Summary
所提出的技术将提供一种新颖、高效、节俭和非侵入性的方法，用于对通过填充粉末床的流体流动进行成像，从而产生高空间和时间分辨率。
Abstract
分子和胶体传输（包括纳米颗粒）的新型成像技术的发展是微流体和毫流体研究中积极研究的领域。随着三维（3D）打印的出现，出现了一个新的材料领域，从而增加了对新型聚合物的需求。具体来说，平均粒径在一微米量级的聚合物粉末正受到学术界和工业界越来越多的关注。在介观到微观长度尺度上控制材料的可调性为开发创新材料（如梯度材料）创造了机会。最近，随着微米级聚合物粉末的明确应用的发展，对微米级聚合物粉末的需求一直在增长。三维打印提供了一种高通量工艺，与新应用直接相关，推动了对中尺度物理化学和运输相互作用的研究。本文讨论的协议提供了一种非侵入性技术来成像填充粉末床中的流体流动，提供高时间和空间分辨率，同时利用移动设备（如智能手机）随时可用的移动技术。通过使用通用移动设备，消除了通常与光学显微镜相关的成像成本，从而形成了节俭的科学方法。所提出的协议已成功表征了流体和粉末的各种组合，创建了一个诊断平台，用于快速成像和识别流体和粉末的最佳组合。
Introduction
基于喷墨的粘合剂喷射到粉末介质中代表了增材制造（3D打印）中的一项重要技术。粘合剂喷射过程首先使用扫描喷墨打印工艺将功能流体沉积到粉末介质中。具体来说，喷墨打印头在粉末表面上平移，将液体粘合剂沉积到粉末表面上，从而以逐层方式形成固体部件1。基于喷墨的粘结剂喷射技术通常包括沙子、金属粉末和聚合物粉末。然而，为了扩大材料在粘结剂喷射中的空间，需要一种研究流体-粉末和粉末-粉末相互作用、摩擦学、粉末堆积密度和颗粒聚集的基本方法。具体而言，对于流体-粉末相互作用，迫切需要能够实时成像流经粉末床的流体流动。这有望成为研究人员的有力工具，可以作为一种表征技术，并可能作为流体和粉末的不同组合的筛选方法2，3，4，以及更复杂的系统，例如利用颗粒床方法的混凝土3D打印系统。
分子和胶体传输的新型成像技术（包括纳米颗粒）的发展是微流体和毫流体研究中一个活跃的研究领域。通过成像技术探测分子间相互作用可能具有挑战性，因为在非饱和和不稳定流体流动的条件下，很少有人做过工作来探测这些类型的相互作用。文献中报道的许多研究都集中在饱和、预润湿、多孔介质上，例如玻璃珠5、6、7、8、9、10、11、12 和土壤 13、14、15、16、17、18.该技术提供了一种非侵入性方法，导致高时间和空间分辨率2，3，4，19。此外，所开发的技术提供了一种新方法，用于表征和量化各种多孔介质中的纳米级和微米级颗粒传输，重点是聚合物粉末。
所提出的技术利用移动设备记录通过多孔聚合物介质的不饱和，不稳定的流体传输，其颗粒尺寸代表利用流体粉末床融合技术的3D打印系统中使用的粉末。这种技术是有利的，因为流通池具有成本效益，可重复使用，体积小且易于操作，说明了节俭科学的主要方面。将这些简单的实验实施到现场研究中的能力非常简单，消除了光学显微镜所需的复杂性、成本和时间。鉴于易于创建设置、快速获得结果以及最少的样品要求，该技术是诊断筛查的最佳平台。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 微流控流通池的制备
注意：对于此协议，将使用商业微流体流通池。通过使用专为光学显微镜的光穿透而设计的商业产品，有关介质明场照明的任何挑战都将降至最低。
- 开始制备微流体流通池，用封口膜覆盖出口以密封通道的一端，以便空流通池可以用聚合物粉末填充。在开始实验之前，确认微流体通道清洁干燥。
- 将公制纸尺直接粘在流道下方。
- 称量附有封口膜和尺子的微流体流通池。流通池的质量是未包装的流通池质量（mu）。
2. 将粉末包装到通道中
- 包装粉末时，请使用塑料移液管转移粉末。请注意，颗粒可能会粘附在移液器吸头的外部，这是摩擦充电的结果。
- 将粉末引入通道时，至少点击流通池五次以压实粉末。继续包装，直到粉末到达流道开口的起点。
注意：攻丝压实通道内的粉末，目的是提供可重复的诊断工具。对于某些应用，此努力可能比在感兴趣的应用中观察到的压实更高、更低或等效的粉末压实水平。如果在应用中攻丝或包装粉末的重现性存在问题，请考虑执行 ASTM D7481-1820。 - 用浸有酒精的擦拭布去除流通池外表面上存在的粉末。
