Summary
Ici, un protocole pour fabriquer des dispositifs microfluidiques à base de verre utilisés pour générer des émulsions hautement monodispersées avec une taille de goutte contrôlée est présenté.
Abstract
Dans ce manuscrit, trois protocoles différents étape par étape pour générer des gouttes d’émulsion hautement monodispersées à l’aide de microfluidiques à base de verre sont décrits. Le premier appareil est conçu pour la génération de gouttes simples entraînées par la gravité. Le deuxième dispositif est conçu pour générer des gouttes d’émulsion dans un schéma de coflowing. Le troisième dispositif est une extension du dispositif de coflowing avec l’ajout d’un troisième liquide qui agit comme une terre électrique, permettant la formation de gouttes électrifiées qui se déchargent ensuite. Dans cette configuration, deux des trois liquides ont une conductivité électrique appréciable. Le troisième liquide sert de médiateur entre ces deux et est un diélectrique. Une différence de tension appliquée entre les deux liquides conducteurs crée un champ électrique qui se couple aux contraintes hydrodynamiques des liquides coflowing, affectant le processus de formation de jet et de goutte. L’ajout du champ électrique permet de générer des gouttes plus petites que dans de simples dispositifs de coflow et de générer des particules et des fibres avec une large gamme de tailles.
Introduction
La génération contrôlée de gouttes au micron et à l’échelle nanométrique avec une distribution de taille étroite est une tâche difficile. Ces gouttes sont d’intérêt pour l’ingénierie des matériaux mous avec de nombreuses applications en science et technologie 1,2,3,4,5,6.
Les dispositifs les plus courants pour le taux de production élevé de gouttes sont les mélangeurs7 et les émulsifiants à ultrasons8. Ces méthodes sont simples et peu coûteuses, mais elles donnent généralement des gouttes polydispersées avec une large gamme de tailles. Par conséquent, des étapes supplémentaires sont nécessaires pour produire des échantillons monodispersés. Les dispositifs microfluidiques peuvent être conçus différemment pour fournir un moyen efficace de former des gouttes. De plus, les débits généralement faibles impliqués (c’est-à-dire un faible nombre de Reynolds) permettent un excellent contrôle sur le débit du fluide.
Alors que les dispositifs microfluidiques sont généralement fabriqués à l’aide de techniques lithographiques avec du poly(diméthyl) siloxane (PDMS), ce manuscrit se concentre sur les dispositifs capillaires à base de verre. Les périphériques PDMS sont généralement choisis pour leur capacité à concevoir des modèles de canaux complexes et en raison de leur évolutivité. Les dispositifs en verre, au contraire, sont rigides et ont une plus grande résistance aux solvants que leurs homologues PDMS. De plus, le verre peut être modifié pour changer sa mouillabilité, ce qui permet de contrôler la génération d’émulsions complexes. Pouvoir traiter indépendamment les parois de la buse et du canal permet la formation de gouttes de manière contrôlée et reproductible, tout en assurant la stabilité des émulsions résultantes si les gouttes devaient toucher les parois9; sinon, les gouttes peuvent fusionner et s’accumuler au niveau du mur. Une autre différence entre ces deux types d’appareils est que dans les appareils à base de verre, le flux est tridimensionnel, alors qu’il est planaire dans les appareils PDMS conventionnels. Ce fait minimise le contact de goutte avec les parois du canal de sorte que l’influence des lignes de contact peut être négligée10, protégeant ainsi la stabilité de plusieurs gouttes d’émulsion.
Figure 1 : Différentes configurations de dispositifs microfluidiques. Esquisses de (A) une jonction en T, (B) un dispositif de coflowing et (C) un dispositif de focalisation de l’écoulement. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Il y a trois géométries principales utilisées, à savoir la jonction en T11, la focalisation de l’écoulement 12,13 et la codiffusion14. Dans la géométrie de jonction en T, la phase dispersée contenue dans le canal coupe perpendiculairement le canal principal qui abrite la phase continue. La contrainte de cisaillement exercée par la phase continue brise le liquide dispersé entrant, ce qui entraîne des chutes. Les gouttes générées sont limitées en taille inférieure par les dimensions du canal principal11. Dans la géométrie de focalisation de l’écoulement, les deux fluides sont forcés à travers un petit orifice situé devant le tube d’injection. Le résultat est la formation d’un jet, qui est beaucoup plus petit que le tube d’injection12,13. Enfin, la géométrie du coflow a une configuration caractérisée par l’écoulement coaxial de deux fluides non miscibles14. En général, des gouttes et des jets peuvent être observés en fonction des conditions de fonctionnement. Le régime d’égouttement se produit à de faibles débits et les gouttelettes résultantes sont très monodispersées et ont un diamètre proportionnel à la taille de la pointe. L’inconvénient est sa faible fréquence de production. Le régime de jet se produit à des débits plus élevés par rapport au régime d’égouttement. Dans ce cas, le diamètre de la goutte est directement proportionnel au diamètre du jet qui peut être beaucoup plus petit que le diamètre de la pointe dans les bonnes conditions.
