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Engineering

Combinando microfluídica e Microrheology para determinar as propriedades reológicas de matéria mole durante as transições de fase repetidas

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

Demonstramos a fabricação e o uso de um dispositivo microfluidic que permite múltiplas partículas microrheology medições para estudar os efeitos reológicos de transições de fase repetidas em matéria mole de rastreamento.

Abstract

A microestrutura da matéria mole diretamente impactos macroscópicas Propriedades reológicas e pode ser alterada por fatores incluindo coloidal rearranjo mudanças de fase anterior e aplicado da tesoura. Para determinar a extensão dessas mudanças, nós desenvolvemos um dispositivo microfluidic que permite repete as transições de fase induzidas pela troca da caracterização de fluidos e microrheological circundante limitando cisalhamento na amostra. Esta técnica é µ2reologia, a combinação de microfluídica e microrheology. O dispositivo microfluidic é um projeto da dois-camada com fluxos de entrada simétrica, entrando em uma câmara de amostra que intercepta a amostra de gel no lugar durante a troca de fluidos. Aspiração pode ser aplicada longe da câmara de amostra para puxar fluidos na câmara da amostra. Propriedades reológicas do material são caracterizadas usando múltiplas partículas microrheology (MPT) de rastreamento. No MPT, partículas de sonda fluorescente são incorporadas o material e o movimento browniano das sondas é gravado usando vídeo microscopia. O movimento das partículas é controlado e o deslocamento de média-quadrado (MSD) é calculado. A MSD está relacionada a propriedades reológicas macroscópicas, usando a relação de Einstein-Stokes generalizado. A fase do material é identificado por comparação com o expoente crítico de relaxamento, determinado usando superposição tempo-cura. Medições de gel coloidal fibroso ilustram a utilidade da técnica. Este gel tem uma estrutura delicada que pode ser irreversivelmente alterada quando cisalhamento é aplicado. dados de reologia µ2mostram que o material várias vezes se equilibra com as mesmas propriedades reológicas após cada fase de transição, indicando que as transições de fase não desempenhar um papel na alteração microestrutural. Para determinar o papel de cisalhamento, amostras podem ser cortadas antes da injeção em nosso dispositivo microfluidic. µ2reologia é uma técnica amplamente aplicável para a caracterização de matéria mole, permitindo a determinação das propriedades reológicas de microestruturas delicadas em uma única amostra durante as transições de fase em resposta às mudanças repetidas na em torno das condições ambientais.

Introduction

Transições de fase em matéria mole podem alterar a estrutura do andaime, que tem implicações na estabilidade final e processamento do material1,2,3. A caracterização de materiais macios durante as transições de fase dinâmica fornece informações essenciais sobre a relação entre a evolução estrutural e estrutura de equilíbrio e propriedades reológicas. Por exemplo, muitos produtos de cuidados domiciliários requerem uma mudança de fase durante o uso do consumidor. Além disso, durante a fabricação, etapas de processamento, incluindo diluição e mistura, podem dar cisalhamento que afetam as propriedades reológicas e a microestrutura final do produto. Compreender as propriedades reológicas durante uma mudança de fase garante que o produto executa como projetado. Além disso, se as forças alteram a reologia inicial do material durante a fabricação, transições de fase podem produzir resultados inesperados e indesejados, alterando a função pretendida e a eficácia. No ponto crítico de gelificação, definido como o ponto onde o material transita de uma solução de coloides associados ou polímeros para uma rede de gel de amostra-abrangendo, propriedades do material mudam drasticamente com ligeiras alterações de associação. Qualquer alteração à estrutura no ponto crítico gel pode impactar o produto final4. Durante estas transições dinâmicas, materiais macios têm propriedades mecânicas fracas e medições que usam técnicas experimentais clássicas podem ser dentro da medição ruído limite5,6,7. Para dar conta disto, técnicas tais como microrheology, que é sensível na faixa de baixo módulo (10-3 - 4 Pa), são usados para caracterizar o gel incipiente fraco durante a evolução dinâmica. Alguns materiais são suscetíveis a alterações na microestrutura devido a forças externas, que apresenta um desafio durante a caracterização, como qualquer transferência de material ou líquido pode afetar a estrutura e, finalmente, as propriedades do material finais. Para evitar alterar a microestrutura do material, nós desenvolvemos um dispositivo microfluidic que pode trocar o fluido em torno de uma amostra ambiental, minimizando o cisalhamento. Trocando o ambiente fluido, mudanças nas propriedades reológicas e microestrutura são medidas durante as transições de fase com a contribuição mínima de cisalhamento. O dispositivo é combinado com múltiplas partículas microrheology (MPT) de rastreamento em uma técnica chamada µ2reologia. Esta técnica é usada para quantificar propriedades materiais durante as mudanças de fase consecutivos de gel em resposta a uma força externa. A técnica será ilustrada usando um fibroso gel coloidal, óleo de rícino hidrogenado (HCO)9,10,11.