注意：某些类型的颗粒可能是疏水的，因此水可能无法很好地去除颗粒。
- 将粉末引入通道时，至少点击流通池五次以压实粉末。继续包装，直到粉末到达流道开口的起点。
- 粉末包装好后，目视检查流通池中是否有松散包装的粉末。如果流通池内的粉末看起来松散（图1），请再轻敲流通池五次。如果粉末填料看起来一致且致密，则称量流通池以测量聚合物粉末的质量（m p- mu;参见公式1）。
- 使用未包装 （m u） 和填充流通池质量 （mp） 之差并将其除以流通池的体积来计算体积堆积密度 （ρ）。然后知道流通池的体积[长度（长）：50毫米，宽度（宽）：5毫米，通道深度（高）：0.8毫米]。
等式 1 - 确认聚合物粉末2，3，4，21 的堆积密度在 0.45 g/mL 至 0.55 g/mL 的典型范围内。将流通池留在通风橱中，直到步骤 3 和 4 完成。
注意：直径小于10μm的颗粒可以渗透到肺部并可能进入血液，这可能导致与肺部和心血管系统相关的健康问题。该实验中使用的聚合物粉末的粒径约为50μm。因此，吸入颗粒引起健康问题的可能性较小，但即使在狭窄的粒径分布中也存在较小的颗粒。为了获得最安全的环境，流通池的制备应在通风橱中进行。
- 使用未包装 （m u） 和填充流通池质量 （mp） 之差并将其除以流通池的体积来计算体积堆积密度 （ρ）。然后知道流通池的体积[长度（长）：50毫米，宽度（宽）：5毫米，通道深度（高）：0.8毫米]。
等式 13. 制备溶剂
- 在水中制备75wt%的乙醇溶液。请注意，溶剂在本手稿的其余部分被称为流体。
注意：确保用于制备溶液的烧杯不含任何表面活性剂，因为表面活性剂会影响结果。
4. 准备白光表
- 为防止过多光线淹没探测器（相机），请用不透明材料覆盖灯台，例如黑色聚乳酸（PLA）灯丝的3D打印盖（补充图1）。确保材料具有微通道大小（5 mm x 55 mm）的开口，以允许光线照射粉末。
注：光线过亮意味着相机的屏幕或显示器将显示为白色，并且微通道将不可见。因此，探测器将无法将镜头聚焦在微通道上。 - 为确保移动设备上的相机可以捕捉湿粉和干粉之间的对比度，请在低到中等光强度下使用光台。
注意：高光强度为 100%。另外两个设置是相对于高光强度的;低光强度的设置为~30%，中等光强度的设置为~65%。 - 将移动设备上的相机直接对准灯台上方。确认相机垂直于光台顶部（图2）。
- 调整移动设备上的相机方向，使移动设备的长轴与流通池的最长轴对齐。
5. 开始实验
- 将流通池放在灯台上，并将移动设备上的相机聚焦在流道上。
注意：为获得最佳效果，较暗（减少头顶照明）的记录空间通常会提供更好的图像分辨率。如果没有黑暗空间，在记录过程中尽量减少头顶照明的变化（灯被打开、关闭或变暗）应该可以改善图形信号，并最大限度地减少实验中不需要的噪音。 - 将相机对焦到移动设备上后，选择录制按钮。使用移液管将 125 μL 液体添加到微通道的开放入口。
- 记录流量2分钟或直到所有粉末明显润湿。
6. 分析数据
- 将视频文件从移动设备传输到计算机，以便于访问。请注意，超过 2 分钟的视频目前可能无法在软件中加载，因为文件大小可能过大。
- 从 Physlets 网站下载 Tracker，一个免费软件22.该软件可以跟踪以下视频文件中的位置、速度和加速度：.mov、.avi、.mp4、.flv、.wmv等。有关以下步骤，请参阅 补充文件。
注意：对于Mac用户，请安装最新版本的软件以使软件正常运行。此外，Mac 用户可能需要视频引擎 （Xuggle）、动画 GIF 文件 （.gif） 或由一个或多个数字图像（.jpg、.png或从剪贴板粘贴的图像序列）组成的图像序列。 - 安装软件后，打开跟踪器软件。从“文件”菜单中，选择“打开文件”以在计算机桌面上加载步骤6.1中传输的视频文件。
- 单击“ 剪辑设置” 图标（类似于胶片条）以定义 起始帧 和 步长。
注意：将鼠标放在图标上将识别该图标。- 定义 起始帧。起始帧定义为观察到第一个对比度（湿粉和干粉之间的对比度）的 帧 。
- 设置 步长。 步 长是指软件将分析的帧步长。从先前的实验来看，最佳 步长 为10。
- 单击 校准工具，带有蓝色标尺的图标，位于 剪辑设置 按钮的右侧。从 新建中，选择 校准棒。