Une alternative à ces approches hydrodynamiques repose sur l’utilisation supplémentaire de forces électriques. L’électropulvérisation est une technique bien connue et largement utilisée pour générer des gouttelettes. Il est basé sur le principe qu’un liquide avec une conductivité électrique finie se déformera en présence d’un fort champ électrique. Le liquide finira par adopter une forme conique résultant de l’équilibre entre les contraintes de tension électrique et superficielle15. Le processus commence par le champ électrique induisant un courant électrique dans le liquide qui provoque l’accumulation de charges à la surface. La présence du champ électrique entraîne une force électrique sur ces charges, ce qui entraîne le liquide, allongeant le ménisque dans la direction du champ. Dans différentes conditions, le ménisque peut soit perdre les gouttes chargées, soit émettre un ou plusieurs jets qui se brisent ensuite en gouttes15. Bien que ces méthodes microfluidiques à assistance électrique permettent naturellement la génération de petites gouttes, elles souffrent d’un manque de fonctionnement à l’état d’équilibre qui compromet la monodispersité de l’émulsion. Les gouttes chargées qui en résultent ont tendance à se décharger sur les parois de confinement et/ou n’importe où dans l’appareil où le potentiel électrique est inférieur à la tension externe imposée. Ainsi, le ménisque électrifié devient instable, émettant finalement des gouttes de manière chaotique et provoquant leur production incontrôlée et leur perte de monodispersité.
En électro-coflow, les contraintes électriques et hydrodynamiques sont couplées dans un dispositif microfluidique coflow16 similaire à celui utilisé pour générer des émulsions doubles12. Deux caractéristiques principales permettent à l’électrocouleur d’atteindre un régime d’émission à l’état d’équilibre: (i) la phase dispersée est éjectée dans un autre liquide visqueux coflowant, et (ii) l’utilisation d’une contre-électrode liquide ou d’un sol. Il a été prouvé que le fait d’avoir un liquide externe qui s’écoule modifie les propriétés géométriques du processus d’émission de gouttes17. La contre-électrode liquide permet la décharge et l’extraction des gouttes résultantes, assurant la génération de gouttes à l’état d’équilibre. En outre, en exploitant l’équilibre des forces électriques et hydrodynamiques, les tailles de goutte résultantes peuvent potentiellement varier dans une gamme plus large que les tailles qui peuvent être couvertes par l’une des techniques mentionnées précédemment.
Ce protocole vidéo détaillé est destiné à aider les nouveaux praticiens dans l’utilisation et la fabrication de la microfluidique à base de verre.
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Protocol
1. Faire des gouttes simples
- Pour faire des gouttes simples, utilisez une base en verre faite avec une lame de microscope (76,2 mm x 25,4 mm) pour construire l’appareil. Cela permet un transport et une visualisation faciles des liquides à travers le verre.
- Utilisez un capillaire en verre rond pour la pointe. Pour ce protocole, utilisez des capillaires ronds de 1 mm de diamètre (facilement disponibles dans une large gamme de tailles).
- Pour faire une pointe avec le diamètre souhaité, tirez le capillaire à l’aide d’une machine de traction à micropipette jusqu’à ce que deux demi-capillaires avec une très petite pointe (~ 1 μm) soient obtenus.
- Utilisez une microforge pour couper la pointe au diamètre souhaité (2-80 μm). Pour les diamètres plus grands (> 80 μm), utilisez un carreau de céramique si la microforge ne coupe pas ces tailles.
REMARQUE: Selon le liquide souhaité, le verre devra être traité, afin que le liquide ne grimpe pas le long de l’extérieur de la pointe.
- Pour les liquides à base d’eau, rendez l’extérieur de la pointe hydrophobe. Pour les liquides à base d’huile, lorsque l’extérieur de la pointe est en contact avec l’eau, rendez l’extérieur de la pointe hydrophile. Voir l’étape 2.3 pour le traitement du verre.
- Utilisez une aiguille de seringue (20 G) pour faciliter l’introduction du liquide dans le capillaire. Creusez un trou - de la taille du diamètre extérieur du capillaire - à la base de l’aiguille à l’aide d’une lame de rasoir ou d’un scalpel.
- Rincez l’aiguille avec de l’eau pour éliminer la poussière et les fibres de la coupe. Séchez-les à l’air.
- Pour assembler, collez le capillaire rond sur la lame du microscope à l’aide d’époxy à séchage rapide. Placez la pointe du capillaire de 1 à 2 cm à l’extérieur de l’extrémité de la lame du microscope. Utilisez juste une noisette d’époxy au centre du capillaire. De cette façon, il n’interférera pas avec le champ de vision ou avec l’aiguille de la seringue.
- Collez l’aiguille de la seringue de manière à ce que l’extrémité du capillaire se trouve au centre de l’aiguille. Tout d’abord, mettez une petite quantité d’époxy presque durci autour du bord au bas de l’aiguille. Placez l’aiguille de telle sorte que l’extrémité du capillaire soit au centre de sa base.
- Après quelques minutes, mettez une deuxième couche d’époxy frais, couvrant la base de l’aiguille, en évitant le trou. Enfin, couvrez le trou avec de l’époxy presque durci pour empêcher l’époxy de couler à l’intérieur des aiguilles. Suivez les directives du fabricant d’époxy pour les temps de durcissement et de durcissement.
