Waiting
Login processing...

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

Engineering

Kombinere mikrofluidik og Microrheology for at bestemme rheologiske egenskaber af blødt stof under gentagne faseovergange

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

Vi demonstrere fabrikation og brug af en mikrofluid enhed, der giver mulighed for flere partikel sporing microrheology målinger for at studere de rheologiske virkningerne af gentagen faseovergange i blød sag.

Abstract

Mikrostruktur af bløde sagen direkte påvirker makroskopisk rheologiske egenskaber og kan ændres af faktorer, herunder kolloid omlejring under forrige fase ændringer og anvendt shear. For at bestemme omfanget af disse ændringer, har vi udviklet en mikrofluid enhed at muliggør gentages faseovergange induceret af udveksling af de omkringliggende væske og microrheological karakterisering samtidig begrænse shear på prøve. Denne teknik er µ2reologi, kombinationen af mikrofluidik og microrheology. Enhedens mikrofluid er en to-lag design med symmetrisk inlet strømme ind i en stikprøve kammer, der fælder gel prøven på plads under væske udveksling. Sugning kan anvendes langt væk fra prøve salen at trække væske ind i prøve salen. Materielle rheologiske egenskaber er karakteriseret ved hjælp af flere partikel tracking microrheology (MPT). I MPT, fluorescerende sonde partikler er indlejret i materialet og Brownske bevægelser af sonderne er optaget med video mikroskopi. Bevægelsen af partikler er sporet og den betyde-squared forskydning (MSD) beregnes. MSD er relateret til makroskopisk rheologiske egenskaber, ved hjælp af relationen generaliseret Stokes-Einstein. Fase af materialet, der er identificeret i forhold til den kritiske afslapning eksponent, bestemmes ved hjælp af tid-kur superposition. Målinger af et fibrøst kolloid gel illustrerer nytten af teknikken. Denne gel har en delikat struktur, der kan blive uigenkaldeligt ændret når shear anvendes. µ2reologi data viser, at materialet gentagne gange afbalanceres til de samme rheologiske egenskaber efter hver fase overgang, der angiver, at faseovergange ikke spiller en rolle i mikrostrukturanalyse ændringer. For at fastslå rollen af shear, kan prøver forskydes inden injektionen i vores mikrofluid enhed. µ2reologi er et almindeligt gældende teknik til karakterisering af bløde stof gør det muligt for bestemmelse af rheologiske egenskaber for sarte mikrostrukturer i en enkelt prøve under faseovergange i svar til gentagne ændringer i det omkring miljøforhold.

Introduction

Faseovergange i blød sag kan ændre stillads struktur, som har konsekvenser i forarbejdning og endelige stabiliteten af materielle1,2,3. Karakterisering af bløde materialer under dynamiske faseovergange giver væsentlige oplysninger om forholdet mellem strukturelle udvikling og ligevægt struktur og rheologiske egenskaber. For eksempel, kræver mange hjemmepleje produkter en ændring af fase under forbrugernes brug. Også, under fremstillingen, trin til behandling, herunder fortynding og blanding, kan give shear påvirker de rheologiske egenskaber og endelige mikrostruktur af produktet. Forstå de rheologiske egenskaber i hele en fase ændring sikrer, at produktet fungerer som designet. Desuden, hvis styrker ændre den start reologi af materialet under fremstillingen, kan faseovergange give uventede og uønskede resultater, ændre den påtænkte funktion og effektivitet. På det kritiske gellation punkt, defineret som det tidspunkt, hvor materialet overgange fra en opløsning af forbundet kolloider eller polymerer til en prøve-spænder gel netværk, ændre materialeegenskaber drastisk med små ændringer til foreningen. Enhver ændring af strukturen på punktet, kritiske gel kan påvirke slutproduktet4. Under disse dynamiske overgange, bløde materialer har svage mekaniske egenskaber og målinger, der bruger klassisk eksperimentelle teknikker kan være inden for måling støj limit5,6,7. For at tage højde for dette, teknikker som microrheology, som er følsomme i rækken lav moduli (10-3 - 4 Pa), der bruges til at karakterisere den svagt begyndende gel under dynamisk udvikling. Nogle materialer er modtagelige over for ændringer i mikrostrukturen på grund af eksterne kræfter, som udgør en udfordring under karakterisering, som enhver overførsel af materiale eller væske kan påvirke strukturen og i sidste ende de endelige materialeegenskaber. For at undgå at ændre de materielle mikrostruktur, har vi udviklet en mikrofluid enhed, der kan udveksle miljømæssige væsken omkring en prøve samtidig minimere shear. Ved at udveksle væske miljø, måles ændringer i rheologiske egenskaber og mikrostruktur under faseovergange med minimal bidrag fra shear. Enheden er kombineret med flere partikel tracking microrheology (MPT) i en teknik kaldet µ2reologi. Denne teknik bruges til at kvantificere materialeegenskaber under træk fase ændringer af en gel som svar på en ekstern drivende kraft. Teknikken vil blive illustreret ved hjælp af et fibrøst kolloid gel, hydrogeneret ricinusolie (HCO)9,10,11.