- 要放大视频中的标尺，请右键单击要放大的区域 ，然后从 列表中选择放大。适当放大后，在贴在微通道上的标尺上定义 1 mm 的起点和终点，然后键入 1 mm 以定义距离。
- 单击校准工具右侧的坐标轴工具，这是紫色图标。设置 x 轴和 y 轴的原点，在执行此步骤时使用起始帧。
- 要定义初始分析点，请创建 点质量。单击“ 创建”，然后选择 “点质量”。使用 Shift + 控件 更改矩形的大小。初始点是入口和通道的连接位置。
注意：矩形表示由用户定义的域，软件将扫描该域以查找对比鲜明的干湿粉。边界允许用户定义将观察到初始点的区域。- 单击“ 搜索下一步 ”几次以验证软件是否正在分析正确的区域。如果软件运行正常， 请单击搜索并 等待软件完成视频分析。如果软件无法自动找到从前一帧到当前帧的匹配图像强度，软件将停止并等待用户重新定义搜索区域。
注意：为了获得重现性和比较不同实验结果的能力，请为每个样品选择流体流动前沿的最快或最慢点（湿粉和干粉之间的对比区域）。 - 如果在跟踪器屏幕右侧的实时绘制数据上观察到分析错误，请在错误数据点之前的步骤上单击一次 数据点 。在主屏幕上，修改红色矩形搜索区域位置以搜索感兴趣区域并重复步骤6.8.1。
注意：如果存在错误，请右键单击不准确的数据点，然后取消选择该点以进行进一步分析。
- 单击“ 搜索下一步 ”几次以验证软件是否正在分析正确的区域。如果软件运行正常， 请单击搜索并 等待软件完成视频分析。如果软件无法自动找到从前一帧到当前帧的匹配图像强度，软件将停止并等待用户重新定义搜索区域。
- 分析完成后，将结果复制并粘贴到电子表格中。保存在电子表格中的结果包括距离和时间数据。
- 将电子表格中复制的数据绘制为流体通过粉末床的距离随时间的变化。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
在分析数据部分， 图3 中延时图像的数据说明了75 wt%乙醇溶液渗入聚碳酸酯（PC）粉末。荧光素被添加到溶液中，以提高本出版物的图像质量。在延时图像中，当流体添加到入口时，时间分辨过程就开始了。一旦流体开始穿透通道，时间 t 就开始了。这一系列图像展示了液体和荧光素的进展。在PC中，液体和荧光素以相同的流速输送。 图 4 中图中的红色开放圆圈表示 表 1 中编译信息的确切时间和距离。流体渗入粉末床并结合增量时间步长（红色圆圈）在 图3中直观地表示。
在 1 秒到 2 秒的间隔内，流体行进的距离增加了一倍。在 2 秒到 5 秒的间隔内，流体行进的距离也加倍。从5秒到10秒，流体仍在快速移动。然而，在15秒后，流速减慢到每5秒约2毫米的流速。对于单个粉末和流体组合，在一组中进行五项测试。每组的总测试数量可能有所不同。例如，如果五个实验中的一个失败，则将分析一个新的填充微通道来代替失败的测试。失效定义为由于粉末填料不一致导致通道中形成气泡而导致的流体无法穿透粉末床或仅部分穿透粉末床。要观察组中一组测试之间的标准偏差，请参考Donovan 21，特别是图19和图21。
图 1：聚合物粉末松散地装入微流体流通池中，如果不加以解决，可能会导致实验失败。 请点击此处查看此图的大图。
图 2：实验设置的卡通表示。 此图像未按比例绘制。 请点击此处查看此图的大图。
图 3：来自单个实验的代表性延时系列图像。 从左到右的图像显示了溶剂（用荧光染料增强以实现可视化）通过填充的多孔床的流动。请注意，前导前沿不均匀，因此通常使用传播前沿的平均距离。 请点击此处查看此图的大图。
图 4：流体穿透填充粉末床时平均传播距离 （Δl） 与时间 （t） 的关系的定量表示。 红色圆圈表示 图 3 中所示的每个时间增量的数据点。 请点击此处查看此图的大图。
| 时间 （s） | 距离（毫米） |
| 0 | 0 |
| 1 | 2.1 |
| 2 | 4.1 |
| 5 | 8.3 |
| 10 | 12.8 |
| 15 | 15.8 |
| 20 | 17.9 |
| 25 | 20.1 |
| 30 | 22.1 |
表 1： 图 4 中所示红点的距离和时间值。
补充图1：黑色聚乳酸（PLA）灯丝中不透明3D打印机盖的CAD图。请点击此处下载此文件。