- Fixez un morceau de tube (I.D. x O.D. 0,86 mm x 1,32 mm) à l’aiguille. Nettoyez le tube avant de le fixer. Rincez manuellement l’eau désionisée à l’aide d’une seringue pour éliminer les résidus produits lors de la coupe du tube.
REMARQUE: Le matériau du tube doit être compatible avec le liquide utilisé dans les expériences. Le tube doit être assez long pour pouvoir connecter l’appareil et le système de pompage. - Pour tester l’appareil, pompez de l’eau désionisée à travers l’aiguille et observez s’il y a des fuites. Utilisez une seringue et son aiguille correspondante pour pomper manuellement l’eau. En cas de fuite, séchez soigneusement l’appareil. Appliquez de l’époxy et attendez au moins 1 h avant de tester à nouveau.
- Pour générer des gouttes, à l’aide d’une pince, placez l’appareil en position verticale afin que la pointe soit orientée vers le bas comme dans un robinet de cuisine. Utilisez une pompe à seringue ou une configuration à pression pour pomper le liquide dans l’appareil.
- Recueillez les gouttes en plaçant la pointe à l’intérieur d’un bécher ou d’un flacon avec un liquide contenant la quantité appropriée de tensioactif. Par exemple, pour l’huile de silicone 10cSt comme liquide interne, utilisez une phase continue de 16 mM de dodécylsulfate de sodium (SDS) dans l’eau.
- Pour les gouttes d’huile dans l’eau, afin d’augmenter la stabilité des gouttes, ajoutez une couche d’huile visqueuse sur le dessus du bain de collecte avant de faire l’émulsion. Pour les gouttes d’eau dans l’huile, utilisez un tensioactif non ionique dans l’huile pour stabiliser les gouttes.
Figure 2 : Aiguille sculptée. Aiguille avec un trou creusé dans sa base pour s’adapter à un capillaire rond. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Dispositif permettant de générer des gouttes simples. Schéma d’un dispositif de génération de gouttes simples. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Collecte de gouttes simples. (A) Esquisse de la façon de recueillir des gouttes dans un bécher. (B) Vue de dessus d’un bécher où des gouttes d’huile de silicone 10cSt ont été collectées dans une FDS de 16 mM dans une solution d’eau, produite avec une pointe de 580 μm. La taille de la goutte est (3,29 ± 0,08) mm. (C) Vue de dessus d’un bécher où des gouttes d’huile de silicone 10cSt ont été collectées dans 16 mM SDS dans une solution d’eau, produite avec une pointe de 86 μm. La taille de la goutte est (1,75 ± 0,04) mm Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
2. Faire des gouttes d’émulsion en utilisant un schéma de coflowing
REMARQUE: Le périphérique est construit de manière similaire au périphérique décrit à l’étape 1.
- Construisez l’appareil sur une base en verre fabriquée avec une lame de microscope (76,2 mm x 25,4 mm). Cela permet un transport et une visualisation faciles des liquides à travers le verre.
- Utilisez un capillaire de section carrée (capillaire carré) pour le liquide externe (phase continue de l’émulsion) d’une longueur d’environ 5 cm. Pour ce protocole, utilisez des capillaires ronds de 1 mm de diamètre (facilement disponibles dans une large gamme de tailles).
- Pour le traitement du verre, en fonction du liquide interne choisi (phase dispersée), rendre la face interne du capillaire carré hydrophobe ou hydrophile. Le traitement aidera à éviter d’avoir des gouttes coincées dans le verre et d’interférer avec la formation de nouvelles gouttes.
- Pour rendre le verre hydrophobe, nettoyez les capillaires en les mettant dans un flacon avec de l’acétone dans le bain à ultrasons pendant 10-15 min. Rincez-les avec de l’acétone ou de l’éthanol (jamais à l’eau). Séchez-les.
- Préparer un flacon propre et sec (sec en os) contenant une solution de toluène (ou d’hexane) de 10 mL + 20 μL de solution de triméthoxy(octyl)silane. Conserver les capillaires dans la solution pendant 2 h. Rincez les capillaires avec le même solvant que celui utilisé pour la solution.
- Rincer à nouveau avec de l’acétone. Sécher à l’air. Faites-les cuire au four pendant 30 min à environ 70 °C.
REMARQUE: Ce processus est difficile à mettre en œuvre pour les conseils de l’appareil sans les casser. - Pour traiter les embouts de l’appareil, trempez-les dans la solution de toluène et de solution de triméthoxy(octyl)silane pendant quelques secondes. Retirez tout excès de solution. Laisser sécher à l’air.
- Pour rendre le verre hydrophile, répétez les mêmes étapes (2.3.1-2.3.4) que dans le cas hydrophobe mais avec une solution de 10 mL d’acétone + 20 μL de 2-[méthoxy(polyéthylène)6-9propyl]triméthoxysilane.
- Utilisez un capillaire en verre rond pour la pointe. Faites correspondre le diamètre extérieur du capillaire à la taille interne du capillaire carré. Cela garantit que les deux capillaires sont alignés coaxialement. Assurez-vous que la longueur du capillaire rond est de plusieurs centimètres plus longue que le capillaire carré.
