Summary
Den foreslåede teknik vil give en ny, effektiv, sparsommelig og ikke-invasiv tilgang til billeddannelse af fluidisk strømning gennem et pakket pulverleje, hvilket giver høj rumlig og tidsmæssig opløsning.
Abstract
Udviklingen af nye billeddannelsesteknikker til molekylær og kolloid transport, herunder nanopartikler, er et område, hvor der aktivt undersøges mikrofluidiske og millifluidiske undersøgelser. Med fremkomsten af tredimensionel (3D) udskrivning er der opstået et nyt domæne af materialer, hvilket øger efterspørgslen efter nye polymerer. Specifikt oplever polymere pulvere med gennemsnitlige partikelstørrelser i størrelsesordenen en mikron en stigende interesse fra akademiske og industrielle samfund. Styring af materialetunbarhed ved mesoskopiske til mikroskopiske længdeskalaer skaber muligheder for at udvikle innovative materialer, såsom gradientmaterialer. For nylig er et behov for polymere pulvere i mikronstørrelse vokset, da der udvikles klare anvendelser af materialet. Tredimensionel udskrivning giver en high-throughput proces med en direkte forbindelse til nye applikationer, der driver undersøgelser af fysisk-kemiske og transportinteraktioner på mesoskala. Protokollen, der diskuteres i denne artikel, giver en ikke-invasiv teknik til at afbilde væskestrøm i pakkede pulversenge, hvilket giver høj tidsmæssig og rumlig opløsning, samtidig med at der udnyttes mobilteknologi, der er let tilgængelig fra mobile enheder, såsom smartphones. Ved at bruge en fælles mobil enhed elimineres de billeddannelsesomkostninger, der normalt ville være forbundet med et optisk mikroskop, hvilket resulterer i en sparsommelig videnskabelig tilgang. Den foreslåede protokol har med succes karakteriseret en række kombinationer af væsker og pulvere, hvilket skaber en diagnostisk platform til hurtig billeddannelse og identifikation af en optimal kombination af væske og pulver.
Introduction
Inkjet-baseret bindemiddel, der stråler ind i pulvermedier, repræsenterer en vigtig teknologi inden for additiv fremstilling (3D-print). Bindemiddelstråleprocessen begynder med deponering af funktionelle væsker i pulvermedier ved hjælp af en scanningsinkjetudskrivningsproces. Specifikt oversætter et inkjetprinthoved over pulveroverfladen, deponerer det flydende bindemiddel på en pulveroverflade og danner derved en fast del på en lag-for-lag-måde1. Inkjet-baserede bindemiddelstråleteknologier inkluderer generelt sand, metalpulver og polymerpulver. For at udvide materialernes plads i bindemiddeljetting kræves der imidlertid en grundlæggende tilgang til undersøgelse af fluid-pulver og pulver-pulverinteraktioner, tribologi, pulverpakningstæthed og partikelaggregering. Specifikt for væske-pulver-interaktioner findes der et kritisk behov for evnen til at afbilde væskestrøm gennem pulverlejer i realtid. Dette lover at være et kraftfuldt værktøj for forskere at inkludere som en karakteriseringsteknik og potentielt som en screeningsmetode for forskellige kombinationer af væsker og pulvere 2,3,4 samt mere komplekse systemer, såsom konkrete 3D-printsystemer, der bruger partikelbedmetoder.
Udviklingen af nye billeddannelsesteknikker til molekylær og kolloid transport, herunder nanopartikler, er et aktivt undersøgelsesområde i mikrofluidiske og millifluidiske undersøgelser. Undersøgelse af intermolekylære interaktioner ved hjælp af billeddannelsesteknikker kan være udfordrende, da der ikke er gjort meget arbejde for at undersøge disse typer interaktioner under betingelserne for umættet og ustabil væskestrøm. Mange af de undersøgelser, der er rapporteret i litteraturen, har fokuseret på et mættet, forvædet, porøst medie, såsom glasperle 5,6,7,8,9,10,11,12 og jord 13,14,15,16,17,18 . Denne teknik giver en ikke-invasiv tilgang, hvilket resulterer i høj tidsmæssig og rumlig opløsning 2,3,4,19. Desuden giver den udviklede teknik en ny metode til karakterisering og kvantificering af partikeltransport i nanoskala og mikronskala i en række porøse medier med fokus på polymere pulvere.
