномерный частиц движение в направлении x . С помощью MPT, мы может характеризовать одного фазового перехода, однако, характеризующих материалов с MPT microfluidic устройства, мы способны манипулировать окружающей жидкости и собирать данные нескольких фазовых переходов на выборке одного гель.

Этот microfluidic устройство предназначено для изучения важнейших переходы образец единого гель, который претерпевает изменения фазы в ответ на изменения в окружающей жидкости. Устройство обменивается жидкости вокруг образца, когда это либо в состоянии геля или соль, заблокировав образца в место, чтобы побудить фазового перехода при сведении к минимуму сдвига. Растворитель бассейна расположен непосредственно над образца камеры, которые соединены шесть симметрично расположенными подводящих каналов. Эта симметрия позволяет для обмена жидкости из растворителя бассейна в камеру образец при создании равных давления вокруг образца, фиксировать его на месте. Там было несколько исследований, которые используют этот метод для одной частицы и треппинг ДНК, но эта работа шкалы громкости от одной молекулы для образцов, которые являются приблизительно 10 мкл24,25,26. Этот уникальный дизайн также позволяет в реальном времени микрореологических характеристика во время фазовых переходов.

Реология2µ-это надежная техника, которая применима для многих систем мягкой материи. Метод, описанный в этом документе был разработан для коллоидных гели, но она может быть легко адаптирована для других материалов, таких как полимер или мицеллярный решения. С этой техникой, мы определить не только как фазовых переходов влияют на свойства материала равновесия, но шаги также как различные обработки может иметь долгосрочные эффекты на реологические эволюции материала и окончательный эшафот структуры и Свойства.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Изготовление Microfluidic устройства