Andaimes de gel podem sofrer alterações em associação e dissociação devido sua amostra ambiente12,13,14,15. A força motriz para gelificação e degradação são material específico e devem ser adaptados para cada material de interesse. reologia de2µ pode ser usada para caracterizar sistemas de gel que respondem a estímulos externos, incluindo redes colloidal e poliméricas. Alterar o pH, pressão osmótica ou concentração de sal é exemplos de factores que podem induzir alterações na microestrutura da material. Por exemplo, HCO sofre transições de fase controlada através da criação de um gradiente de pressão osmótica. Quando uma amostra de gel HCO concentrada (4 wt % HCO) é mergulhada na água, enfraquecem as forças atrativas entre as partículas coloidais, causando a degradação. Como alternativa, quando uma solução diluída de HCO (0,125 wt % HCO) está em contato com um material hidrófilo (referido como o agente de coagulação e composto principalmente de glicerina e surfactante), a atraente forças para retornar, causando a gelificação. Este gel de sistema será usado para mostrar a operação do dispositivo, como uma ferramenta para medir transições de fases consecutivas em uma única amostra9,10. Para caracterizar estes andaimes de gel durante transições dinâmicas e a estrutura de gel de incipiente delicado durante a transição de fase crítica, usamos o MPT para caracterizar estes materiais com alta resolução espaço-temporal.

Microrheology é usado para determinar propriedades de gel e estrutura, especialmente durante a transição de crítica, de uma matriz de materiais macios, incluindo géis coloidais e poliméricos5,6,9,16. MPT é uma técnica passiva microrheological que usa vídeo microscopia para gravar o movimento browniano de partículas de sonda fluorescente incorporado dentro de uma amostra. As posições da partícula em todo os vídeos são precisamente determinadas a dentro 1/10th de um pixel usando clássica de rastreamento algoritmos17,18. O ensemble em média deslocamento média-quadrado (MSD, (Δr2(t))) é calculado a partir destas trajetórias de partículas. A MSD está relacionada a propriedades materiais, tais como a conformidade de fluência, usando a relação de Einstein-Stokes generalizado17,19,20,21,22, 23. O estado do material é determinado calculando o declive logarítmico da curva MSD em função do tempo de retardo, α,

Equation 1

onde t é o tempo de retardo e comparando-a com o expoente crítico de relaxamento, n. n é determinado usando a superposição de tempo de cura, uma técnica bem documentada que foi modificada para analisar os dados do MPT por Larsen e Furst6. Por comparação de n para α o estado do material é quantitativamente determinado. Quando α > n o material é um sol e quando α < n o material é um gel. Trabalhos anteriores caracterizou o sistema HCO usando microrheology para determinar o expoente crítico de relaxamento9. Usando esta informação, determinamos precisamente quando o material transita de um gel para um sol durante um experimento. Além disso, o parâmetro de não-gaussiana, αNG, pode ser calculado para determinar a extensão da heterogeneidade estrutural de um sistema,

Equation 2

onde Δx(t) é o movimento unidimensional da partícula na direção x . Usando o MPT, pode caracterizar uma transição de fase única, mas por caracterizar materiais com MPT em um dispositivo microfluidic, somos capazes de manipular o ambiente fluido circundante e coletar dados de várias transições de fase em uma amostra de gel único.

Este dispositivo microfluidic destina-se a investigar as transições críticas de uma amostra de gel único que sofre mudanças de fase em resposta às mudanças no ambiente fluido circundante. O dispositivo troca fluido em torno da amostra quando é sob o estado de gel ou sol bloqueando-se a amostra no lugar para induzir uma transição de fase, minimizando o cisalhamento. Uma solvente bacia está localizada diretamente acima da câmara de amostra, que são ligadas por seis canais de entrada simetricamente espaçados. Essa simetria permite a troca de fluido da bacia do solvente para a câmara de amostra ao criar pressão igual em torno da amostra, trancando-os no lugar. Há vários estudos que usam esta técnica para uma única partícula e interceptação de DNA, mas este trabalho dimensiona o volume de moléculas simples para amostras que são aproximadamente 10 µ l24,25,26. Este projeto original também permite a caracterização de microrheological em tempo real durante as transições de fase.

µ2reologia é uma técnica robusta que é aplicável a muitos sistemas de matéria mole. A técnica descrita neste artigo foi projetada para gel coloidal, mas pode ser facilmente adaptado para outros materiais tais como polímero ou soluções micellar. Com esta técnica, podemos determinar não apenas como transições de fase afetam as propriedades materiais do equilíbrio, mas as etapas de processamento também como diferentes podem ter efeitos sobre a evolução reológica do material e a estrutura do andaime final duradouros e Propriedades.