Gel stilladser kan undergå ændringer i association og dissociation på grund af deres prøve miljøet12,13,14,15. Den drivende kraft for gellation og nedbrydning er materiale bestemt og skal skræddersys for hvert materiale af interesse. µ2reologi kan bruges til at karakterisere gel-systemer, der reagerer på eksterne stimuli, herunder kolloid og polymere netværk. At ændre pH, osmotisk tryk eller saltkoncentration er eksempler på drivkræfter, der kan fremkalde ændringer i den materielle mikrostruktur. For eksempel gennemgår HCO kontrolleret faseovergange ved at oprette en osmotisk trykgradient. Når en koncentreret HCO gel prøve (4 wt % HCO) er nedsænket i vand, svække de attraktive kræfter mellem kolloide partikler, forårsager nedbrydning. Alternativt, når en fortyndet opløsning af HCO (0,125 wt % HCO) er kontaktet med en hydrofil materiale (omtales som den anvendte agars agent og består af det meste glycerin og overfladeaktivt stof), den attraktive kræfter tilbage, forårsager gellation. Denne gel system vil blive brugt til at vise drift af enheden som et værktøj til måling af træk faseovergange på en enkelt prøve9,10. For at karakterisere disse gel stilladser under dynamiske overgange og delikat begyndende gel struktur på den kritiske fase overgang, bruger vi MPT for at karakterisere disse materialer med høj spatio-temporal opløsning.

Microrheology bruges til at bestemme gel egenskaber og struktur, især i den kritiske overgangen af en bred vifte af bløde materialer, herunder kolloid og polymere geler5,6,9,16. MPT er en passiv microrheological teknik, der bruger video mikroskopi til post Brownske bevægelser af fluorescerende sonde partikler er indlejret i en prøve. Partikel positioner i hele videoer bestemmes netop til inden 1/10th af en pixel ved hjælp af klassisk tracking algoritmer17,18. Ensemblet i gennemsnit betyde-squared deplacement (MSD, (Δf2(t))) beregnes ud fra disse partikel baner. MSD er relateret til materialeegenskaber, såsom krybe compliance, ved hjælp af den generaliserede Stokes-Einstein Relation17,19,20,21,22, 23. Tilstanden af materialet bestemmes ved beregning af logaritmisk hældningen af MSD kurve som en funktion af tidsforsinkelsen, α,

Equation 1

hvor t er den mellemliggende tid, og sammenligne det med den kritiske afslapning eksponent, n. n bestemmes ved hjælp af tid-kur superposition, en veldokumenteret teknik, der blev ændret for at analysere MPT data af Larsen og Furst6. Ved sammenligning af n til α er tilstand af materialet kvantitativt bestemmes. Når α > n materialet, der er en sol, og Hvornår α < n materialet, der er en gel. Tidligere arbejde har karakteriseret den HCO system bruger microrheology til at bestemme den kritiske afslapning eksponent9. Brug af denne information, afgøre vi netop hvornår materialet overgange fra en gel til en sol under et eksperiment. Derudover kan ikke-Gaussisk parameter, αNG, beregnes til at bestemme omfanget af strukturelle heterogenitet af et system,

Equation 2

hvor Δx(t) er den endimensionale partikel bevægelse i x -retning. Ved hjælp af MPT, vi kan karakterisere en enkelt fase overgang, men ved kendetegner materialer med MPT i en mikrofluid enhed, vi er i stand til at manipulere flydende omgivelserne og indsamle data af flere faseovergange på en enkelt gel prøve.

Denne mikrofluid enhed er designet til at undersøge de kritiske overgange i en enkelt gel stikprøve, der undergår ændringer i fasen som svar på ændringer i det omgivende væske miljø. Enheden udvekslinger væsken omkring prøven, når det er enten i tilstanden gel eller sol ved at låse udsnit til at fremkalde en fase overgang samtidig minimere shear. En solvent bassinet er placeret direkte over prøve salen, som er forbundet af seks symmetrisk fordelte inlet kanaler. Denne symmetri giver mulighed for udveksling af væske fra opløsningsmidler bassinet til prøve salen samtidig skabe lige pres omkring prøven, låse det på plads. Der har været flere undersøgelser, der bruger denne teknik for enkelt partikel og DNA diffusering, men dette arbejde kan skaleres op for lydstyrken fra enkelt molekyler til prøver, der er ca 10 µL24,25,26. Dette unikke design giver også mulighed for real-time microrheological karakterisering under faseovergange.