  1. Microfluidic штамп изготовление.
    Примечание: Этот шаг требует использования летучих материалов и должно быть сделано в химической зонта.
    1. Используйте отрицательные печатных дизайн с теми же размерами, как стеклянное скольжение (75 × 50 мм), цветные белый каналы, и цветной фон черный (см. Рисунок 1). Распечатайте этот дизайн на листе ясно ацетат (прозрачность) с разрешением 1200 dpi.
    2. Если темная часть прозрачности по-прежнему позволяет света через, слой несколько негативов и придерживаться с помощью двухсторонней ленты.
    3. Включите источник света высокой интенсивности ультрафиолетового (УФ) и позволить ему согреться в постоянный выход (около 30 мин).
      Примечание: UV защитные очки нужно носить при использовании высокой интенсивности УФ источник света.
    4. Заполнить три 150 мл Петри с ацетоном, этанола и дистиллированной воды.
    5. Поместите пустой прозрачности на плоскую поверхность, недалеко от источника УФ высокий выход, но не непосредственно под УФ света. Это обеспечит базу для изготовления microfluidic штамп.
    6. Определить углы 75 × 50 мм стекла слайд в центре пустой прозрачности с помощью постоянного маркера и место четыре стекла прокладки (примерно 30 × 30 × 1 мм) в углах изложил прямоугольника.
    7. Налейте примерно 5 мл УФ вылечить тиоловых: Восточный смолы в центре прокладки, а затем тщательно место 75 x 50 x 1 мм стекла слайд на распорки стекла, так что клей полностью покрыта стеклом слайдов без воздушных пузырей.
    8. Поместите прозрачности с печатной отрицательной поверх стекла слайд и переместить все выше компоненты (снизу вверх: пустой прозрачности, стекла прокладки и УФ клей, стеклянное скольжение и отрицательные печатных прозрачности), перетащив пустой прозрачности тщательно под источником УФ света.
    9. Разрешить УФ свет светить через негатив на смолы и лечения. Чтобы изменить высоту канала может корректироваться время отверждения. 45 s лечения время результаты каналов высотой 1 мм, используя наш источник света.
    10. Переместите компоненты от источника УФ и удалить негативные печатных прозрачности и стеклянное скольжение. Стеклянное скольжение с каналами, изготовленный в УФ клей будет теперь именоваться microfluidic штамп.
    11. Отказаться от прокладки прозрачности и стекла.
    12. Окуните microfluidic штамп в бане ацетон, следуют Ванна этанола. Повторите этот шаг два раза. Ацетон будет деградировать УФ клеем, поэтому не оставляйте ацетона на марке для более чем 10 s.
    13. Придерживая штамп, опускайте отметку в воде и используйте ватный тампон, чтобы удалить остатки непрореагировавшего смолы. Не протирают непосредственно вылечить части, как он будет делать каналы необработанных.
    14. Место штампа на бумажное полотенце и вернуться к UV источник для по крайней мере 30 минут до обеспечения полного отверждения.
  2. Полидиметилсилоксан (PDMS) формования
    1. Налейте чашку ясно 70 g PDMS базы и добавить агент сшивки на базу в весовом соотношении 1:10 сшивателя на базу. Это производителя рекомендуется соотношения. Не использовать стеклянную тару.
    2. Смешать крест-компоновщик и тщательно базы с металлической мешалкой; смесь должна быть мутной благодаря зависшие воздушных пузырей после правильно смешанных.
    3. Надел PDMS в вакууме вакуумные печи и тянуть смешанной PDMS. Выключите пылесос, если решение начинает переполнения из Кубка, а затем возобновить вакуума после переполнения спадает. Общее давление в вакуумной печи не имеет значения, как пылесос только ускоряет процесс дегазации. Оставьте в камере до тех пор, пока все пузырьки были эвакуированы из смеси (примерно 60 мин).
    4. Место microfluidic штамп в пустой 150 мм диаметр пластиковой чашке Петри, затем медленно Налейте PDMS Петри, полностью охватывающих microfluidic штамп. Залейте близко к поверхности Петри для сведения к минимуму пузыри, реформирования в PDMS.
    5. Обложка Петри блюдо и место в 55 ° C духовке на ночь, чтобы вылечить. После того, как полностью вылечить, узорные PDMS с помощью ножа вырезать и удалить с печатью. Сохраните излишки PDMS для строительства бассейна растворителя (протокол шаг 1.6.3) и PDMS пробки (шаг 2.2.1.1 протокол).
    6. С помощью биопсии удар 0,5 мм, вырезать отверстия в следующих местах: один на каждом углу, один в зале всасывания на краю канала, шесть в палате образец симметрично расположенные 60° друг от друга и один в центре образца камеры. Для обеспечения симметрично расположенных отверстий Печать узора на листе бумаги и место под образец камеры. Так как PDMS ясно, вы можете легко увидеть, где отверстия должны быть размещены.