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Protocol

1. a fabricação do dispositivo Microfluidic

  1. Fabricação de carimbo microfluidic.
    Nota: Este passo requer o uso de materiais voláteis e deve ser feito em uma coifa de química.
    1. Usar um projeto impresso negativo com as mesmas dimensões que a lâmina de vidro (75 × 50 mm), o branco colorido de canais, e o fundo de cor preta (ver Figura 1). Imprima este desenho em uma folha de acetato clear (transparência) com uma resolução de 1200 dpi.
    2. Se a seção escura da transparência ainda permite que a luz através de, camada de vários negativos e aderir usando fita dupla face.
    3. Ligue a fonte luminosa de alta intensidade ultravioleta (UV) e deixe-a aquecer para uma saída constante (aproximadamente 30 min).
      Nota: Os óculos de proteção UV devem ser usado quando usando a fonte de luz UV de alta intensidade.
    4. Preencher três pratos de Petri 150 mL com acetona, etanol e água destilada.
    5. Coloque uma transparência em branco sobre uma superfície plana perto da fonte de UV de alta saída, mas não diretamente sob a luz ultravioleta luz. Isso fornecerá uma base para fabricar o selo microfluidic.
    6. Contorne os cantos de 75 × 50 mm placa de vidro no centro da transparência em branco com um permanente marcador e lugar quatro vidro distanciadores (aproximadamente 30 × 30 × 1 mm) nos cantos do retângulo descrito.
    7. Despeje aproximadamente 5 mL de resina de tiol: ene curável UV no centro dos espaçadores e, em seguida, coloca-se cuidadosamente um 75 x 50 x 1 lâmina de vidro de mm para os espaçadores de vidro, para que a cola é completamente coberta pela lâmina de vidro com nenhuma bolha de ar.
    8. Coloque a transparência com negativo impresso na parte superior da lâmina de vidro e mover todos os componentes acima (de baixo para cima: em branco, transparência, espaçadores de vidro e colagem UV, lâmina de vidro e transparência impressa negativa), arrastando a transparência em branco cuidadosamente sob a fonte de luz UV.
    9. Permitir que a luz UV brilhar o negativo para a resina e a cura. O tempo de cura pode ser ajustado para alterar a altura do canal. Um 45 s cura tempo resulta em uma altura de canal de 1 mm, usando nossa fonte de luz.
    10. Mover os componentes longe da fonte de UV e remover a transparência impressa negativa e a lâmina de vidro. A lâmina de vidro com os canais fabricado em cola UV será agora referida como o carimbo microfluidic.
    11. Descarte os espaçadores de transparência e de vidro.
    12. Mergulhe o carimbo microfluidic no banho de acetona, seguido de banho de etanol. Repita duas vezes. Acetona degradará a cola UV, então não deixe acetona sobre o selo para maior que 10 s.
    13. Mantendo o carimbo, mergulhe o carimbo na água e use um cotonete para remover o resto da resina não tenha reagido. Não diretamente Limpe as porções curadas, como ele vai fazer com que os canais áspero.
    14. Coloque o selo sobre uma toalha de papel e retornar para a fonte de UV durante pelo menos 30 minutos para assegurar a cura completa.
  2. Moldagem de polidimetilsiloxano (PDMS)
    1. Despeje uma xícara de clara 70g de PDMS base e adicionar o agente do cross-linking com base em uma relação de peso de 01:10 crosslinker para a base. Estas são o fabricante recomendado rácios. Não use um recipiente de vidro.
    2. Misture o cross-linker e base cuidadosamente com um palito de metal; a mistura deve ser turva devido a bolhas de ar aprisionado uma vez corretamente misturado.
    3. Ponha o PDMS em um vácuo vácuo forno e puxe o PDMS misto. Desligue o vácuo se a solução começa a transbordar o copo e, em seguida, retomar o vácuo após o estouro de subsídios. Não importa a pressão total na estufa de vácuo, como o vácuo apenas acelera o processo de desgaseificação. Deixe na câmara até todas as bolhas foram evacuadas da mistura (aproximadamente 60 min).
    4. Lugar do carimbo microfluidic em um plástico de diâmetro de 150mm vazio placa de Petri, então lentamente despeje o PDMS de Petri, cobrindo completamente o carimbo microfluidic. Despeje próximos à superfície da caixa de Petri para minimizar bolhas reforma no PDMS.
    5. Cubra o prato de Petri e coloque em um forno de 55 ° C durante a noite para curar. Uma vez completamente curados, cortar o PDMS modelado usando uma faca e retire o selo. Reter excesso PDMS para construir a bacia de solvente (etapa de protocolo 1.6.3) e rolhas PDMS (etapa 2.2.1.1 do protocolo).
    6. Usando um soco de biópsia de 0,5 mm, corte buracos nos seguintes locais: um em cada canto, um na câmara de sucção, perto da borda do canal, seis na câmara de amostra simetricamente colocado abaixo de 60° e um no centro da câmara de amostra. Para garantir furos simetricamente colocados um padrão de impressão em uma folha de papel e o lugar sob a câmara de amostra. Desde que o PDMS é claro, você pode ver facilmente onde os furos precisam ser colocados.