µ2reologi er en robust teknik, der er gældende for mange bløde sagen systemer. Den teknik, der er beskrevet i denne hvidbog var designet til kolloid geler, men det kan nemt tilpasses andre materialer såsom polymer eller micellar løsninger. Med denne teknik, vi afgøre, ikke bare hvordan faseovergange påvirke ligevægt materialeegenskaber, men også hvordan forskellige behandlingstrin kan få varige virkninger på de rheologiske evolution af materialet og den endelige stillads struktur og egenskaber.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. fremstilling af mikrofluid-enhed

  1. Mikrofluid stempel fabrikation.
    Bemærk: Dette trin kræver brug af flygtige materialer og bør ske i en kemisk stinkskab.
    1. Bruge en negativ trykte design med samme dimensioner som glas dias (75 × 50 mm), kanaler farvet hvid, og baggrunden farvet sort (Se figur 1). Udskriv dette design på en klart acetat ark (gennemsigtighed) med en opløsning på 1200 dpi.
    2. Hvis den mørke del af gennemsigtighed stadig tillader lys gennem, lag flere negativer og overholde bruge dobbeltklæbende tape.
    3. Slå den høje intensitet ultraviolet (UV) lys kilde og gør det muligt at varme op til et konstant output (ca. 30 min.).
      Bemærk: UV beskyttende briller skal bæres, når du bruger den høje intensitet UV lyskilde.
    4. Fyld tre 150 mL petriskåle med acetone, ethanol og destilleret vand.
    5. Placer en tom gennemsigtighed på en flad overflade tæt på højkapacitet UV kilden, men ikke direkte under UV-lys. Dette vil give et udgangspunkt for at fabrikere mikrofluid stemplet.
    6. Skitsere hjørner af et 75 × 50 mm glas dias i midten af den tomme gennemsigtighed ved hjælp af en permanent markør og sted fire glas afstandsstykker (ca 30 × 30 × 1 mm) i hjørnerne af den skitserede rektangel.
    7. Hæld ca. 5 mL UV helbredes thiol: fje harpiks i midten af afstandsstykkerne, derefter placere en 75 x 50 x 1 mm glas dias på afstandsstykkerne glas, så limen er helt dækket af glas dias med ingen luftbobler.
    8. Placer gennemsigtighed med trykte negative oven på glas dias og flytte alle de ovennævnte komponenter (fra bund til top: blank gennemsigtighed, glas afstandsstykker og UV-lim, glas slide og negative trykte gennemsigtighed) ved at trække den tomme gennemsigtighed nøje under UV-lyskilden.
    9. Giver mulighed for UV-lys til at skinne igennem negativt på harpiks og helbredelse. Helbredelse tid kan justeres for at ændre højden på kanalen. En 45 s helbredelse tid resultater i en kanal højde 1 mm, ved hjælp af vores lyskilde.
    10. Flytte komponenter fra UV-kilde og fjerne de negative trykte gennemsigtighed og glas dias. Glas dias med de kanaler, der er fremstillet i UV lim vil nu blive omtalt som mikrofluid stemplet.
    11. Kassér gennemsigtighed og glas afstandsstykker.
    12. Dyp mikrofluid stempel i acetone bad, efterfulgt af ethanol bad. Gentag dette trin to gange. Acetone vil forringe UV-lim, så Efterlad ikke acetone på stempel for større end 10 s.
    13. Mens du holder stemplet, dykke stempel i vandet og bruge en vatpind til at fjerne resten af ureageret harpiks. Ikke direkte tørre den hærdede dele, da det vil gøre kanalerne ru.
    14. Placere stemplet på et stykke køkkenrulle og vende tilbage til UV kilden i mindst 30 minutter for at sikre komplet hærdning.
  2. Polydimethylsiloxan (PDMS) støbning
    1. Hæld 70 g PDMS base i en klar cup og tilføje den tværbindingsmidler agent til base i en vægt-forhold på 1:10 crosslinker at basere. Disse er fabrikanten anbefalede nøgletal. Ikke bruge en glasbeholder.
    2. Bland tværs linker og basere grundigt med en metal omrører; blandingen skal være grumset på grund af fanget luftbobler når korrekt blandet.
    3. Sætte PDMS i et vakuum ovn og pull tomrum på den blandede PDMS. Slukke vakuum, hvis løsningen begynder at overløb fra koppen og derefter genoptage vakuum efter overløbet aftager. Det samlede tryk i vakuumtørreskabet betyder ikke noget, som vakuum kun fremskynder afgasning processen. Forlade i salen indtil alle bobler er blevet evakueret fra blanding (ca. 60 min.).
    4. Sted mikrofluid stempel i en tom 150 mm diameter plast petriskål, derefter langsomt hæld PDMS petriskål, der helt dækker mikrofluid stemplet. Hæld tæt på overfladen af petriskålen at minimere bobler reform i PDMS.
    5. Dække petriskålen og sted i en 55 ° C ovnen natten til at helbrede. Når helt helbredt, skær den mønstrede PDMS med en kniv og Fjern fra stempel. Bevare overskydende PDMS for opbygningen af opløsningsmiddel bassin (protokol trin 1.6.3) og PDMS propper (protokol trin 2.2.1.1).