  3. Приготовление раствора золь гель для создания стеклянных стен в microfluidic устройства
    1. В 100 мл банки, добавить 25 мл 90% этанола, 25 мл рН 4 (0,0001 М) раствор соляной кислоты, 25 мл Тетраэтоксисилан 98% и 98% Метилтриэтоксисилан 25 мл. Место 100 мл раствора, теперь упоминается как preconverted жидкости, в микроволновой печи, обнаружены в течение 10 секунд, а затем место в 80 ° C на ночь.
  4. Сборка компонентов
    1. Место как узорной PDMS и 75 × 50 × 0,10 мм стекло слайд в плазме чище и установите 3-ходовой клапан в положение Выкл.
    2. Включите вакуумный насос и позволяют одной минуты, чтобы покинуть камеру.
    3. Положите 3-ходового клапана потока контроллер позиции и пусть камеры сбалансировать на 5 секунд. Контроллер потока позволяет небольшой расход воздуха вступить в плазме более чистых, достаточно низко держать камеру при низких давлениях. Включите переключатель радиочастоты (RF) средний за 40 секунд, а затем выключите переключатель РФ и вакуумный насос.
    4. Место 3-ходового клапана в открытое положение вернуться в палату в атмосферных условиях. Удаление узорной слайд PDMS и стекла.
    5. Тщательно придерживаться узорной PDMS стекла слайд, поставив двух поверхностей контакт друг с другом.
    6. Применять УФ смолы для швов вокруг узорной PDMS и лекарство от 5 мин при низкой интенсивности УФ-излучения.
  5. Изготовление стеклянных стен в microfluidic каналах.
    Примечание: Этот шаг должна завершиться в течение 30 минут плазменной обработки, как он полагается на PDMS поверхности изменения, которые происходят во время лечения плазмы. Толщина слоя будет примерно 5-10 мкм. Этот шаг требует использования летучих материалов и должно быть сделано в химической зонта.
    1. Установите плитой до 100 ° C и подготовить четыре шприцы (три 30 мл и один 3 мл) с 18 калибр иглы и около 30 см длиной ясно термопластичных шланги.
    2. Заполните три 30 мл-шприцы с этаноле, хлороформе и воздуха, соответственно. Заполнить один шприц 3 мл с preconverted жидкостью (от шага 1.3.1 протокола.)
    3. Вставьте ясно термопластичных шланги с использованием нержавеющей стали соединители в каждом из отверстий в узорными PDMS, за исключением одного угла отверстия. Это отверстие будет использоваться как впускной, в то время как все другие будут точек.
    4. Заполните microfluidic устройства с preconverted жидкостью из шприца, а затем поместить microfluidic устройства на горячей плите 100 ° C так стекло нижней касаясь поверхности поджарки.
    5. Поток 3 мл preconverted жидкости через устройство microfluidic более 10 секунд. Толщина стен стеклом корректируется путем изменения скорости потока жидкости, preconverted.
    6. Удалите устройство microfluidic из конфорку. Замените воздушный шприц шприц preconverted решения и выдвиньте любой избыток жидкости preconverted.
    7. Замените воздушный шприц шприц хлороформе и медленно протекают microfluidic устройство 15 мл хлороформа. Замените хлороформ шприц шприц этанола и медленно протекают microfluidic устройство 30 мл этанола. Эти шаги должны занять около 1 мин.
    8. Замените этанола шприц шприц и поток воздуха через устройство microfluidic до полного высыхания.
  6. Применение поддерживает стекла и растворителей бассейна
    1. Вырезать 75 × 10 × 1 мм полоски стекла от 75 × 25 × 1 мм стекла слайды.
    2. Применение УФ смолы полоски стекла. Место microfluidic устройства на полоски, PDMS стороной вверх. Перемещение при низкой интенсивности УФ источник света за 5 минут.
    3. Вырежьте 30 × 30 мм квадратный PDMS. С помощью биопсии удара, вырезать отверстие достаточно большой, чтобы покрыть камеры образец 10 мм.
    4. Место PDMS квадратных и microfluidic устройство в плазме чище, а затем положить 3-ходовой клапан в положение отключения и включите вакуумный насос.
    5. Позвольте одной минуты, чтобы покинуть камеру. Положить 3-ходовой клапан в положение контроллера потока и пусть камеры сбалансировать на 5 секунд.
    6. Включите выключатель РФ средний за 40 секунд, а затем выключите переключатель РФ и вакуумный насос.
    7. Место 3-ходового клапана в открытое положение вернуться в палату в атмосферных условиях.
    8. Удаление растворителя бассейна и microfluidic устройство из плазмы палаты и соответствуют трущихся поверхностей. Не забудьте поставить растворителя бассейна палаты образца.