  3. Preparação da solução de sol-gel para criar paredes de vidro no dispositivo microfluidic
    1. Em um frasco de 100 mL, adicionar 25 mL de etanol a 90%, 25 mL de pH 4 (0,0001 M) solução de ácido clorídrico, 25 mL de 98% tetraethoxysilane e 25 mL de methyltriethoxysilane de 98%. Coloque a solução de 100 mL, agora referida como o fluido preconverted, no microondas descoberto por 10 segundos e, em seguida, colocar em uma 80 ° C durante a noite.
  4. Montagem do dispositivo
    1. Coloque os PDMS ambos estampados e uma 75 × 50 × 0,10 mm limpador de vidro slide para o plasma e o conjunto da válvula de 3 vias para a posição de desligado.
    2. Ligue a bomba de vácuo e aguarde um minuto evacuar a câmara.
    3. Coloca a válvula de 3 vias para a posição de controlador de fluxo e deixe a câmara equilibrar por 5 segundos. A posição do controlador de fluxo permite uma taxa de pequeno fluxo de ar entre o plasma líquido de limpeza, baixo o suficiente para manter a câmara a baixas pressões. Ligue o interruptor de radiofrequência (RF) para médio por 40 segundos e, em seguida, desligue o interruptor de RF e bomba de vácuo.
    4. Coloque a válvula de 3 vias para a posição aberta para retornar a câmara às condições atmosféricas. Retire a lâmina PDMS e vidro modelada.
    5. Cuidadosamente aderir o PDMS padronizada para a lâmina de vidro, colocando as duas superfícies em contacto com os outros.
    6. Aplica revestimentos de cura UV para as costuras em torno do modelado PDMS e cura por 5 min sob luz UV de baixa intensidade.
  5. Fabricação de paredes de vidro nos canais microfluídicos.
    Nota: Esta etapa deve ser concluída dentro de 30 minutos de tratamento de plasma, que se baseia em alterações de superfície de PDMS que ocorrem durante o tratamento de plasma. A espessura da camada será aproximadamente 5-10 µm. Esta etapa exige o uso de materiais voláteis e deve ser feita em uma coifa de química.
    1. Definir uma placa de aquecimento a 100 ° C e preparar quatro seringas (três de 30 mL e uma de 3 mL) com agulhas de calibre 18 e cerca de 30 cm de comprimento de tubulação termoplástica claro.
    2. Preencha três seringas de 30 mL com etanol, clorofórmio e ar, respectivamente. Encher uma seringa de 3 mL de líquido preconverted (da etapa de protocolo 1.3.1).
    3. Inserir o tubo termoplástico claro usando conectores de aço inoxidável em cada um dos furos no PDMS estampados, com excepção do buraco de um canto. Este furo será usado como uma entrada, enquanto todos os outros serão tomadas.
    4. Encher o dispositivo microfluidic de preconverted líquido da seringa e, em seguida, coloque o dispositivo microfluidic na placa de aquecimento de 100 ° C para que o vidro de fundo é tocar a superfície da placa quente.
    5. Fluxo 3 mL de fluido preconverted através do dispositivo microfluidic mais de 10 segundos. A espessura das paredes de vidro é ajustada, alterando a taxa de fluxo do fluido preconverted.
    6. Remova o dispositivo microfluidic a chapa. Substituir a seringa solução preconverted com a seringa de ar e empurrar para fora qualquer excesso de líquido preconverted.
    7. Substituir a seringa de ar com a seringa de clorofórmio e fluir lentamente 15 mL de clorofórmio através do dispositivo microfluidic. Substituir a seringa de clorofórmio com a seringa de etanol e fluir lentamente 30 mL de etanol através do dispositivo microfluidic. Estas etapas devem levar cerca de 1 min cada.
    8. Substitua a seringa do etanol com o ar de seringa e fluxo de ar através do dispositivo microfluidic até secar.
  6. Aplicação de suportes de vidro e bacia do solvente
    1. Tiras de vidro de 75 × 25 × 1 corte 75 × 10 × 1 mm milímetros de vidro slides.
    2. Aplica revestimentos de cura UV para as tiras de vidro. Coloque o dispositivo microfluidic sobre as tiras, com o lado PDMS virada para cima. Se mover sob a fonte de luz de baixa intensidade UV por 5 minutos.
    3. Corte um 30 × 30 milímetros quadrados de PDMS. Usando um soco biópsia, corte um buraco grande o suficiente para cobrir a câmara de amostra de 10 mm.
    4. Coloque o quadrado de PDMS e dispositivo microfluidic para o plasma líquido de limpeza, em seguida, coloque a válvula de 3 vias para a posição de desligado e ligue a bomba de vácuo.
    5. Aguarde um minuto evacuar a câmara. Colocar a válvula de 3 vias para a posição de controlador de fluxo e deixe a câmara equilibrar por 5 segundos.
    6. Ligue o interruptor de RF para média por 40 segundos e, em seguida, desligue o interruptor de RF e bomba de vácuo.
    7. Coloque a válvula de 3 vias para a posição aberta para retornar a câmara às condições atmosféricas.
    8. Remover o dispositivo de bacia e microfluidic solvente da câmara de plasma e aderir entrando em contato com as superfícies. Não se esqueça de colocar a bacia do solvente sobre a câmara de amostra.