- Selon le liquide dispersé, traitez le verre de manière à ce que le liquide ne grimpe pas le long de l’extérieur de la pointe.
- Assemblez en collant le capillaire carré sur la lame du microscope à l’aide d’époxy à séchage rapide. Placez la pointe du capillaire de 1 à 2 cm à l’extérieur de l’extrémité de la lame du microscope (voir la figure 6A).
- Utilisez un tampon d’époxy au centre du capillaire, afin qu’il n’interfère pas dans le champ de vision ou avec l’aiguille de la seringue. Attendez qu’il guérisse complètement. Notez que même pour l’époxy à séchage rapide, le fabricant recommande 24 h pour que le matériau durcisse complètement.
- Introduisez le capillaire rond dans le capillaire carré de sorte que l’extrémité reste à quelques centimètres de l’extrémité du capillaire carré.
- Placez l’autre extrémité (à l’extérieur de la lame du microscope) à l’intérieur du capillaire carré à une distance qui coïncide approximativement avec l’extrémité du capillaire carré (voir la figure 6B).
- Collez le capillaire à l’aide d’une noisette d’époxy à mi-distance entre l’extrémité du capillaire et le début du carré. Attendez qu’il guérisse complètement.
- Apportez les modifications suivantes aux deux aiguilles nécessaires pour introduire le liquide.
- Pour loger le capillaire à la base de l’aiguille, creusez un trou à la base du capuchon rond de la taille du diamètre extérieur du capillaire (voir figure 2). Pour ajuster l’autre aiguille à l’extrémité du capillaire carré, sculptez des trous ronds et carrés à la base de l’aiguille pour accueillir l’articulation.
- Assurez-vous que les deux trous sont alignés afin que les capillaires ronds et carrés puissent être installés à l’intérieur de l’aiguille. Rincez les aiguilles avec de l’eau pour éliminer la poussière et les fibres de la coupe. Séchez-les à l’air. Collez les aiguilles et suivez le protocole déjà décrit au point 1.5.2 (voir la figure 6C).
- Connectez le tube (vérifier le diamètre et le matériau compatible) à chacune des aiguilles. Rincez le tube après l’avoir coupé afin d’enlever tous les débris et les fibres. Manuellement, utilisez une seringue et une aiguille pour pomper l’eau. Testez l’appareil pour détecter les fuites comme décrit ci-dessous.
- Fermez l’une des aiguilles en pliant un morceau de tube et en utilisant un clip de liant pour le fermer efficacement de l’écoulement du fluide. Pompez l’eau désionisée à travers l’autre aiguille. Si aucune fuite n’est observée, pompez à travers l’autre aiguille.
- Si une fuite est détectée, séchez soigneusement l’appareil, appliquez de l’époxy et attendez au moins 1 h avant de tester à nouveau.
- Pour générer des gouttes, comme décrit à l’étape 1.8, utilisez l’une des deux façons d’entraîner les liquides: fixer leur débit à l’aide de pompes à seringues ou fixer leur pression à l’aide de bidons sous pression.
Figure 5: Effets du traitement hydrophobe. (A) et (C) Capillaire sans liquide à l’intérieur. La ligne rouge indique la fin du capillaire. (B) Capillaire non traité. Le liquide mouille le capillaire car il a grimpé au-dessus de la ligne rouge. (D) Capillaire traité avec de l’eau. L’eau ne mouille pas le capillaire dans ce cas. Le liquide reste en dessous de la ligne rouge. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : Dispositif de coflowing. (A) Positionner le capillaire carré sur la lame du microscope. (B) Positionnez le capillaire rond à l’intérieur du capillaire carré. (C) Le dispositif complet avec les aiguilles de la seringue. (D) Photographie de l’appareil complet. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
3. Fabrication d’un dispositif d’électro-coflow
- Pour construire le dispositif microfluidique, utilisez une base en verre faite de lames de microscope (76,2 mm x 25,4 mm). En raison de leur longueur, trop longue pour tenir sur une seule lame de microscope standard, utilisez 1 1/2 ou deux lames de microscope.
- Coupez deux petits morceaux d’une diapositive (environ 1 cm) pour garder les lames ensemble comme le montre la figure 7A. Utilisez de l’époxy pour coller le verre. Attendez qu’il guérisse.
- Aligner deux capillaires coaxialement. Pour éviter le coût supplémentaire de l’alignement de deux capillaires ronds de diamètres différents, utilisez un capillaire carré avec un côté intérieur qui correspond au diamètre extérieur du capillaire rond. Pour les expériences d’électro-coflow, utilisez un capillaire latéral de 2 mm.
REMARQUE: Le capillaire latéral de 2 mm permet aux expériences d’électro-coflow de mieux fonctionner car la distance pointe-sol est plus petite (ou similaire) que la distance entre la pointe et la paroi du capillaire carré. Lors de l’utilisation du capillaire latéral de 1 mm, la paroi capillaire est plus proche que le sol et le liquide a souvent tendance à s’y déverser, ce qui conduit à des résultats non reproductibles.- Utilisez un scribe en diamant ou un autre outil disponible pour couper le capillaire carré d’une longueur d’environ 4 cm. Rincez-le à l’eau pour éliminer les particules de verre. Laisser sécher à l’air. Rendez-le hydrophobe si la phase dispersée est un liquide à base d’eau, sinon, hydrophile.