2. мкг2реология процедура

  1. Подготовка образцов мягкой материи
    1. Стиральная зонд частицы
      1. Пипетка воды и 0,5 мкм зонды в microcentrifuge трубку в соотношении воды для зондов 10:1. Смешать тщательно с помощью пипетки смешивания, а затем поместить пробки microcentrifuge microcentrifuge и спина в 4600 x g 10 минут.
        Примечание: Зонд решение, используемое в этой работе будет получено взвешенных в воде с начальной концентрации 2,6% твердых веществ/объем, и окончательный концентрация датчики, используемые в образце составляет 0,1% твердых веществ/объем.
      2. Выньте пробки microcentrifuge и пипетку вне супернатант. Замените супернатант DI воды. Повторите центрифугирования для в общей сложности три раза.
      3. Место пробки microcentrifuge в sonicator и sonicate на низком уровне для 15 минут, чтобы удалить любые агрегатов.
    2. Сочетание датчиков и мягкой материи.
      Примечание: Для выполнения этой процедуры, коллоидное гель использовался как образец мягкой материи.
      1. На 75 × 50 мм стекла слайд мера 1 мл образца материала. Пипетка 40 мкл раствора зонд в центре образца.
      2. Аккуратно сложите образца с металлической лопаткой до тех пор, пока полностью объединены. SCOOP образца в пробки microcentrifuge и центрифуги на 2340 x g 15 s для удаления зависшие воздуха.
      3. Заполните шприц 1 мл оснащены 18 иглы и ясно термопластичных труб с зонд/HCO смеси.
  2. Последовательных фазовых переходов, вызванных обмена жидкости
    1. Заполнение microfluidic устройства
      1. Для создания PDMS пробки, используя избыточные PDMS от протокола шаг 1.2.5, вырезать 5 мм квадратный участок PDMS. С помощью биопсии удар диаметром 0,5 мм, нарезать отверстием на полпути PDMS пробкой. Вставьте разъем из нержавеющей стали в отверстие диаметром 0,5 мм.
      2. Термопластичные шланги подключения к три угла подводящих каналов и выход канала Камера всасывания. Полностью заполните устройство с водой, с помощью шприца, подключенного к устройству. Обеспечить есть никаких пузырей в камере образца или в каналах microfluidic. Блокировать оставшихся углу отверстие с PDMS пробки.
      3. Растворителя бассейна должны быть частично заполнены с шагом 2.2.1.2; Если она не заполнена, наполните водой бассейне растворителя.
      4. С помощью шприца с протоколом шаг 2.1.2.3, привнести 10 мкл пример/зонд смеси через центральный канал в зале образца в приблизительно 2 мкл/s, а затем использовать PDMS пробку для блокирования в палате образец центрального канала.
    2. Сбор данных микрореологических
      1. Включите настройки камеры для тех, кто оптимизированы для минимизации статических и динамических частиц, отслеживания ошибок, затем переключиться на цель погружения воды 63 × и Пипетка капля воды на линзу.
      2. Поместите устройство microfluidic на микроскопа и поднять цели до тех пор, пока она ориентирована на образце.
      3. Снимайте видео броуновского движения зондов через интервалы времени, соответствующие общей длины этап изменений. Для гелеобразования продолжать принимать видео до тех пор, пока движение зонд был полностью остановлен.
        Примечание: Мы собираем данные каждые 10 мин. Если мы начнем с деградацией эксперимент, до тех пор, пока датчики полностью диффундирующих собираются данные.
    3. Обмен жидкости в камере образца (самотечные потоки, Обмен нижней плотности жидкости с более высокой плотности жидкости)
      1. Удалите устройство microfluidic от микроскопа.
      2. Всасывание воды из реки растворителей, с помощью пипетки передачи, а затем Пипетка 4 мл выше плотность жидкости в бассейне растворителя.
      3. Вернуться микроскопа microfluidic устройства и повторите шаг 2.2.2.3
    4. Обмен жидкости в камере образца (всасывающий поток, Обмен более высокой плотности жидкостей с нижней плотности жидкости)
      1. Удалите устройство microfluidic от микроскопа и PDMS пробку из камеры для всасывания.
      2. Вставьте шприц с 18 иглы и ясно термопластичных шланги на канал Камера всасывания и подключить шприца до шприцевой насос. Установите шприцевый насос вытянуть на 1 мл/мин.
      3. Удалите избыток желеобразователь в бассейне растворителей и промыть водой три раза, заполнив растворителя бассейна и затем аспирации, промойте жидкости.
      4. Начало всасывания с шприцевый насос при добавлении воды в бассейне растворителя на одну минуту. Не позволяйте растворителя пустого бассейна полностью, как это будет тянуть воздух в камеру образец.
      5. Выньте шприц от microfluidic устройства и замените PDMS пробку на Камера всасывания.
      6. Вернуть устройство microfluidic микроскопа и продолжать принимать образцов
  3. Продолжать принимать образцов на регулярной основе во время деградации/гелеобразования циклов до тех пор, пока требуемое количество циклов завершена или есть недостаточно зонды для измерения.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Двухслойный microfluidic устройства построен с PDMS (рис. 1а, b), который является узором на марке microfluidic. Дизайн марки показан на рисунке 1c. Неправильное экспериментальной установки может привести как к ошибкам в пассивной микрореологию и microfluidic потоков во время вокруг обмена жидкости (рис. 2). Примеры неправильного экспериментальной установки подробно описаны в разделе обсуждения. Во время работы устройства обменялись окружающих жидкости вокруг образец гель. Этот обмен жидкости происходит, когда материал в гель и этапа соль. Эта конструкция устройства microfluidic имеет возможность обмена жидкости без существенной потери гелеобразующего материала и встроенный зонд частиц. Два типа обмена используются жидкости, самотечный поток (при переходе от нижней на плотность жидкости) или всасывающего потока (при переходе от верхней и нижней плотности жидкости). В нашей системе HCO гель всасывающий поток используется для вызвать деградацию самотечный поток используется для побудить гелеобразование. Обоих потоков распространять минимальный наклон на образец, с сдвига порядка 0,01 Па и 1 ПА для всасывания и тяжести потока, соответственно. Эти ножницы находятся под текучести геля, который составляет порядка 10 Па9,10.