2. reologia de2µ procedimento

  1. Preparação de amostras de matéria mole
    1. Partículas de sonda de lavagem
      1. Pipetar 0,5 µm de testes e água para um tubo de microcentrifugadora a uma proporção de água para sondas de 10:1. Misturar cuidadosamente usando uma pipeta de mistura e, em seguida, colocar o tubo de microcentrifuga microcentrifuga e girar a 4600 x g durante 10 minutos.
        Nota: A solução da sonda utilizada neste trabalho é recebida suspensas na água com uma concentração inicial de 2,6% sólidos/volume, e a concentração final de sondas utilizadas na amostra é de 0,1% de sólidos/volume.
      2. Remova o tubo de microcentrifugadora e pipeta para fora o sobrenadante. Substitua o sobrenadante com água. Repeti a centrifugação para um total de três vezes.
      3. Coloque o tubo de microcentrifugadora no sonicador e proceda à sonicação em baixa por 15 minutos para remover quaisquer agregados.
    2. Sondas de combinação e matéria mole.
      Nota: Para este procedimento, um gel coloidal foi usado como a amostra de matéria mole.
      1. Em 75 × 50 mm placa de vidro, medir 1 mL de amostra. Pipete 40 µ l da solução da sonda para o centro da amostra.
      2. Misture delicadamente a amostra com uma espátula de metal até que completamente combinado. Colher a amostra em um tubo de microcentrifugadora e centrifugar 2340 x g por 15 s para remover o ar retido.
      3. Encher uma seringa de 1 mL equipado com uma agulha de calibre 18 e tubulação termoplástica clara com a mistura de sonda/HCO.
  2. Transições de fases consecutivas, induzidas pela troca de fluidos
    1. Encher o dispositivo microfluidic
      1. Para criar rolhas PDMS, usando PDMS excesso da etapa de protocolo 1.2.5, corte uma secção quadrada de 5 mm de PDMS. Usando um soco de biópsia 0,5 mm de diâmetro, corte um buraco no meio do caminho o bujão PDMS. Inserir um conector de aço inoxidável no orifício de diâmetro de 0,5 mm.
      2. Conecte o tubo termoplástico para três canais de entrada de canto e o canal de saída de câmara de sucção. Encha completamente o dispositivo com água usando uma seringa conectada ao dispositivo. Assegurar que não há nenhuma bolha na câmara de amostra ou nos canais microfluídicos. Bloque o buraco de canto restantes com rolhas de PDMS.
      3. Bacia do solvente deve ser parcialmente preenchida da etapa 2.2.1.2; Se não está cheio, encha a solvente da bacia com água.
      4. Usando a seringa da etapa de protocolo 2.1.2.3, injectar 10 µ l da mistura de amostra/sonda através do canal do centro para a câmara de amostra a cerca de 2 µ l/s, em seguida, use uma rolha PDMS para bloquear o canal central da câmara de amostra.
    2. Coleta de dados de microrheological
      1. Ativar as configurações da câmera para aqueles otimizado para minimizar a partícula estática e dinâmica, rastreamento de erros, em seguida, alternar para o objectivo de imersão de água × 63 e pipetar uma gota de água sobre a lente.
      2. Coloque o dispositivo microfluidic no palco microscópio e levante o objectivo até é focado na amostra.
      3. Vídeos do movimento browniano das sondas assuma os intervalos de tempo adequados para o comprimento total de uma mudança de fase. Para gelificação, continue a tomar vídeos até o movimento da sonda foi completamente parado.
        Nota: Nós coletamos dados a cada 10 min. Se começarmos com um experimento de degradação, dados são coletados até as sondas são completamente difusão.
    3. Troca de fluidos na câmara de amostra (fluxo de gravidade, troca de fluidos de densidade mais baixas com líquidos de densidade mais altos)
      1. Remova o dispositivo microfluidic desde a fase de microscópio.
      2. Sucção da água da bacia do solvente, utilizando uma pipeta de transferência e, em seguida, pipetar 4 mL de líquido de densidade mais elevado para a bacia do solvente.
      3. Retornar o dispositivo microfluidic à fase de microscópio e repita a etapa 2.2.2.3
    4. Troca de fluidos na câmara de amostra (fluxo de sucção, troca de fluidos de densidade mais elevadas com líquidos de densidade Baixos)
      1. Remover o dispositivo microfluidic desde a fase de microscópio e retirar a rolha PDMS da câmara de sucção.
      2. Introduza uma seringa equipada com uma agulha de calibre 18 e tubulação termoplástica clara para o canal da câmara de sucção e ligar a seringa até uma bomba de seringa. Conjunto da bomba de seringa para puxar em 1 mL/min.
      3. Remova o excesso gelificante na bacia do solvente e lavar três vezes com água, enchendo a bacia do solvente e depois aspirar o fluído de lavagem.
      4. Begin sucção com a bomba de seringa, acrescentando água à bacia do solvente por um minuto. Não deixar a solvente bacia vazia completamente, como isso vai puxar o ar para a câmara de amostra.
      5. Retire a seringa do dispositivo microfluidic e substituir a rolha de PDMS na câmara de sucção.
      6. Retornar o dispositivo microfluidic à fase de microscópio e continue a tomar amostras
  3. Continue a tomar amostras em intervalos regulares durante a degradação/gelificação ciclos até o número desejado de ciclos é concluído ou existem sondas insuficientes para medição.