    6. Bruger en 0,5 mm biopsi punch, skåret huller i følgende steder: en i hvert hjørne, en i den suge kammer nær kanten af kanalen, seks i prøve salen symmetrisk placeret 60° fra hinanden, og en i midten af prøven kammer. For at sikre udskrive symmetrisk placerede huller et mønster på et ark af papir og plads under prøven kammer. Da PDMS er klar, kan du nemt se, hvor hullerne skal placeres.
  3. Forberedelse af sol-gel løsning at oprette glasvægge i mikrofluid enhed
    1. I en 100 mL krukke, tilsættes 25 mL 90% ethanol, af pH 4 (0.0001 M) 25 mL saltsyreopløsning, 25 mL af 98% tetraethoxysilane og 25 mL af 98% methyltriethoxysilane. Plads 100 mL løsning, nu omtales som den preconverted væske i mikroovn afdækket i 10 sekunder, derefter sted i en 80 ° C natten over.
  4. Enhed forsamling
    1. Både de mønstrede PDMS og en 75 × 50 × 0,10 mm glas dias i plasma renere og sat 3-vejs ventil til den slukkede position.
    2. Tænd vakuumpumpen og tillade et minut til at evakuere salen.
    3. Sætte 3-vejs ventil til at flyde controller stilling og lade salen Blandingen henstår i 5 sekunder. Flow controller holdning giver mulighed for en lille strømningshastigheden af luft ind plasma renere, lav nok til at holde kammeret ved lavt tryk. Aktivere parameteren radio frekvens (RF) til medium for 40 sekunder, så slukker RF switch og vakuumpumpe.
    4. Plads 3-vejs ventilen til åben position tilbage i kammeret til atmosfæriske forhold. Fjern det mønstrede PDMS og glas dias.
    5. Nøje overholde de mønstrede PDMS til glas dias ved at sætte de to overflader i kontakt med hinanden.
    6. Gælde UV helbredes harpiks sømme omkring mønstrede PDMS og kur mod 5 min under lav intensitet UV-lys.
  5. Fabrikation af glasvægge i mikrofluid kanaler.
    Bemærk: Dette trin skal være afsluttet senest 30 minutter af plasma behandling, som den bygger på PDMS overflade ændringer, der opstår under plasma behandling. Tykkelsen af laget vil være ca 5-10 µm. Dette trin kræver brug af flygtige materialer og bør ske i en kemisk stinkskab.
    1. Angive en kogeplade til 100 ° C og forberede fire sprøjter (tre 30 mL og en 3 mL) med 18 gauge nåle og ca 30 cm længde af klare termoplastiske slanger.
    2. Udfylde tre 30 mL sprøjter med ethanol, kloroform og i luften, henholdsvis. Fyld en 3 mL sprøjten med preconverted væske (fra protokollen trin 1.3.1.)
    3. Indsæt klart termoplastiske slanger bruger rustfrit stål stik i hver af hullerne i den mønstrede PDMS, med undtagelse af ét hjørne hul. Dette hul vil blive brugt som en Fjord, mens alle andre er afsætningsmuligheder.
    4. Fylde mikrofluid enhed med preconverted væske fra sprøjten, og derefter placere mikrofluid enheden på 100 ° C varm tallerken så bunden glas rører overfladen af varmepladen.
    5. Flow 3 mL af preconverted væske gennem enheden mikrofluid over 10 sekunder. Tykkelsen af glasvægge reguleres ved at ændre strømningshastigheden af den preconverted væske.
    6. Fjerne mikrofluid enheden fra en kogeplade. Erstatte preconverted løsning sprøjte med en luftsprøjte og skubbe ud eventuelle overskydende preconverted væske.
    7. Erstatte luftsprøjte med chloroform sprøjten og langsomt flow 15 mL chloroform via mikrofluid enheden. Erstatte chloroform sprøjte med ethanol sprøjten og langsomt flow 30 mL ethanol via mikrofluid enheden. Disse trin skal tage ca 1 min.
    8. Erstatte ethanol sprøjte med luft sprøjte og flow luft gennem enheden mikrofluid indtil tør.
  6. Anvendelse af glas understøtter og opløsningsmidler bassin
    1. Skære 75 × 10 × 1 mm glas strimler af glas fra 75 × 25 × 1 mm lysbilleder.
    2. Gælde UV helbredes harpiks til glas strimler. Placer mikrofluid enheden på strimler, med PDMS side opad. Bevæger sig under lav intensitet UV lys kilde i 5 minutter.
    3. Skære en 30 × 30 mm kvadrat af PDMS. Brug en biopsi punch, skåret et hul stort nok til at dække 10 mm stikprøve kammer.
    4. Placer PDMS firkantet og mikrofluid enhed i plasma renere, derefter sætte 3-vejs ventil til den slukkede position og tænde vakuumpumpen.
    5. Tillade et minut til at evakuere kammer. Sætte 3-vejs-ventil for strømmen controller stilling og lade salen Blandingen henstår i 5 sekunder.
    6. Aktivere RF skifte til medium for 40 sekunder, så slukker RF switch og vakuumpumpe.
    7. Plads 3-vejs ventilen til åben position tilbage i kammeret til atmosfæriske forhold.
    8. Fjerne opløsningsmiddel basin og mikrofluid enheden fra plasma kammer og overholde ved at kontakte overfladerne. Sørg for at placere opløsningsmiddel bassinet over prøve kammer.