Состояние, структура и реологические свойства геля образца количественно характеризуется использованием нескольких частиц, отслеживания микрореологию (MPT). В МРТ зонд частицы отслеживаются с помощью классического отслеживания алгоритмы27,28. Ансамбль в среднем среднего квадрата смещения (MSD) рассчитывается из траекторий частиц (рис. 3) во время последовательных фазовых переходов. Микрореологию данных (рис. 3) показывают, достижения последовательных фазовых переходов в системе HCO гель. MSD кривых поочередно α → 0 (гель) и α → 1 (соль). Масштабы MSD кривых находится выше нижнего предела измеримые MSD этой экспериментальной установки (0,001 µm2). Это ограничение определяется экспериментально придерживаясь зонды стекла в камере образца, который делается, позволяя частицы селиться под действием силы тяжести на ночь. Ансамбль усредненной MSD арестованных зонд частиц измеряется для получения нижний предел MSD, который зависит от конкретных экспериментальных аппарата.

Логарифмический наклон кривой MSD (α) и параметр негауссовских (αнг) рассчитываются и состояние материала количественно определяется сравнением для критических отдыха экспоненты (n) (Рисунок 4). Для этого эксперимента, используя HCO как модель гель измеряются в общей сложности девять переходы. Материал начинается как гель (α → 0) и пять деградации (α → 1) и четыре gelations (α → 0) измеряются более 1500 минут. Сроки проведения каждого этапа перехода — зависит от материала. Фазовые изменения вызванные обмен жидкости. Когда есть нет обмена жидкости, как показано на длительного периода в стадии соль между 800-1400 мин, зонд частицы остаются в пределах образца и реологических свойств не изменяются. После обмена жидкости происходит, материал снова гели.

Данные, которые мы получаем от этого устройства содержится информация о реологических свойств и структуры материала несколькими способами. Мы не измерить изменения реологических свойств равновесия из повторяющихся фазовые изменения. Это очевидно, α в каждой фазе, возвращаясь к тем же значением. Когда материал находится в фазе соль, он достигает α = 0.90 и когда в стадии геля, α = 0,20. Значение α в фазе соль указывает, что материал сохраняет некоторые структуры даже после деградации. Коллоидные системы, которая полностью деградировали в раствор коллоидных частиц будет иметь α = 1.0, в то время как значение равновесия в фазе соль для HCO α = 0.90, указав некоторые структура сохраняется. Кроме того коллоидное перегруппировки может произойти сразу же после обмена жидкости, которая обозначается увеличение α. Наконец параметр негауссовских, αнг, который дает количественную оценку неоднородности материала, показывает, что гель претерпевает увеличение структурной неоднородности деградации (гель соль) переходный период. Это очевидно, пик в αнг.