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Representative Results

Um dispositivo de duas camadas microfluídicos é construído com PDMS (Figura 1a, b), que é modelado em um selo microfluidic. O desenho do carimbo é mostrado na Figura 1c. Instalação experimental inadequada pode resultar em erros em fluxos de microrheology e microfluidic passivos durante envolvendo troca de fluidos (Figura 2). Exemplos de instalação experimental inadequado são detalhados na seção de discussão. Durante a operação do dispositivo, é trocado o fluido circundante em torno de uma amostra de gel. Esta troca de fluidos ocorre quando o material é em gel e a fase de sol. Este projeto de dispositivo microfluidic tem a capacidade de troca de fluido sem perda substancial de material coagulada e partículas de sonda incorporada. Dois tipos de fluido, as trocas são usadas, o fluxo de gravidade (quando passar de líquido de densidade menor para maior) ou fluxo de sucção (quando passar de superior para inferior fluido de densidade). Em nosso sistema do gel HCO, fluxo de sucção é usado para induzir a degradação, enquanto o fluxo de gravidade é usado para induzir a gelificação. Ambos os fluxos transmitir cisalhamento mínimo na amostra, com tesoura na ordem de 0,01 Pa e 1 Pa para sucção e gravidade de fluxo, respectivamente. Estas tesouras são sob o stress de rendimento do gel, que é da ordem de 10 Pa9,10.

Estado, estrutura e propriedades reológicas da amostra do gel são caracterizadas quantitativamente usando múltiplas partículas microrheology (MPT) de rastreamento. No MPT, sonda partículas são controladas usando o clássico algoritmos27,28de rastreamento. O deslocamento ensemble em média de média-quadrado (MSD) é calculado a partir de trajetórias de partículas (Figura 3) durante as transições de fase sucessiva. Microrheology dados (Figura 3) mostram que transições de fases sucessivas são alcançadas no sistema HCO gel. As curvas MSD alternam entre α → 0 (gel) e α → 1 (sol). A magnitude das curvas do MSD é acima do limite inferior de MSD mensurável desta configuração experimental (0,001 µm.2). Esse limite é determinado experimentalmente por sondas aderente para vidro em uma câmara de amostra, que é feita, permitindo que as partículas resolver sob gravidade durante a noite. O ensemble MSD em média das partículas preso sonda é medida para obter o limite de detecção da MSD, que é dependente do aparato experimental específico.

Calculam-se a inclinação logarítmica da curva de MSD (α) e o parâmetro de não-gaussiana (αNG) e o estado do material quantitativamente é determinado por comparação com o expoente crítico de relaxamento (n) (Figura 4). Para este experimento, usando HCO como um gel de modelo, um total de nove transições são medidos. O material começa como um gel (α → 0) e cinco degradações (α → 1) e quatro gelations (α → 0) medem mais de 1.500 minutos. O timing de cada transição de fase é dependente do material. Mudanças de fase são induzidas pela troca de fluidos. Quando não há nenhuma troca de fluidos, como mostrado pelo período estendido na fase do sol entre 800-1400 rpm, sonda partículas permanecem dentro da amostra e não há nenhuma alteração para as propriedades reológicas. Depois de uma troca de fluidos ocorre, o material novo gel.

Os dados que obtemos a partir deste dispositivo fornecem informações sobre as propriedades reológicas e estrutura do material de várias maneiras. Não medimos as alterações nas propriedades reológicas de equilíbrio de mudanças de fase repetidas. Isto é evidente por α em cada fase, retornando para o mesmo valor. Quando o material está em fase de sol, atinge α, = 0,90 e quando na fase gel, α = 0,20. O valor de α na fase de sol indica que o material mantém alguma estrutura, mesmo após a degradação. Um sistema coloidal que degradou-se completamente em uma solução de partículas coloidais terá α = 1,0, enquanto o valor de equilíbrio na fase sol para HCO é α = 0,90, indicando alguma estrutura é mantida. Além disso, rearranjo coloidal pode ocorrer imediatamente após a troca de fluidos, que é indicada pelo aumento de α. Finalmente, o parâmetro de não-gaussiana, αNG, que quantifica a heterogeneidade do material, mostra que o gel se submete a um aumento da heterogeneidade estrutural durante a transição de degradação (gel para sol). Isto é evidente pelo pico no αNG.