2. µ2reologi Procedure

  1. Forberedelse af bløde sag prøver
    1. Vask sonde partikler
      1. Tilsæt vand og 0,5 µm sonder ind i et microcentrifuge rør i vand til sonder 10:1 forholdet. Blandes grundigt ved hjælp af pipetten blanding, derefter placere microcentrifuge røret ind i microcentrifuge og spin på 4600 x g i 10 minutter.
        Bemærk: Sonden løsningen anvendes i dette arbejde er modtaget suspenderet i vand med en begyndelseskoncentration af 2,6% tørstof/volumen, og den endelige koncentration af sonder anvendes i prøven er 0,1% tørstof/volumen.
      2. Fjerne den microcentrifuge tube og pipette ud supernatanten. Erstatte supernatanten med Deioniseret vand. Gentag centrifugering for i alt tre gange.
      3. Placer microcentrifuge rør i en sonikator og sonikeres på lav i 15 minutter for at fjerne enhver aggregater.
    2. Kombinere sonder og blødt stof.
      Bemærk: Denne procedure, en kolloid gel blev brugt som den bløde sag prøve.
      1. På et 75 × 50 mm glas dias, måle 1 mL af prøvemateriale. Der afpipetteres 40 µL af sonden løsning i midten af prøven.
      2. Forsigtigt fold prøven med en metal spatel indtil fuldstændig kombineret. SCOOP prøven i et microcentrifuge rør og centrifugeres ved 2340 x g i 15 s at fjerne fanget luft.
      3. Fyld en 1 mL sprøjten udstyret med en 18 gauge kanyle og klart termoplastiske slanger med sonde/HCØ blanding.
  2. Træk faseovergange induceret af væske udveksling
    1. Fylde mikrofluid enhed
      1. Hvis du vil oprette PDMS propper, skære ved hjælp af overskydende PDMS fra protokollen trin 1.2.5, en 5 mm firkantede del af PDMS. Ved hjælp af en 0,5 mm diameter biopsi punch, skæres et hul midt i PDMS prop. Indsæt et rustfrit stål stik i 0,5 mm diameter hul.
      2. Tilslut termoplastiske slanger til tre hjørne indtag kanaler og suge kammer outlet kanal. Helt udfylde enheden med vand ved hjælp af en sprøjte, der er tilsluttet enheden. Sikre, at der er ingen bobler i prøve salen eller i mikrofluid kanalerne. Blokere de resterende hjørne hul med PDMS propper.
      3. Opløsningsmiddel bassinet skal være delvist fyldt fra trin 2.2.1.2; Hvis det ikke er udfyldt, skal du udfylde opløsningsmiddel bassinet med vand.
      4. Ved hjælp af sprøjte fra protokollen trin 2.1.2.3 Injicér 10 µL af prøven-sonde blandingen gennem centerkanalen ind i prøve salen på ca 2 µL/s, så brug en PDMS prop til at blokere centerkanalen i prøve salen.
    2. Indsamling microrheological data
      1. Drej kameraindstillingerne til dem optimeret til at minimere statiske og dynamiske partikel tracking fejl, og derefter skifte til 63 × vand fordybelse mål og afpipetteres en dråbe vand på linsen.
      2. Placer mikrofluid enheden på stadiet mikroskop og hæve målet indtil det er fokuseret på prøve.
      3. Tage videoer af Brownske bevægelser af sonderne over tidsintervaller med passende for den samlede længde af en ændring af fase. For gellation, fortsætte med at tage videoer indtil sonde bevægelse er blevet helt stoppet.
        Bemærk: Vi indsamler data hver 10 min. Hvis vi starter med en nedbrydning eksperiment, er data indsamlet indtil sonderne helt spreder.
    3. Udveksling af væsker i prøve salen (tyngdekraften flow, udveksling af lavere massefylde væske med højere tæthed væsker)
      1. Fjerne mikrofluid enheden fra stadiet mikroskop.
      2. Suge vandet ud af opløsningsmiddel bassinet ved hjælp af en overførsel pipette, derefter 4 mL af højere massefylde væske pipetteres i opløsningsmiddel-bassinet.
      3. Returnere mikrofluid enheden til stadiet mikroskop og Gentag til trin 2.2.2.3
    4. Udveksling af væsker i prøve salen (suge flow, udveksling af højere massefylde væske med lavere massefylde væsker)
      1. Fjerne mikrofluid enheden fra stadiet mikroskop og fjerne PDMS proppen fra den suge kammer.
      2. Indsæt en sprøjte, udstyret med 18 gauge kanyle og klart termoplastiske slanger til suge kammer kanal, og krog sprøjte op til en sprøjten pumpe. Sæt sprøjten pumpe til at trække på 1 mL/min.
      3. Fjern overskydende geldannende agent i opløsningsmiddel-bassinet og skylles tre gange med vand ved at udfylde de solvente basin og derefter sugning ud skyl væske.
      4. Begynd suge med sprøjten pumpe samtidig med at tilføje vand til solvent bassinet i et minut. Lad ikke opløsningsmidler bassinet tomme helt, da det vil trække luft ind i prøve salen.
      5. Fjern sprøjten fra mikrofluid enheden og erstatte PDMS proppen på den suge kammer.
      6. Returnere mikrofluid enheden til stadiet mikroskop og fortsætte med at tage prøver
  3. Fortsætte med udtagning af prøver med jævne mellemrum under nedbrydning/gellation cykler indtil det ønskede antal cyklusser er afsluttet, eller der er utilstrækkelig sonder til måling.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En to-lags mikrofluid enheden er konstrueret med PDMS (figur 1a, b), som er mønstret på et mikrofluid stempel. Udformning af frimærket er vist i figur 1c. Forkert eksperimentel opsætning kan resultere både i fejl i passiv microrheology og mikrofluid flyder under omkring væske udveksling (figur 2). Eksempler på forkert eksperimentel opsætning er nærmere beskrevet i afsnittet diskussion. Under enhed drift udveksles de omkringliggende væske omkring en gel prøve. Denne væske udveksling opstår, når materialet er i både gel og sol fase. Denne mikrofluid enhed design har evnen til at udveksle væske uden væsentlig tab af geldannende materiale og integrerede sonde partikler. To typer af væske udveksling bruges, tyngdekraften flow (når man går fra lavere til højere massefylde væske) eller suge flow (når man går fra højere til lavere massefylde væske). I vores HCO gel system, der suge flow bruges til at fremkalde nedbrydning, mens tyngdekraften flow bruges til at fremkalde gellation. Begge strømme forlener minimal shear på prøve, med shear på rækkefølgen af 0,01 Pa og 1 Pa til suge- og tyngdekraften flow, henholdsvis. Disse sakse er under udbytte stress af gel, som er på rækkefølgen af 10 Pa9,10.