Figure 1
Рисунок 1: устройство Microfluidic. () обмен изображение устройства двухслойная microfluidic перехватывающим образец на месте во время окружающей жидкости. Первый слой имеет две камеры, одна для образца и другой для всасывания. Отверстия располагаются в каждом из углов, а также один в зале всасывания и семь в зале образца. Выше пример камеры второй слой PDMS привязана к устройству, чтобы выступать в качестве растворителя бассейна. (b образец впрыскивается в камеру образец через среднего канала. Образец заблокирован в месте в течение жидкости передачи потоков симметричный вход в камеру образец, создание равных давления вокруг образца. (c дизайн, используемый для создания microfluidic штамп для 1 слойst устройства. Камерами каждый имеют диаметр 10 мм, в то время как каналы имеют шириной 1 мм. Результирующая высота для камер и каналов составляет 1 мм после 45 s УФ облучения. Воспроизводится с разрешения от Королевского общества химии. Верман et al. 201710 . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2 : Изображение устройства неправильно заполненные microfluidic. Пузырьки воздуха, вводят в устройство может иметь негативные последствия на микрореологических данных (из-за направленное движение частиц в интерфейсе газ жидкость) и microfluidic потоков во время решения обмена. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3: среднего квадрата смещения кривых масло касторовое гель во время деградации (a, c) и (b, d) гелеобразование. Из 9 всего переходы отображаются 2nd (а, б) и 3rd (c, d) фазовых переходов. Точки критической перехода (гель - соль или соль - гель) обозначается пунктирной линией в n = α = 0,77 и представляет каждый этап изменений с MSD кривые выше линии, соль и ниже геля. Воспроизводится с разрешения от Королевского общества химии. Верман et al. 201710 . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4: логарифмических склон (, закрытый) и параметр негауссовских (αнг, открыть) для одного образца 4 wt % гидрогенизированное касторовое масло гель во время неоднократных фазовых переходов. Критических переход обозначается пунктирной горизонтальной линией (n = 0,77) и был определен от предыдущих микрореологических эксперименты9,10. Вертикальные линии показывают растворителей обмен, с белым фоном, указывающее, что вода в бассейне растворителей и тенистой серые зоны, что является желеобразователь в бассейне растворителя. Изменение цвета белый и серый указывает обратного осмотического градиента. Если цвет не меняется на вертикальной линии, это указывает, что образец палата вновь вспыхнул с же растворителем. Это происходит, когда существует недостаточное количество жидкости удаляется и часто происходит при более высокой плотности жидкости в камере образца из-за его большой вязкости. Воспроизводится с разрешения от Королевского общества химии. Верман et al. 201710 . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Два слоя microfluidic устройство (рис. 1) могут быть легко сделаны следующие документально microfluidic изготовление техники29. Стеклянные подставки добавляются к нижней части устройства для уменьшения колебательных влияние на движения зонда. Стеклянное скольжение является очень тонкие (0,10 мм) для того, чтобы вместить рабочее расстояние цели микроскопа. Это делает устройство подвержены небольшие вибрации в здании и в демонстрационной среде, которая затем измеряются с помощью высокоскоростной камеры. Стеклянные подставки успешно отрицать эти внешние раздражители. Короткое расстояние цель рабочей выбирается для сбора точных данных МРТ, которая требует: (1) по крайней мере 4 пикселей на частицы и (2 ограниченное рабочее расстояние, чтобы избежать визуализации частицы, которые находятся не в двухмерной плоскости.

Дизайн этого устройства, Рисунок 1a-c, основан на предыдущих расследований, которые сочетают микрореологию микрофлюидика. Шульц и Ферст разработали мкг2реология, используя ту же технику изготовления microfluidic используется для нашей работы. Их устройство была разработана для создания 50-100 образцов материалов гидрогеля, разделенных непрерывной фазой, с градиентами в обоих полимера позвоночника и крест-компоновщик концентрации16,29. Кроме того методы, с помощью сходящихся microfluidic потоков было показано, быть полезным для треппинга одной частицы или макромолекул25,26. Мы объединили технология изготовления Шульц и Furst и их идея замеры микрореологических microfluidic устройства в нашем новом устройстве и увеличенных microfluidic треппинга конструкций. В нашей конструкции мы создаем 1 мм квадратных каналов, которые округляются когда слой стекла производится на внутренней части с помощью золь гель химии30каналов. Канал измерения выбираются избежать взаимодействия между частицами зонда и стены microfluidic устройство31. Наш зонд размер (0,5 мкм) и каналом (1 мм) гидродинамические силы из стекла на зонда составляет порядка F ≈ 10-18 N, о том, что эта сила от стеклянной стены не будет иметь заметное влияние на движения частиц зонд 31. Кроме того, зонд частицы должны быть в пределах 10 мкм стены, чтобы повлиять на движение частиц вследствие взаимодействия частиц со стеной. Все данные собираются более 10 мкм от стены. Стекло изготовлен в microfluidic каналы для предотвращения растворителей поглощение PDMS в ходе нашей экспериментальной время шкалу, которая составляет порядка часов. С помощью технология изготовления, что позволяет за 10 мкл пример размеров (соответствующий канал высотой 1 мм) и конвергенция microfluidic потоков, мы можно масштабировать метод захвата из одной молекулы для 10 мкл.