补充文件：使用跟踪软件进行数据分析所涉及的步骤的屏幕截图。请点击此处下载此文件。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
提供的协议高度依赖于所选颗粒的材料特性。影响流动性的材料性质包括粒度分布2，3，4，5，11，21，颗粒表面粗糙度11，颗粒表面化学性质2，3，4，5，11，16，21，23，24，25，分子偶极矩，颗粒形状11和粒子-粒子相互作用2，3，4，5，11，16，23，24，25，26，27.这些特性直接影响粉末在微流体通道中的堆积密度，从而影响流体在润湿颗粒2，3，4，5，7，8，14，15时的毛细管流动行为。
粉末堆积密度在该技术中起着非常重要的作用。如果粉末的包装密度不够大，则在成像过程中可能会形成气泡或粉末偏析，从而阻止样品的重现性。因此，在包装粉末的同时敲击微流体通道（步骤2.1.1）是一个非常关键的步骤。 图1 表示在流体渗入整个通道后填充粉末不一致的微流体流通池。可以看到粉末在通道输入端的分离。电池保全后，在运行实验之前，检查灯箱上的粉末堆积密度是避免这些类型实验失败的有用方法。该协议中提出的粉末已使用标准化振实密度测试（特别是ASTM D7481-18）进行了分析，以报告散装填料密度作为丝锥20的函数。ASTM D7481-18不需要进行，但ASTM将提供有关粉末的补充信息。
粒径分布是一个可测量的特征，直接影响散装填料密度23，24，25。在填料系统中，较大的颗粒将产生较大的空隙空间，为小颗粒提供沉降的位置。测量大颗粒与小颗粒的比例可以深入了解流体穿透粉末的空隙空间体积。当包装微流体流通池进行实验时，所有小颗粒都将填充由较大颗粒产生的空隙空间。最小化可用的空隙空间将影响流体输送，并为分子和颗粒的发生提供更多的场所。为了进一步的技术改进，需要进一步研究相似尺寸的颗粒（例如，从60μm到65μm的颗粒），以确定该技术是否具有区分平均粒径仅相差几微米的颗粒的灵敏度。
堆积密度不是粉末的固有特性，因为它非常依赖于材料的处理方式26。粉末是内部制造还是通过飞机、火车或汽车运输，都可能极大地影响散装密度的值，从而影响粒度分布。粉末样品是从容器的顶部还是底部选择也会影响结果。想象一下打开一盒麦片;顶部的材料由所有大块组成，盒子底部的材料由所有小块组成。同样，在旅行中经历应力（振动）的粉末在整个容器中将具有粒度梯度。
对于聚合物粉末，验证流通池的内表面是否经过疏水处理是不可或缺的。如果微流体流通池的壁尚未得到处理，则在对流体传输进行成像时经常会发生壁效应。当流体沿壁行进的速度比散装流体流过目标粉末的速度更快、更远时，就会观察到壁效应。如果壁不是疏水的，它允许形成阻力最小的路径，流体将沿着该路径（壁）流动，而不是通过粉末。因此，利用疏水性电池可以对水性体系通过多孔介质的流动进行更具代表性的研究，而亲水性电池应用于有机体系。
对于某些聚合物粉末，粉末颗粒和塑料移液管尖端之间可能存在摩擦充电效应26，27 。因此，当将粉末颗粒装入移液器时，粉末可能会粘附在移液器吸头的外部。粉末粘附没有在转移粉末或颗粒填料时引起任何问题。但是，如果颗粒粘附确实成为问题，可以尝试一些修改，以减少颗粒粘附在移液管上的发生。一种选择是用水润湿移液管的外尖端，然后将吸头吸干以破坏静电。另一种选择是使用玻璃移液管代替塑料。第三种选择是在更潮湿的环境中转移粉末颗粒。
该技术是一种节俭的方法，用于对3D颗粒床内的流体侵入长度进行一维（1D）测量。因此，该技术只能考虑感兴趣方向上的优先流路径。
目前的协议讨论了通过多孔介质的流体传输，利用节俭的设置并消除光学显微镜的复杂性和费用。此外，使用紫外透射台激发荧光和光致发光物质，该技术还可用于成像分子和纳米颗粒的命运和运输。对于这种设置，需要针对分子和纳米颗粒系统修改溶剂方案。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
没有。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| µ-Slide I Luer | ibidi | 80191 | Microfluidic flow cell |
| Beaker | Southern Labware | BG1000-800 | Glassware |