- Tirez un capillaire rond avec une machine de traction de pipette jusqu’à ce que vous obteniez deux demi-capillaires avec une petite pointe.
- Utilisez une microforge pour couper l’extrémité de l’un des demi-capillaires au diamètre souhaité (20-80 μm). Pour les diamètres plus grands, vous pouvez utiliser un carreau de céramique. Pour l’eau dans les émulsions d’huile, rendez l’extérieur de la pointe hydrophobe.
- Utilisez l’autre moitié capillaire comme capillaire collecteur. Pour ce faire, coupez la pointe tirée afin que les extrémités plates d’origine soient récupérées.
- Coupez les deux capillaires ronds pour qu’ils mesurent environ 4 à 5 cm de long (gardez-les plus courts que la glissière). Nettoyez-les pour éliminer tout résidu généré pendant le processus de coupe. Rincez-les avec de l’eau désionisée à l’aide d’une seringue. Séchez-les à l’air.
- Collez le capillaire carré sur les lames (voir figure 7B). Ne le centrez pas par rapport aux diapositives; le joint des diapositives ne doit pas se trouver dans la zone de visualisation. Mettez un tampon (pour éviter la propagation) d’époxy presque durci sur les extrémités.
- Placez la pointe et les capillaires collecteurs à l’intérieur du capillaire carré. Placez les deux extrémités - pointe et une extrémité du collecteur - sur la même glissière, afin d’éviter le joint entre les lames (voir Figure 7C). La distance entre la pointe et le collecteur est d’environ 2 mm. Utilisez un microscope pour mesurer cette distance.
REMARQUE: Cette distance dépendra de la technique que vous utilisez pour pomper les liquides. L’objectif final est d’avoir une distance d’environ 1 mm entre la pointe et la contre-électrode liquide. - Une fois que les capillaires sont à la bonne distance, collez-les sur la glissière à l’aide d’une noisette d’époxy. Veillez à ne pas couvrir la région d’intérêt avec de l’époxy, car cela rendrait la visualisation au microscope difficile.
- Pour fabriquer des connexions aux extrémités ouvertes des capillaires, positionnez des aiguilles couvrant ces extrémités. Quatre aiguilles par appareil sont nécessaires.
- Utilisez une lame de rasoir ou un scalpel pour couper la base des aiguilles afin qu’elles s’adaptent sur les capillaires. Faites un trou rond à la base de l’aiguille pour ajuster une aiguille à l’extrémité des capillaires ronds.
- Pour l’ajuster à l’extrémité du capillaire carré, faites des trous ronds et carrés à la base de l’aiguille pour accueillir cette articulation. Assurez-vous que les deux trous sont alignés de manière à ce que des capillaires ronds et carrés puissent être installés à l’intérieur de l’aiguille.
- Rincez les aiguilles avec de l’eau pour éliminer la poussière et les fibres de la coupe. Séchez-les à l’air.
- Collez les aiguilles. Suivez les étapes décrites dans la version 1.5.2. Laissez l’époxy durcir pendant la nuit avant de tester l’appareil pour détecter les fuites.
- Pour tester l’appareil pour détecter les fuites, suivez les étapes décrites ci-dessous.
- Fermez deux des aiguilles à l’aide d’un tube plié maintenu par un clip de liant. Pompez l’eau désionisée à travers l’une des aiguilles et utilisez la dernière comme sortie. Utilisez une seringue et son aiguille correspondante pour pomper manuellement de l’eau dans l’appareil.
- Si aucune fuite n’est observée, pompez à travers l’aiguille suivante. Répétez le processus jusqu’à ce que l’eau soit à travers les quatre aiguilles. En cas de fuite, séchez soigneusement l’appareil, appliquez de l’époxy et attendez au moins 1 h avant de tester à nouveau.
- Remplissez l’appareil comme décrit ci-dessous et retirez les bulles d’air car elles peuvent introduire des oscillations indésirables dans le système. Pour éliminer les bulles, utilisez deux seringues à moitié remplies d’eau désionisée. Poussez et tirez les seringues pour guider l’air emprisonné à l’intérieur des aiguilles et des capillaires hors de l’appareil.
- Préparez les seringues avec les liquides à utiliser dans l’expérience. Retirez toutes les bulles des seringues comme décrit ci-dessus. Connectez un morceau de tuyau à l’aiguille de la seringue et remplissez-le avec le liquide en retirant tout l’air.
- Pour connecter le tube à l’appareil, retirez le tube utilisé pour le test de l’une des aiguilles de l’appareil et pompez l’eau à l’aide de l’une des seringues d’eau connectées, de sorte que l’aiguille coule de l’eau.
- Dans le même temps, faites couler le tube avec le liquide souhaité. Parce que les deux extrémités dégoulinent, lorsqu’elles sont connectées, aucun air n’est introduit. Répétez ce processus avec les deux autres seringues, de sorte que la seule aiguille libre dans l’appareil est la sortie.
- Connectez la seringue liquide interne (phase dispersée) à l’aiguille 1, le liquide externe (phase continue) à l’aiguille 2 et le liquide collecteur (contre-électrode) à l’aiguille 4. L’aiguille 3 est la sortie (voir la figure 8).