Den foreslåede teknik anvender en mobil enhed til at registrere umættet, ustabil fluidisk transport gennem porøse polymere medier med partikeldimensioner, der er repræsentative for de pulvere, der anvendes i 3D-printsystemer, der bruger fluidiske pulverbedfusionsteknologier. Denne teknik er fordelagtig, da flowcellerne er omkostningseffektive, genanvendelige, små og lette at håndtere, hvilket illustrerer de dominerende aspekter af sparsommelig videnskab. Evnen til at implementere disse enkle eksperimenter i et feltstudie er meget ligetil, hvilket eliminerer de komplikationer, omkostninger og tid, der kræves i optisk mikroskopi. I betragtning af den lette oprettelse af opsætningen, adgangen til hurtige resultater og det minimale antal prøvekrav er denne teknik en optimal platform til diagnostisk screening.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Klargøring af den mikrofluidiske flowcelle
BEMÆRK: Til denne protokol vil der blive anvendt en kommerciel mikrofluidisk flowcelle. Ved at bruge et kommercielt produkt, der er designet til lysindtrængning fra et optisk mikroskop, minimeres eventuelle udfordringer med belysning af mediets lysstyrke.
- Start forberedelsen af den mikrofluidiske flowcelle ved at dække udløbet med parafilm for at forsegle den ene ende af kanalen, så den tomme flowcelle kan pakkes med polymert pulver. Før du starter eksperimentet, skal du bekræfte, at den mikrofluidiske kanal er ren og tør.
- Tape den metriske papirlineal direkte under flowkanalen.
- Vej den mikrofluidiske flowcelle med parafilmen og linealen fastgjort. Flowcellens masse er den udpakkede flowcellemasse (mu).
2. Pakning af pulveret i kanalen
- Når du pakker pulveret, skal du bruge en plastpipet til at overføre pulveret. Bemærk, at partikler kan klæbe til ydersiden af pipetspidsen, hvilket er et resultat af tribocharging.
- Mens pulveret indføres i kanalen, skal du banke på flowcellen mindst fem gange for at komprimere pulveret. Fortsæt pakningen, indtil pulveret når begyndelsen af åbningen af strømningskanalen.
BEMÆRK: Tapping komprimerer pulveret i kanalen med det formål at tilvejebringe et reproducerbart diagnostisk værktøj. For visse anvendelser kan denne indsats være et højere, lavere eller tilsvarende niveau af pulverkomprimering end den komprimering, der observeres ved anvendelse af interesse. Hvis der er problemer med reproducerbarheden af gevindskæring eller med pakkepulver i applikationen, kan du overveje at udføre ASTM D7481-1820. - Fjern pulveret, der er til stede på den ydre overflade af flowcellen med en klud gennemblødt i alkohol.
BEMÆRK: Nogle typer partikler kan være hydrofobe, så vand fjerner muligvis ikke partiklerne godt.
- Mens pulveret indføres i kanalen, skal du banke på flowcellen mindst fem gange for at komprimere pulveret. Fortsæt pakningen, indtil pulveret når begyndelsen af åbningen af strømningskanalen.
- Når pulverne er pakket, skal du visuelt inspicere flowcellen for løst pakket pulver. Hvis pulveret i flowcellen ser løst pakket ud (figur 1), skal du banke på flowcellen fem gange mere. Hvis pulverpakningen forekommer konsistent og kompakt, vejes flowcellen for at måle massen af det polymere pulver (m p- mu; se ligning 1).
- Beregn bulkpakningstætheden (ρ) ved hjælp af forskellen mellem den upakkede (m u) og den pakkede flowcellemasse (mp) og divider den med flowcellens volumen. Flowcellens volumen kendes derefter [længde (l): 50 mm, bredde (b): 5 mm, kanaldybde (h): 0,8 mm].
Eq 1 - Bekræft, at pakningstætheden ligger i det typiske interval fra 0,45 g/ml til 0,55 g/ml for polymerpulver 2,3,4,21. Lad flowcellerne blive i stinkdækslet, indtil trin 3 og 4 er fuldført.
FORSIGTIG: Partikler med en diameter på mindre end 10 μm kan trænge ind i lungerne og potentielt komme ind i blodbanen, hvilket kan forårsage sundhedsmæssige problemer relateret til lunge- og kardiovaskulære systemer. De polymere pulvere, der blev anvendt i dette eksperiment, har en partikeldiameter på ca. 50 μm. Derfor har indånding af partiklerne mindre potentiale til at forårsage sundhedsmæssige problemer, men mindre partikler er til stede selv i smalle partikelstørrelsesfordelinger. For det sikreste miljø skal klargøring af flowcellerne ske i en stinkhætte.
- Beregn bulkpakningstætheden (ρ) ved hjælp af forskellen mellem den upakkede (m u) og den pakkede flowcellemasse (mp) og divider den med flowcellens volumen. Flowcellens volumen kendes derefter [længde (l): 50 mm, bredde (b): 5 mm, kanaldybde (h): 0,8 mm].