Figure 1
Figura 1: dispositivo Microfluidic. (a) imagem do dispositivo microfluidic da dois-camada que intercepta uma amostra no lugar enquanto o fluido circundante é trocado. A primeira camada tem duas câmaras, uma para a amostra e outra para a sucção. Buracos estão localizados em cada um dos cantos, bem como uma câmara de sucção e sete na câmara de amostra. Acima da câmara de amostra, uma segunda camada de PDMS é aderida ao dispositivo para atuar como uma solvente da bacia. (b) a amostra é injetada na câmara de amostra através do canal médio. A amostra é trancada no lugar durante a transferência de fluidos por fluxos de entrada simétrica na câmara de amostra, criando uma pressão igual em torno da amostra. (c) o projeto usado para criar o selo microfluidic para a 1 camada dest do dispositivo. Câmaras de cada têm um diâmetro de 10 mm, enquanto os canais têm uma largura de 1 mm. A altura resultante para ambos os canais e câmaras é 1mm após 45 s de exposição aos raios UV. Reproduzido de Wehrman et al . 201710 com permissão da The Royal Society of Chemistry. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2 : Imagem de um dispositivo microfluidic indevidamente preenchido. Bolhas de ar injetadas o dispositivo podem ter efeitos negativos sobre microfluidic fluxos e microrheological dados (devido ao movimento dirigido de partículas na interface gás-líquido) durante a troca da solução. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: curvas de deslocamento média-quadrado de uma óleo de rícino hidrogenado do gel durante a degradação (a, c) e gelificação (b, d). O 2nd (a, b) e transições de fase 3rd (c, d) são mostradas fora 9 transições totais. O ponto crítico de transição (gel - sol ou sol - gel) é indicado por uma linha tracejada no n = α = 0,77 e representa cada mudança de fase com MSD curvas acima da linha são um sol e abaixo de um gel. Reproduzido de Wehrman et al . 201710 com permissão da The Royal Society of Chemistry. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: inclinação logarítmica (, fechado) e não-gaussiana parâmetro (αNG, aberto) para uma única amostra de 4% wt hidrogenado gel de óleo de mamona durante as transições de fase repetidas. A transição crítica é indicada por uma linha tracejada horizontal (n = 0,77) e foi determinada a partir de microrheological anteriores experiências9,10. Linhas verticais indicam a troca de solvente, com fundo branco, indicando que há água na bacia do solvente e áreas sombreadas de cinza que há gelificante na bacia do solvente. Uma mudança na cor entre branco e cinza indica uma inversão do gradiente osmótico. Se a cor não é alterado em uma linha vertical, isto indica que a câmara de amostra está a ser re-corada com o mesmo solvente. Isto ocorre quando há insuficiente fluido removido e geralmente acontece quando o fluido de densidade maior é na câmara de amostra devido a sua grande viscosidade. Reproduzido de Wehrman et al . 201710 com permissão da The Royal Society of Chemistry. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

O dispositivo de duas camadas microfluidic (Figura 1) pode facilmente ser feito pelos seguintes microfluidic bem-documentado fabricação técnicas29. Suportes de vidro são adicionados à parte inferior do dispositivo para diminuir efeitos vibracionais no movimento da sonda. A lâmina de vidro é muito fino (0.10 mm) a fim de acomodar a distância de trabalho, o objectivo do microscópio. Isto faz com que o dispositivo suscetível a pequenas vibrações no edifício e ambiente de amostra que são então medidos com a câmera de alta velocidade. Os suportes de vidro com êxito negam estes estímulos externos. O objetivo de distância de trabalho curto é escolhido para recolher dados precisos do MPT que exige: (1) pelo menos 4 pixels por partícula e (2) uma distância de trabalho limitado para evitar a imagem de partículas que não estão no plano 2D.

O design deste dispositivo, Figura 1,a-c, é baseado em inquéritos anteriores que combinam microrheology com microfluídica. Schultz e Furst desenvolveram µ2reologia, usando a mesma técnica de fabricação microfluidic usada pelo nosso trabalho. Seu dispositivo foi projetado para criar 50-100 amostras de materiais de hidrogel, separadas por uma fase contínua, com gradientes em ambos o polímero backbone e cross-linker concentração16,29. Além disso, técnicas usando convergentes microfluidic córregos foram mostradas para ser útil para a captura de partículas única ou macromoléculas25,26. Nós combinaram-se a técnica de fabricação por Schultz e Furst e sua ideia de tirar as medidas de microrheological em um dispositivo microfluidic em nosso dispositivo novo e temos projetos de armadilhagem microfluidic escalado-acima. Em nosso projeto, criamos canais quadrados que são arredondados quando uma camada de vidro é feita no interior dos canais usando sol-gel química301 mm. As dimensões do canal são escolhidas para evitar interações entre as partículas de sonda e as paredes do dispositivo microfluidic31. Para nossa sonda tamanho (0,5 µm) e canal (1 mm) de altura a força hidrodinâmica do vidro na sonda é da ordem de F ≈ 10-18 N, indicando que esta força da parede de vidro não terá um efeito perceptível sobre o movimento das partículas de sonda 31. Além disso, partículas de sonda teria de ser dentro de 10 µm da parede para impactar o movimento das partículas devido às interações das partículas com a parede. Todos os dados são coletados mais de 10 µm da parede. Vidro é fabricado nos canais microfluídicos para impedir a absorção de solvente por PDMS durante nossa escala de tempo experimental, que é da ordem de horas. Usando uma técnica de fabricação que permite 10 µ l amostra tamanhos (correspondente a uma altura de canal de 1 mm) e convergindo microfluidic córregos, nós pode escalar até o método de captura de moléculas simples de 10 µ l.