- Connectez l’alimentation aux aiguilles alimentant les liquides internes et collecteurs (aiguilles 1 et 4 de la figure 8) pour définir une différence de potentiel entre la pointe et le liquide collecteur.
REMARQUE: Parce que l’aiguille est métallique et en contact avec ces liquides conducteurs, ils agissent comme des fils liquides définissant la différence de potentiel entre la pointe et le ménisque collecteur. Pour les dimensions de l’appareil mentionnées, la différence de potentiel variera entre 0 et 2,5 kV. - Pompez les liquides en utilisant l’une des deux façons possibles, en fonction de l’équipement de laboratoire: utilisez des pompes à seringues haute pression qui fixeront le débit des liquides ou utilisez des bidons de pression qui fixeront la pression des liquides.
- Une fois l’une de ces méthodes choisie, fixez les débits extérieur et intérieur aux valeurs souhaitées et ajustez le débit (ou la pression) du collecteur de liquide pour maintenir la distance, L, constante (voir figure 9).
Figure 7: Comment positionner les capillaires sur un dispositif d’électro-coflow étape par étape. (A) Construire la base en verre pour l’appareil reliant deux lames de microscope. Les parties colorées sont les morceaux de verre coupés qui, après avoir été collés, maintiennent ensemble les deux lames de microscope. (B) La position optimale du capillaire carré sur deux lames de microscope assemblées. (C) Positionnement des capillaires ronds pour les expériences d’électrocoulage. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 8 : Dispositif d’électrocoulage. (A) Photographie d’un dispositif d’électrocoulage. (B) Croquis d’un dispositif d’électrocoulage. Les chiffres indiquent l’entrée pour (1) le liquide intérieur, (2) le liquide extérieur, (3) la sortie de l’appareil et (4) le collecteur de liquide/ la masse. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 9 : Image de la pointe et de la contre-électrode liquide lors d’une expérience d’électrocodage. La distance du collecteur de pointe, L, est marquée. La barre d’échelle correspond à 100 μm. Le grossissement du microscope est de 4x. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
4. Procédures de nettoyage
- Gardez les capillaires et les lames de microscope dans de l’acétone pour éliminer toute la poussière et l’huile. Toute particule d’huile ou poussière pourrait obstruer les pointes de la taille d’un micron. Vérifiez les embouts pour les bouchons après chaque étape de la fabrication avec un microscope à grossissement de 4x à 20x pour les tailles de pointe comprises entre 10 et 100 μm.
- Pomper l’eau désionisée à travers le tube avant utilisation. Utilisez une seringue et une aiguille et pompez manuellement l’eau pour empêcher toute particule indésirable de se déplacer de l’intérieur du tube dans l’appareil et d’obstruer la pointe.
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Representative Results
Dans ce manuscrit, trois dispositifs différents ont été conçus pour générer des gouttes. Nous avons généré des gouttes d’une taille de (3,29 ± 0,08) mm (Figure 4B) et (1,75 ± 0,04) mm (Figure 4C) à l’aide du dispositif décrit à l’étape 1. Les gouttes d’émulsion peuvent être générées à l’aide du coflow et des dispositifs d’électro-coflow. Pour ce dernier, nous montrons le goutte-à-goutte à la figure 9, tandis que les modes de jet de cône et de fouet sont illustrés à la figure 10 et à la figure 11, respectivement. Dans la figure 9, nous montrons les résultats en utilisant le même liquide que les liquides internes et collecteurs. Si le but des expériences est de collecter ces gouttes, un liquide conducteur différent doit être utilisé comme collecteur (voir 18 pour plus de détails), sinon les gouttes fusionneront avec le collecteur au fur et à mesure qu’elles se toucheront.
Les modes cone-jet et fouettage sont les plus étudiés pour leurs multiples applications pratiques; ce sont deux des nombreux autres modes qui apparaissent dans l’électro-coflow 19,20,21,22. Pour une revue plus systématique de l’effet des paramètres expérimentaux (débits et tension appliquée), voir la section Discussion et 22. Ces modes sont stables dans le temps lorsqu’ils sont générés dans les appareils décrits dans le manuscrit. La stabilité de ces modes permet leur caractérisation à l’aide d’une imagerie à grande vitesse avec un microscope et d’un traitement d’image associé.