Eq 13. Klargøring af opløsningsmidlet
- Der fremstilles en 75 vægt% opløsning af ethanol i vand. Bemærk, at opløsningsmidlet vil blive omtalt som væsken i resten af dette manuskript.
FORSIGTIG: Sørg for, at bægerglasset, der anvendes til fremstilling af opløsningen, er fri for overfladeaktive stoffer, da overfladeaktive stoffer vil påvirke resultaterne.
4. Klargøring af bordet med hvidt lys
- For at forhindre, at detektoren (kameraet) oversvømmes med for meget lys, skal du dække lysbordet med et uigennemsigtigt materiale, såsom et 3D-printet dæksel i sort polymælkesyre (PLA) filament (supplerende figur 1). Sørg for, at materialet har en åbning, der er på størrelse med mikrokanalen (5 mm x 55 mm), så lyset kan belyse pulveret.
BEMÆRK: For meget lys betyder, at kameraets skærm eller skærm vises hvidt, og mikrokanalen ikke vil være synlig. Derfor vil detektoren ikke være i stand til at fokusere linsen på mikrokanalen. - For at sikre, at kameraet på mobilenheden kan fange kontrasten mellem det våde og tørre pulver, skal du bruge lysbordet med lav til medium lysintensitet.
BEMÆRK: Høj lysintensitet er på 100%. De to andre indstillinger er i forhold til den høje lysintensitet; Indstillingen for lav lysintensitet er på ~30%, og medium lysintensitet er på ~65%. - Juster kameraet på mobilenheden direkte over lysbordet. Bekræft, at kameraet er vinkelret på toppen af lysbordet (figur 2).
- Vend kameraet på mobilenheden, så mobilenhedens lange akse flugter med flowcellens længste akse.
5. Start af eksperimentet
- Placer flowcellen på lysbordet, og fokuser kameraet på den mobile enhed på flowkanalen.
BEMÆRK: For optimale resultater vil et mørkere (reduceret loftsbelysning) optagerum typisk give bedre billedopløsning. Hvis et mørkt rum ikke er tilgængeligt, bør minimering af ændringer i loftsbelysning (lys, der tændes, slukkes eller dæmpes) under optagelse forbedre grafiske signaler og minimere uønsket støj i eksperimentet. - Når du har fokuseret kameraet på mobilenheden, skal du vælge optageknappen. Tilsæt 125 μL væske til mikrokanalens åbne indløb ved hjælp af en pipet.
- Optag flowet i 2 minutter, eller indtil alt pulveret er fugtet synligt.
6. Analyse af dataene
- Overfør videofilen fra den mobile enhed til computeren for nem adgang. Bemærk, at videoer over 2 minutter muligvis ikke indlæses i softwaren på nuværende tidspunkt, da filstørrelsen kan være for stor.
- Download Tracker, en gratis software fra Physlets hjemmeside22. Denne software kan spore position, hastighed og acceleration i følgende videofiler: .mov, .avi, .mp4, .flv, .wmv osv. For følgende trin henvises til Supplerende fil.
BEMÆRK: For Mac-brugere skal du installere den nyeste version af softwaren, så softwaren fungerer korrekt. Derudover kan Mac-brugere kræve en videomotor (Xuggle), animerede GIF-filer (.gif) eller billedsekvenser, der består af et eller flere digitale billeder (.jpg, .png eller indsat fra udklipsholderen). - Når softwaren er installeret, skal du åbne sporingssoftwaren. Vælg Åbn fil i menuen Filer for at indlæse den overførte videofil fra trin 6.1 på computerens skrivebord.
- Klik på ikonet Klipindstillinger , der ligner filmstrimlen, for at definere startrammen og trinstørrelsen.
BEMÆRK: Hvis du placerer musen over et ikon, identificeres ikonet.- Definer startrammen. Startrammen defineres som den ramme, hvori den første kontrast (kontrasten mellem det våde og tørre pulver) observeres.
- Indstil trinstørrelsen. Trinstørrelse refererer til rammetrinstørrelsen, som softwaren ville analysere. Fra tidligere eksperimenter er den optimale trinstørrelse 10.
- Klik på kalibreringsværktøjet, ikonet med den blå lineal, til højre for knappen Klipindstillinger . Fra Ny skal du vælge Calibration Stick.
- For at zoome ind på linealen i videoen skal du højreklikke på området for at forstørre og vælge Zoom ind på listen. Når den er korrekt forstørret, skal du definere begyndelsen og slutningen af 1 mm på linealen, der er tapet til mikrokanalen, og skrive 1 mm for at definere afstanden.
- Klik på koordinatakseværktøjet, som er det lilla ikon, til højre for kalibreringsværktøjet. Indstil Origin for x- og y-aksen ved hjælp af startrammen, mens du udfører dette trin.