| CALIBRE 301-58 LT Natural Polycarbonate Resin | TRINSEO LLC | CALIBRETM 301-58 LT | Natural polycarbonate resin |
| Ethanol | Sigma Aldrich | 1.00983 | Solvent |
| Fume Hood | Kewaunee | Supreme Air LV Fume Hoods | Used with 92 FPM at 18" opening |
| iPhone 7 plus | Apple | Camera | |
| Opaque 3D printed material | The CAD drawing is provided in the supplemental file | ||
| ORGASOL 2002 ES 6 NAT 3 | ARKEMA | A12135 | Polyamide powder |
| Pipet | VWR | 10754-268 | Disposable Transfer Pipet |
| Pipette | Globe Scientific Inc. | 3301-200 | Pipette that can hold 125 µL of fluid |
| Polystyrene | Advanced Laser Materials, LLC. | PS200 | Polystyrene for sintering |
| Tracker | Video analysis and modeling tool | ||
| VariQuest 100 White Light Model 3-3700 | FOTODYNE | 3-3700 | White light |
| Water | Distilled water |
References
- Redwood, B., Schoffer, F., Garret, B. The 3D Printing Handbook. , 3D HUBS. Amsterdam, NL. (2018).
- Chaffins, S., Holden, A., Donovan, K. J., Hinch, G. Three dimensional printing, Patent ID: 20210087418. , Available from: https://uspto.report/patent/app/20210087418 (2021).
- Emamjomeh, A., et al. Three dimensional printing, Patent ID: 20210095152. , Available from: https://uspto.report/patent/app/2021009515.2 (2021).
- Chaffins, S., Holden, A., Donovan, K. J., Midrez, N., Hinch, G. Three dimensional printing, Patent ID: 20210107216. , Available from: https://uspto.report/patent/app/20210107216#C00011 (2021).
- Petosa, A. R., Brennan, S. J., Rajput, F., Tufenkji, N. Transport of two metal oxide nanoparticles in saturated granular porous media: Role of water chemistry and particle coating. Water Research. 46 (4), 1273-1285 (2012).
- Giordano, S. Effective medium theory for dispersions of dielectric ellipsoids. Journal of Electrostatics. 58 (1-2), 59-76 (2003).