Figure 10 : mode Cone-jet. Liquide intérieur et collecteur: éthylène glycol; liquide extérieur: 0,65 cSt huile de silicone; le débit interne est de 16 μL/h; le débit extérieur est de 30 mL/h; la tension appliquée est de 750 V. La barre d’échelle correspond à 100 μm. Le grossissement du microscope est de 20x. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 11 : Mode de fouet. Liquide intérieur et collecteur: éthylène glycol; liquide extérieur: 10 cSt huile de silicone; le débit interne est de 240 μL/h; le débit extérieur est de 20 mL/h; la tension appliquée est de 1200 V. La barre d’échelle correspond à 100 μm. Le grossissement du microscope est de 20x. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
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Discussion
Le protocole de fabrication de trois dispositifs différents à base de verre a été décrit ci-dessus. Dans le cas de l’appareil pour générer des gouttes simples, le débit et les propriétés du liquide sont cruciaux pour générer des gouttes de manière contrôlée. Des gouttes se formeront à la pointe dans le régime de goutte à goutte, ou à la fin du jet dans le régime de jet. Le passage du goutte-à-goutte au jet est paramétré par le nombre de Weber sans dimension, We23. Ce nombre représente le rapport entre les forces d’inertie et de tension superficielle, 
), où ρ est la densité du liquide, γ est la tension interfaciale, Q est le débit et dpointe est le diamètre de la pointe. Lorsque nous < 1, des gouttes se produisent. Pour We > 1, les forces d’inertie surmontent les forces de tension superficielle qui maintiennent la goutte à la pointe, et un jet se forme. Finalement, le jet se brisera en largages en raison des instabilités de Rayleigh-Plateau. Ainsi, pour un liquide fixe et une configuration expérimentale, le débit est le paramètre qui contrôle la transition de l’égouttement au jet. Le régime d’égouttement est caractérisé par des gouttes presque monodispersées, il est donc souhaitable pour la génération de gouttes, bien que la fréquence de production soit plus élevée lorsque des gouttes sont générées dans le régime de jet.
Pour le dispositif de coflow, un capillaire carré et un capillaire rond sont utilisés pour faire circuler les deux fluides de manière coaxiale de manière simple et abordable. Notez que la taille de la pointe est beaucoup plus petite que la taille du capillaire carré. Le comportement en coflow est plus riche que celui observé dans les expériences décrites à l’étape 1. Une discussion détaillée sur le goutte-à-goutte et le jet dans le coflow peut être trouvée dans23. Plus de détails sur le contrôle de la taille des gouttes peuvent être trouvés dans24.
L’ajout d’un troisième liquide au schéma de coflowing conduirait à ce que nous avons appelé l’électro-coflow. La connexion d’une alimentation électrique aux parties métalliques des aiguilles utilisées pour les liquides internes et collecteurs permet de créer un champ électrique dans la région entre eux. Parce que les aiguilles sont en contact avec des liquides conducteurs (liquides internes et collecteurs), ceux-ci agissent comme des fils liquides établissant la différence de potentiel entre la pointe et le ménisque collecteur. La modification des propriétés du fluide externe, comme sa viscosité ou son débit, augmente la richesse et les caractéristiques des modes par rapport à ce qui est observé dans l’électropulvérisation standard22. Par exemple, la figure 11 montre que le mode de fouettage a une structure ordonnée dans certaines conditions expérimentales17. Cela permet d’étudier ses propriétés géométriques, ce qui n’est généralement pas possible en électropulvérisation.
La technique de l’électro-coflow est capable de surmonter la plupart des problèmes qui rendent les autres techniques à assistance électrique instables. L’un des problèmes présentés dans les techniques à assistance électrique est que les gouttes chargées émises ont tendance à se décharger partout où le potentiel électrique est inférieur à celui appliqué à la pointe avant d’atteindre la contre-électrode. C’est la raison pour laquelle des capillaires de 2 mm sont suggérés pour notre installation. Le traitement hydrophobe du capillaire carré évite que les gouttes ne se coincent sur les murs, ce qui leur permet de voyager imperturbablement jusqu’à ce qu’elles atteignent le collecteur de liquide, où elles se déchargent. L’utilisation d’une contre-électrode liquide (voir la figure 9) au lieu des électrodes métalliques plus typiques élimine l’accumulation de charge et les distorsions importantes dans le champ électrique qui affecteraient finalement le processus de production de gouttes et affecteraient gravement la monodispersité de l’émulsion.
Un détail pratique important lié à la fabrication des appareils est le temps qu’il faut pour les construire. Dans tous les cas, le processus prend quelques heures (encore moins, si le traitement du verre est effectué au préalable), mais malheureusement, l’époxy a besoin d’environ 10 h pour durcir. Il est donc conseillé d’attendre le lendemain pour tester et utiliser les appareils.
L’une des étapes critiques pour la fabrication de ces trois appareils et la reproductibilité est le traitement du verre. Le verre doit être rendu hydrophobe ou hydrophile selon les liquides utilisés. Éviter le mouillage le long de l’extérieur de la pointe aide à atteindre la production de gouttes à l’état d’équilibre.
Une question importante pour les trois appareils concerne la façon de pomper les liquides: si une pompe à seringue (débit fixe) ou une configuration entraînée par pression (différence de pression fixe) doit être utilisée. Une pompe à seringue permettra le contrôle du débit des liquides. Un inconvénient pour les pompes à seringue est l’introduction de vibrations dans le système provenant de la taille des marches du moteur de la pompe. Pour le système de pression, l’inconvénient est le débit inconnu des liquides. L’étalonnage du système est une option, mesurant le volume du liquide collecté pendant un laps de temps donné pour différentes pressions. Certains inconvénients de cette méthode sont que les dimensions du tube doivent rester constantes chaque fois qu’elles sont modifiées, et la saturation des filtres dans les lignes (si utilisé) pourrait altérer l’étalonnage. Une alternative consiste à calculer le débit du liquide interne en mesurant le taux de production de gouttes; la mesure de la taille des gouttes émises pendant le mode goutte à goutte et sa fréquence d’émission fourniront le débit. Pour le débit du liquide externe, le volume de liquide collecté pendant le temps de l’expérience peut être mesuré. Un inconvénient de faire cela est que ces débits sont connus a posteriori, et non pendant l’exécution des expériences.