Staten, struktur og rheologiske egenskaber i eksemplet gel er kvantitativt karakteriseret ved hjælp af flere partikel tracking microrheology (MPT). I MPT, er sonde partikler sporet ved hjælp af klassiske tracking algoritmer27,28. Ensemble i gennemsnit betyde-squared deplacement (MSD) beregnes fra partikel baner (figur 3) under successive faseovergange. Microrheology data (figur 3) viser, at successive faseovergange er opnået i HCO gel system. MSD kurver skifter mellem α → 0 (gel) og α → 1 (sol). Omfanget af MSD kurver er over den lavere målbare MSD grænse på denne eksperimentelle setup (0,001 µm2). Denne grænse bestemmes eksperimentelt ved vedhængende sonder at glas i en stikprøve kammer, der er udført af tillader partikler at bosætte sig under tyngdekraften natten over. Ensemblet gennemsnit MSD anholdt sonde partikler måles for at få den nedre grænse for MSD, som er afhængig af den konkrete eksperimentelle apparater.

Den logaritmiske skråning af MSD kurve (α) og ikke-Gaussisk parameter (αNG) beregnes og tilstand af materialet bestemmes kvantitativt ved sammenligning at kritiske afslapning eksponent (n) (figur 4). Dette eksperiment, ved hjælp af HCO som en model gel, målt i alt ni overgange. Materialet, der starter som en gel (α → 0) og fem forringelser (α → 1) og fire gelations (α → 0) er målt over 1500 minutter. Timingen af hver fase overgang er materiale afhængige. Ændringer i fasen er fremkaldt af udveksling af væske. Når der ikke er nogen væske udveksling, som det fremgår af den udvidede periode i sol fasen mellem 800-1400 min, sonde partikler forbliver inden for prøven og der er ingen ændringer til de rheologiske egenskaber. Når en væske udveksling foregår, geler materialet igen.

De data, vi får fra denne enhed indeholder oplysninger om de rheologiske egenskaber og struktur af materiale på flere måder. Vi måler ikke ændringer i ligevægt rheologiske egenskaber fra gentagne fase ændringer. Dette fremgår af α i hver fase, vender tilbage til den samme værdi. Når materialet er i fasen for sol, når α, = 0,90, og hvornår i gel fase, α = 0,20. Værdien af α i fasen for sol angiver, at materialet bevarer nogle struktur selv efter nedbrydning. Et kolloidt system, der er helt nedbrudt til en løsning af kolloide partikler vil have α = 1,0, mens værdien ligevægt i sol fasen for HCO er α = 0,90, der angiver nogle struktur bevares. Derudover kan kolloid omlejring opstå umiddelbart efter væske udveksling, som er angivet af en stigning i α. Endelig viser ikke-Gaussisk parameter, αNG, som kvantificerer heterogenitet af materialet, at gelen gennemgår en stigning i strukturelle heterogenitet under nedbrydning (gel til sol) overgang. Dette fremgår af peak i αNG.