- Toloni, I., Lehmann, F., Ackerer, P. Modeling the effects of water velocity on TiO2 nanoparticles transport in saturated porous media. Journal of Contaminant Hydrology. 171, 42-48 (2014).
- Dang-Vu, T., Hupka, J. Characterization of porous materials by capillary rise method. Physicochemical Problems of Mineral Processing. 39, 47-65 (2005).
- Huang, W. E., Smith, C. C., Lerner, D. N., Thornton, S. F., Oram, A. Physical modelling of solute transport in porous media: evaluation of an imaging technique using UV excited fluorescent dye. Water Research. 36 (7), 1843-1853 (2002).
- Zhao, J., Li, H., Cheng, G., Cai, Y. On predicting the effective elastic properties of polymer nanocomposites by novel numerical implementation of asymptotic homogenization method. Composite Structures. 135, 297-305 (2016).
- Seymour, M. B., Chen, G., Su, C., Li, Y. Transport and retention of colloids in porous media: Does shape really matter. Environmental Science and Technology. 47 (15), 8391-8398 (2013).
- Ochiai, N., Kraft, E. L., Selker, J. S. Methods for colloid transport visualization in pore networks. Water Resources Research. 42 (12), (2006).
- Rottman, J., Sierra-Alvarez, R., Shadman, F. Real-time monitoring of nanoparticle retention in porous media. Environmental Chemistry Letters. 11 (1), 71-76 (2013).
- Xing, Y., Chen, X., Chen, X., Zhuang, J. Colloid-mediated transport of pharmaceutical and personal care products through porous media. Scientific Reports. 6 (1), 1-10 (2016).
- Dathe, A., et al. Functional models for colloid retention in porous media at the triple line. Environmental Science and Pollution Research. 21 (15), 9067-9080 (2014).
- Zhang, T., et al. Investigation of nanoparticle adsorption during transport in porous media. SPE Journal. 20 (4), 667-677 (2015).
- Zhang, Q., Karadimitriou, N. K., Hassanizadeh, S. M., Kleingeld, P. J., Imhof, A. Study of colloids transport during two-phase flow using a novel polydimethylsiloxane micro-model. Journal of Colloid and Interface Science. 401, 141-147 (2013).
- Environmental Protection Agency. Health and environmental effects of particulate matter (PM). EPA. , Available from: https://www.epa.gov/pm-pollution/health-and-environmental-effects-particulate-matter-pm (2021).
- Bridge, J. W., Banwart, S. A., Heathwaite, A. L. Noninvasive quantitative measurement of colloid transport in mesoscale porous media using time lapse fluorescence imaging. Environmental Science & Technology. 40 (19), 5930-5936 (2006).
- ASTMInternational. Standard test methods for determining loose and tapped bulk densities of powders using a graduated cylinder. ASTMInternational. , (2018).
- Donovan, K. J. Microfluidic investigations of capillary flow and surface phenomena in porous polymeric media for 3D printing. , Oregon State University. (2019).
- Brown, D., et al. 34;Try Tracker Online." Tracker Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education. , Available from: https://physlets.org/tracker/ (2022).
- Janssen, P. H. M., Depaifve, S., Neveu, A., Francqui, F., Dickhoff, B. H. J. Impact of powder properties on the rheological behavior of excipients. Pharmaceutics. 13 (8), 1198 (2021).
- Boschini, F., Delaval, V., Traina, K., Vandewalle, N., Lumay, G. Linking flowability and granulometry of lactose powders. International Journal of Pharmaceutics. 494 (1), 312-320 (2015).
- Yablokova, G., et al. Rheological behavior of β-Ti and NiTi powders produced by atomization for SLM production of open porous orthopedic implants. Powder Technology. 283, 199-209 (2015).
- Lumay, G., Fiscina, J., Ludewig, F., Vandewalle, N. Influence of cohesive forces on the macroscopic properties of granular assemblies. AIP Conference Proceedings. 1542, 995 (2013).
- Lumay, G., et al. Effect of relative air humidity on the flowability of lactose powders. Journal of Drug Delivery Science and Technology. 35, 207-212 (2016).