Il existe de nombreuses applications 38,39,40 des technologies présentées ici dans des domaines tels que les cosmétiques, l’industrie alimentaire et l’administration de médicaments, entre autres, comme l’utilisation des émulsions résultantes comme modèles de gels appliqués dans l’agriculture intensive. Une application croissante des technologies liées à la microfluidique est le développement de systèmes d’alimentation innovants pour les arthropodes bénéfiques qui contribueront au développement d’une agriculture régénératrice alternative. De nos jours, les systèmes mondiaux de production alimentaire sont confrontés au défi de satisfaire les demandes d’augmentation de la productivité tout en maintenant leur durabilité environnementale et économique25. La libération d’ennemis naturels, de prédateurs et de parasites de ravageurs élevés en masse sur les cultures s’est avérée être une alternative réalisable et souhaitée à l’utilisation de pesticides d’un point de vue environnemental et économique. Des réalisations majeures ont été obtenues dans les serres introduisantdes prédateurs polyphages 13,27,34. L’application d’aliments supplémentaires dans les cultures favorise l’établissement précoce et à long terme de ces prédateurs lorsque les proies naturelles sont rares 26,28,30, améliorant ainsi leur résilience à différents facteurs de stress. Il s’agit d’une stratégie de soutien précieuse à la lutte biologique qui optimisera et élargira les programmes de lutte biologique, tant dans les cultures protégées que dans les cultures en plein champ.
Les bioproducteurs de ces prédateurs sont rapidement passés d’une industrie artisanale à une industrie professionnelle32, et l’application récente de techniques analytiques avancées avec une approche holistique nous permettra de mieux comprendre les besoins nutritionnels des prédateurs36. Bien que pour certaines espèces, la navette entre différentes sources de nourriture puisse être bénéfique31, la plupart des régimes actuellement utilisés sont toujours basés sur une seule proie factice. Des régimes liquides artificiels complémentaires doivent être envisagés pour assurer une alimentation équilibrée. Les régimes liquides doivent être encapsulés pour leur présentation. Cette stratégie offre plusieurs avantages tels que la protection des ingrédients bioactifs contre les facteurs abiotiques de l’environnement (humidité, température, lumière, air, etc.), la prévention de l’oxydation et de la perte par évaporation, l’amélioration de la stabilité et l’augmentation de la biodisponibilité, entre autres29,33. Certains brevets basés sur des régimes artificiels encapsulés à des fins d’alimentation d’insectes entomophages bénéfiques ont été signalés (brevets américains n° 5 799 607 et 6 129 935), mais la mise à l’échelle commerciale de ces applications doit se développer parallèlement à la connaissance émergente des compositions nutritionnelles des aliments et des besoins des prédateurs, ainsi qu’aux technologies microfluidiques ajustées à ces conditions de libération dans les champs de culture.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Nous sommes reconnaissants à ACS PRF (subvention 60302-UR9), Agrobio S.L. (contrat #311325) et MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, UE (subvention No. PID2021-122369NB-I00).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2-[methoxy(polyethyleneoxy)6-9propyl] trimethoxysilane. | Gelest | SIM6492.7 | |
| Ceramic tile | Sutter | CTS | |
| Ethylene glycol | Fisher | BP230 | These can be found at other companies like Sigma-Aldrich |
| Hexane | Sigma- Aldrich | 34859 | Available in other vendors |
| ITW Polymers Adhesives Devcon 5 Minute Epoxy Adhesive 25 mL Dev-Tube | Ellsworth adhesives | 470740 | |
| Microforge | Narishige | MF 830 | |
| Micropipette puller | Sutter | P97 | |
| Microscope slides | Fisher | 12-544-1 | Available in other vendors |
| Needle 20 Gauge, .0255" ID, .0355" OD, 1/2" Long | McMaster | 75165A677 | |
| SDS | Sigma-aldrich | 428015 | Surfactant |
| Silicone oil | Clearco | PSF-10cSt | The catalog number correspond to the 10cSt viscosity oil. Different viscosity oils can be found at this company |
| Span 80 | Fisher | S0060500G | non-ionic surfactant |
| Square glass capillary 2mm ID (borosillicate 300 or 600 mm long) | VitroCom | S 102 | |
| Standard Glass Capillaries, 6 in., 2 / 1.12 OD/ID | World Precision instruments | 1B200-6 | These can be found at other companies like Sutter or Vitrocom |
| Syringe pump | Chemyx | FUSION 100-X | This model has a good quality/price ratio |
| Syringes (it will depend on the compatibility with the liquids) | Fisher | Catalog number will depend on the size | |
| Trimethoxy(octyl)silane | Sigma- Aldrich | 376221 | Available in other vendors |
| Tubing ( it will depend on the compatibility with the liquids) | Scientific commodities | BB3165-PE/5 | This reference is for polyethylene micro tubing. The size fits the needle size listed here |
References
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