2-слойный дизайн включены для предотвращения потока нестабильности, которые происходят в один слой устройство. Во время ранних итерациях этой работы все устройство был один слой. Два входных потоков (каждый с же жидкости, либо воду или желатинизирующий агент) начал из двух уголков устройства и пропустила только через длинные каналы работает длина устройства, касательной к палате образец. Однако любая нестабильность потоков между каналами привели к поток через камеру образец и потеря образца, закончившийся эксперимент. Второй слой, наряду с добавлением большого Камера всасывания, устраняет эти неустойчивостей, только с помощью одного всасывания источника и создание равных давления вокруг образца, треппинг образец во время экспериментов. Второй слой имеет очень простую конструкцию и предназначен провести выше пример камеры новой окружающей жидкости.

мкг2реология данные успешно собираются с помощью вышеупомянутого протокола. На первом этапе установки, заполнение устройство, имеет решающее значение для успешного эксперимента. Неправильное заполнение может привести к пузырей в каналах или в зале образца, который может отрицательно сказаться на микрореологию и функция microfluidic устройства (рис. 2). Самый простой способ избежать пузырей в устройстве microfluidic это, полностью заполнив шприца (убедившись, что не существует никаких пузырей) предварительного заполнения устройство. Кроме того пузыри могут быть удалены, либо вводя большой расход растворителя (нажав на поршень шприца сложнее) или нажав устройства осторожно до пузыри переместите канал выхода. Пузыри в пределах образца камеры может вызвать направленное движение зондов в интерфейсе воздуха жидкость. MPT измерений требуют зонды пройти чисто броуновского движения для измерения свойств материала. Пузыри в каналах microfluidic также влияют на поток во время обмена жидкости, которая может затем вызвать изменения давления и перемещения образца гель из камеры. Обе из этих проблем можно избежать путем обеспечения того, что устройство и жидкостной камеры полностью заполнен жидкостью до инъекции образца. Пример ввода шаг придаст некоторые сдвига на образце, однако он не негативно, реологические свойства и структура материала. Это было проверено на реологические измерения массовых проб, загружаются без сдвига и погружены Реометр с использованием тех же методов ввода как microfluidic устройства. После того, как устройство правильно заполнены, наброски процедура выше обеспечивает надлежащее функционирование во время экспериментов.

Есть минимальные материальные потери во время обмена жидкости. Это проявляется во время экспериментов: (1) способность иметь достаточно волокна продолжать образуют гель сети и (2 концентрация частиц зонд, остается достаточно высокой, чтобы собирать статистически MPT измерения коллоидный материал. Кроме того один образец способна до девяти фазовых переходов, далее указанием минимальной потери во время обмена жидкости. Общее количество наблюдаемых переходы зависит количество зондов, утраченных в результате диффузии из выборки, когда он находится в фазе соль. Зонды диффузно, когда материал является соль, и небольшое количество из них будет диффузный из образца после каждого перехода гель соль. Количество датчиков будет ограничивать количество переходов для устройства.

Мы продемонстрировали, что это устройство может использоваться для измерения свойств материала и определить микроструктуры мягкой материи во время неоднократных фазовых переходов. Симметрии входе портов, поступающего в камеру образец ловушки образец на месте, позволяя повторных фазовых переходов на одном образце без потери образца. Дизайн устройства может быть легко адаптирована для различных систем, включая полимерные гидрогели, что изменение структуры за счет изменения рН или биологического и ПАВ материалы, которые реагируют на изменения в концентрации соли, позволяя воспроизводимые результаты Определите реологические свойства и структура геля системы в течение последовательных этапа изменения.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Существует нет информации для этой работы.

Acknowledgments

Финансовые средства для этой работы были предоставлены Procter & Gamble Co. и американского химического общества нефтяной научный фонд (54462-DNI7). Уведомление производится донорам американского химического общества нефтяной научный фонд для частичной поддержке этого исследования. Авторы хотели бы признать д-р Марко Caggioni для полезной дискуссии.

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

Машиностроение выпуск 134 коллоиды гель микрофлюидика микрореологию реология мягкой материи
Сочетание микрофлюидика и микрореологию определить реологических свойств мягкой материи во время неоднократных фазовых переходов
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