O projeto 2-camada é incorporado para evitar instabilidades de fluxo que ocorrem em um dispositivo de camada única. Durante iterações anteriores deste trabalho, todo o dispositivo foi uma camada. Dois fluxos de entrada (cada um com o mesmo fluido, ou água ou agente de gelificação) começou a partir de dois cantos do dispositivo e fluiu apenas através dos canais de tempo executando o comprimento do dispositivo, tangencial à câmara de amostra. No entanto, qualquer instabilidade do fluxo entre os canais resultou em fluxo através da câmara de amostra e uma perda de amostra, terminando o experimento. A segunda camada, juntamente com a adição da grande câmara de sucção, remove essas instabilidades apenas usando uma fonte de aspiração e criando uma pressão igual em torno da amostra, aprisionando a amostra durante as experiências. A segunda camada tem um design muito simples e destina-se para manter o fluido circundante novo acima da câmara de amostra.

dados de reologia de2µ são coletados com êxito usando o protocolo acima. A primeira fase da instalação, o dispositivo, de enchimento é fundamental para uma experiência bem sucedida. Preenchimento inadequado pode resultar em bolhas nos canais ou em câmara de amostra, o que afetará negativamente tanto a microrheology e a função do dispositivo microfluidic (Figura 2). A maneira mais fácil de evitar bolhas no dispositivo microfluidic está preenchendo completamente a prévia de seringa (certificando-se que não há nenhuma bolha) para o dispositivo de enchimento. Alternativamente, bolhas podem ser removidas introduzindo uma grande vazão de solvente (pressionando o êmbolo da seringa mais difícil) ou tocando o dispositivo suavemente até que as bolhas se mover para um canal de saída. Bolhas dentro da câmara de amostra podem causar o movimento direcionado de sondas na interface ar-líquido. Medições do MPT requerem sondas para submeter-se puramente movimento browniano para medir propriedades do material. Bolhas nos canais microfluídicos também afetam o fluxo durante a troca de fluidos, o que pode causar mudanças na pressão e mover a amostra de gel de fora da câmara. Esses dois problemas podem ser evitados, garantindo que o dispositivo e a câmara de solvente são completamente cheios de líquido antes da injeção da amostra. A etapa de entrada de amostra irá transmitir um cisalhamento sobre a amostra, porém não afeta negativamente as propriedades reológicas e estrutura do material. Isto foi verificado por medições reológicas do volume de amostras carregadas sem tesoura e amostras carregadas o rheometer usando as mesmas técnicas de entrada como o dispositivo microfluidic. Após o dispositivo é preenchido corretamente, o contorno do procedimento acima garante a função adequada durante as experiências.

Não há perda mínima de material durante a troca de fluidos. Isso é evidente durante experimentos por: (1) a capacidade do material coloidal de ter bastante fibras para continuar a formar uma rede de gel e (2) a concentração de partículas de sonda permanecendo alto o suficiente para coletar medições estatisticamente significativas do MPT. Além disso, uma única amostra é capaz de até nove transições de fase, ainda mais, indicando perda mínima durante a troca de fluidos. O número total de transições observáveis depende da quantidade de sondas perdida devido à difusão da amostra quando é na fase de sol. Sondas são difusiva, quando o material é um sol, e uma pequena quantidade deles será difusa da amostra após cada transição sol-gel. A quantidade de sondas irá limitar a quantidade de transições possíveis para o dispositivo.

Nós demonstramos que este dispositivo pode ser usado para medir propriedades do material e determinar a microestrutura da matéria mole durante as transições de fase repetidas. A simetria das portas de entrada entrar na câmara de amostra armadilhas de uma amostra no lugar, permitindo que as transições de fase repetidas em uma única amostra sem perda da amostra. O projeto de dispositivo pode ser facilmente adaptado a diferentes sistemas, incluindo poliméricos hidrogel que alteram a estrutura devido a mudanças no pH ou biológicos e materiais de surfactante que são sensíveis a mudanças na concentração de sal, permitindo obter resultados reprodutíveis para Determine as propriedades reológicas e estrutura de um sistema de gel de mudanças de fase consecutivos.

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Disclosures

Não há nenhum divulgações para este trabalho.

Acknowledgments

Financiamento para este trabalho foi fornecido pela Procter & Gamble Co. e American Chemical sociedade pesquisa fundo petrolífero (54462-DNI7). Confirmação é feita para os doadores de American química sociedade petróleo fundo de investigação do suporte parcial desta pesquisa. Os autores que gostaria de agradecer o Dr. Marco Caggioni por discussões úteis.

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

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References

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