Figure 1
Figur 1: mikrofluid enheden. a et billede af to-lags mikrofluid enheden, der fælder en stikprøve på plads mens det omkringliggende væske er udvekslet. Det første lag har to kamre, en til prøven og en anden for sug. Huller er placeret i hvert af hjørnerne, samt en i den suge kammer og syv i prøve salen. Ovenfor i prøve salen er et andet lag af PDMS levet op til enheden til at fungere som et opløsningsmiddel bassin. (b) Prøveeksemplaret sprøjtes ind i prøve salen gennem den midterste kanal. Prøven er låst på plads i løbet af væske overførsel af symmetrisk inlet vandløb ind i prøve salen skaber lige pres omkring prøven. (c) design bruges til at oprette mikrofluid stemplet til 1st laget af enheden. Kamrene hver har en diameter på 10 mm, mens kanalerne har en bredde på 1 mm. Den resulterende højde for både kanaler og kamre er 1 mm efter 45 s af UV-eksponering. Gengivet fra Wehrman et al. 201710 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : Billede af en forkert udfyldt mikrofluid enheden. Luftbobler indsprøjtes i enheden kan have negative virkninger på både microrheological data (på grund af styret bevægelse af partikler på grænsefladen gas-væske) og mikrofluid flyder under løsning udveksling. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: betyde-squared forskydning kurver af en hærdet ricinusolie gel under nedbrydning (a, c) og gellation (b, d). 2nd (a, b) og 3rd (c, d) faseovergange er vist ud af 9 samlede overgange. Det kritiske overgangspunktet (gel - sol eller sol - gel) er angivet ved en stiplet linje på n = α = 0,77 og repræsenterer hver fase ændring med MSD kurver over linjen er en sol og nedenfor en gel. Gengivet fra Wehrman et al. 201710 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: logaritmisk hældning (, lukket) og ikke-Gaussisk parameter (αNG, åben) for en enkelt prøve af 4 wt % hydrogeneret ricinusolie gel under gentagne faseovergange. Den kritiske overgangen er angivet ved en vandret stiplet linje (n = 0,77) og blev bestemt ud fra tidligere microrheological eksperimenter9,10. Vertikale linjer angiver opløsningsmiddel exchange, med hvid baggrund angiver, at der er vand i opløsningsmiddel basin og skyggefulde grå områder, der er geldannende agent i opløsningsmiddel-bassinet. En ændring i farve mellem hvid og grå angiver, en bagsiden af den osmotiske gradient. Hvis farven ikke ændrer sig på en lodret streg, angiver dette at prøve salen bliver igen blussende med samme opløsningsmiddel. Dette opstår, når der er tilstrækkeligt væske fjernes, og ofte sker, når den højere massefylde væske er i prøve salen på grund af sin store viskositet. Gengivet fra Wehrman et al. 201710 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

To-lags mikrofluid enhed (figur 1) kan gøres nemt ved følgende veldokumenteret mikrofluid fabrication teknikker29. Glas understøtter føjes til bunden af enheden for at formindske vibrationelle effekter på sonden bevægelse. Glas dias er meget tynd (0,10 mm) for at imødekomme arbejde afstand af mikroskop mål. Dette gør enheden modtagelige for små vibrationer i bygning og prøve miljøet, der måles derefter med høj hastighed kameraet. Glas understøtter negere med succes disse eksterne stimuli. Den korte arbejde afstand mål er valgt at indsamle præcise MPT data, som kræver: (1) mindst 4 pixels pr partikel og (2) en begrænset arbejde afstand at undgå imaging partikler, ikke der i 2D flyet.

Udformningen af denne enhed, figur 1a-c, er baseret på tidligere undersøgelser, der kombinerer microrheology med mikrofluidik. Schultz og Furst udviklet µ2reologi, ved hjælp af den samme mikrofluid fabrikation teknik anvendes til vores arbejde. Deres enhed var designet til at skabe 50-100 prøver af hydrogel materialer, adskilt af en kontinuerlig fase, med forløb i begge polymer rygrad og tværs linker koncentration16,29. Derudover har teknikker ved hjælp af konvergerende mikrofluid vandløb vist sig at være nyttigt for diffusering af én partikler eller makromolekyler25,26. Vi har kombineret en fabrikation teknik af Schultz og Furst og deres idé om at tage microrheological målinger i en mikrofluid enhed i vores nye enhed og skaleres op mikrofluid fældefangst designs. I vores design skaber vi 1 mm firkantede kanaler, som er afrundet ved et lag af glas på indersiden af kanalerne ved hjælp af sol-gel kemi30. Dimensionerne kanal er valgt at undgå interaktioner mellem sonde partikler og vægge af mikrofluid enhed31. For vores sonde størrelse (0,5 µm) og kanal højde (1 mm) den hydrodynamiske kraft fra glasset på er sonden på rækkefølgen af F ≈ 10– 18 N, med angivelse af denne styrke fra for glasvæg ikke vil have en mærkbar effekt på bevægelsen af sonden partikler 31. Derudover sonde partikler skulle være inden for 10 µm af væggen for at påvirke bevægelse af partikler som følge af partikel interaktioner med væggen. Alle data er indsamlet mere end 10 µm fra væggen. Glas er fremstillet i mikrofluid kanalerne til at forhindre opløsningsmiddel optagelse af PDMS under vores eksperimentelle tidshorisont, som er på rækkefølgen af timer. Ved hjælp af en fabrikation teknik, der giver mulighed for 10 µL af stikprøver (svarende til kanal højde 1 mm) og konvergerende mikrofluid vandløb, kan vi optrappe fældefangstmetode fra enkelt molekyler til 10 µL.

2-lag design er indarbejdet til at forhindre flow ustabilitet, der opstår i et enkelt lag enhed. Under tidlige gentagelser af dette arbejde var hele enhed ét lag. To input vandløb (hver med den samme væske, enten vand eller geldannende agent) startede fra to hjørner af enheden og flød kun gennem de lange kanaler kører længden af enheden, tangerer prøve salen. Men enhver flow ustabilitet mellem kanalerne resulterede i flow gennem prøven kammer og et tab af prøven, slutter eksperimentet. Det andet lag, sammen med tilføjelsen af den stor suge kammer, fjerner disse ustabilitet ved kun at bruge én suge kilde og skabe lige pres omkring prøven, fældefangst prøven under eksperimenter. Det andet lag har en meget enkel design og er beregnet til at holde nye omgivende væsken over i prøve salen.

µ2reologi data indsamles med succes ved hjælp af den ovennævnte protokol. Den første fase af opsætningen, fylde enheden, er afgørende for en vellykket eksperiment. Forkert påfyldning kan resultere i bobler i kanaler eller i prøve salen, der negativt påvirker både microrheology og funktionen af mikrofluid enhed (figur 2). Den nemmeste måde at undgå boblerne i mikrofluid enheden er af helt fylde sprøjten (Sørg for at der ingen bobler) forudgående at fylde enheden. Alternativt, bobler kan fjernes ved enten at indføre en stor strømningshastigheden af opløsningsmiddel (ved at trykke stemplet i sprøjten sværere) eller ved at trykke enheden forsigtigt indtil boblerne flytte til exit-kanal. Bobler i prøve salen kan forårsage rettet bevægelse af sonder på grænsefladen luft-væske. MPT målinger kræver sonder til at gennemgå rent Brownske bevægelser til at måle materialeegenskaber. Bobler i mikrofluid kanalerne også påvirke flow under væske udveksling, som derefter kan forårsage ændringer i trykket og flytte gel prøven ud af salen. Begge disse spørgsmål kan undgås ved at sikre, at enheden og opløsningsmidler kammer helt fyldt med væske før prøven injektion. Prøven input skridt vil give nogle shear på prøve, men det ikke påvirker negativt rheologiske egenskaber og struktur af materiale. Dette blev bekræftet af bulk rheologiske målinger af prøver indlæst uden vrid og prøver læsset på rheometer med de samme input teknikker som mikrofluid enhed. Når enheden er korrekt udfyldt, sikrer den procedure kontur ovenfor korrekt funktion under eksperimenter.

Der er minimal materielle tab under væske udveksling. Dette er tydeligt under eksperimenter af: (1) kolloid materialet evne til at have nok fibre til fortsat at danne en gel netværk og (2) koncentrationen af sonden partikler forbliver høj nok til at indsamle statistisk signifikant MPT målinger. Derudover er en enkelt prøve i stand til at op til ni faseovergange, yderligere angivelse minimalt tab under væske udveksling. Det samlede antal observerbare overgange afhænger af mængden af sonder tabt på grund af diffusion af prøven, når det er i sol fasen. Sonder er diffuserende, når materialet er en sol, og en lille mængde af dem bliver diffust ud af prøven efter hver gel-sol overgang. Mængden af sonder vil begrænse mængden af overgange muligt for enheden.

Vi har vist, at denne enhed kan bruges til at måle materialeegenskaber og bestemme mikrostruktur af blødt stof under gentagne faseovergange. Symmetri af indgangsporte ind i prøve salen fælder en stikprøve på plads, så gentagne faseovergange på en enkelt prøve uden tab af prøven. Enhed design kan være let tilpasses til forskellige systemer, herunder polymere hydrogels, der ændrer struktur som følge af ændringer i pH eller biologiske og overfladeaktivt stof materialer, der er lydhøre over for ændringer i saltkoncentration, giver reproducerbare resultater til bestemme de rheologiske egenskaber og struktur af en gel system under træk fase ændringer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Der er ingen afsløringer for dette arbejde.

Acknowledgments

Finansiering af dette arbejde blev leveret af Procter & Gamble Co og den amerikanske kemiske samfund Petroleum Research Fund (54462-DNI7). Anerkendelse er lavet til donorer af den amerikanske kemiske samfund Petroleum Research Fund til delvis støtte af denne forskning. Forfatterne vil gerne anerkende Dr. Marco Caggioni til nyttige diskussioner.

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 spørgsmål 134 kolloider gel mikrofluidik microrheology reologi bløde sagen
Kombinere mikrofluidik og Microrheology for at bestemme rheologiske egenskaber af blødt stof under gentagne faseovergange
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