- For at definere det indledende analysepunkt skal du oprette en punktmasse. Klik på Opret, og vælg derefter Point Mass. Brug Skift + Control til at ændre størrelsen på rektanglet. Det første punkt er, hvor indløbet og kanalen forbinder.
BEMÆRK: Rektanglet angiver det domæne, defineret af brugeren, som softwaren scanner for at finde det kontrasterende våde og tørre pulver. Grænsen giver brugeren mulighed for at definere det område, hvor startpunktet vil blive observeret.- Klik på Søg Næste et par gange for at kontrollere, at softwaren analyserer det rigtige område. Hvis softwaren fungerer korrekt, skal du klikke på Søg og vente på, at softwaren er færdig med at analysere videoen. Hvis softwaren ikke automatisk kan finde en matchende billedintensitet fra det forrige billede til det aktuelle billede, stopper softwaren og venter på, at brugeren omdefinerer søgeområdet.
BEMÆRK: For reproducerbarhed og evnen til at sammenligne forskellige eksperimentelle resultater skal du vælge det hurtigste eller det langsomste punkt på fluidflowfronten (kontrastområde mellem det fugtede og tørre pulver) for hver prøve. - Hvis der observeres en analysefejl på de live plottede data i højre side af sporingsskærmen, skal du klikke på datapunktet én gang på trinnet før det fejlbehæftede datapunkt . På hovedskærmen skal du ændre placeringen af det røde rektangulære søgeområde for at søge i det interesseområde og gentage trin 6.8.1.
BEMÆRK: Hvis der er en fejl, skal du højreklikke på det unøjagtige datapunkt og fravælge punktet til yderligere analyse.
- Klik på Søg Næste et par gange for at kontrollere, at softwaren analyserer det rigtige område. Hvis softwaren fungerer korrekt, skal du klikke på Søg og vente på, at softwaren er færdig med at analysere videoen. Hvis softwaren ikke automatisk kan finde en matchende billedintensitet fra det forrige billede til det aktuelle billede, stopper softwaren og venter på, at brugeren omdefinerer søgeområdet.
- Når analysen er færdig, skal du kopiere og indsætte resultaterne i et regneark. De resultater, der gemmes i regnearket, omfatter afstands- og tidsdata.
- Afbild de kopierede data i regnearket som afstanden til væsketransport gennem pulverlejet som funktion af tiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I afsnittet om analyse af data illustrerer dataene for de timelapsede billeder i figur 3 den 75 vægt% ethanolopløsning, der infiltrerer polycarbonatpulveret (PC). Fluorescein blev tilføjet til løsningen for at forbedre billedkvaliteten for denne publikation. I time-lapse-billederne begynder den tidsopløste proces, når væsken tilsættes til indløbet. Tiden, t, starter, så snart væsken begynder at trænge ind i kanalen. Serien af billeder demonstrerer udviklingen af væsken og fluorescein. I PC transporteres væsken og fluorescein med samme strømningshastighed. De åbne røde cirkler på plottet i figur 4 repræsenterer den nøjagtige tid og afstand for de indsamlede oplysninger, der findes i tabel 1. Infiltration af væsken i pulverlejet kombineret med de inkrementelle tidstrin (røde cirkler) er visuelt repræsenteret i figur 3.
I intervallet fra 1 s til 2 s er den tilbagelagte afstand af væsken fordoblet. I intervallet fra 2 s til 5 s fordobles afstanden, som væsken har rejst, også. Fra 5 s til 10 s bevæger væsken sig stadig hurtigt. Efter 15 s sænkes strømningshastigheden imidlertid til en hastighed på ca. 2 mm hver 5. s. For en enkelt pulver- og væskekombination udføres fem tests i en enkelt gruppe. Antallet af samlede test kan variere for hver gruppe. For eksempel, hvis et af de fem eksperimenter mislykkes, analyseres en ny pakket mikrokanal i stedet for den mislykkede test. Svigt defineres som en væske, der ikke trænger ind i pulverlejet eller kun delvist trænger ind i pulverlejet på grund af boblerne, der dannes i kanalen som følge af inkonsekvent pulverpakning. For at observere standardafvigelsen mellem et sæt tests i en gruppe henvises til Donovan 21, specifikt figur 19 og figur 21.
Figur 1: Polymerpulver løst pakket ind i en mikrofluidisk flowcelle, der kan resultere i et mislykket eksperiment, hvis det ikke behandles. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: En tegneserierepræsentation af den eksperimentelle opsætning. Dette billede er ikke tegnet i skala. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: En repræsentativ time-lapse-serie af billeder fra et enkelt eksperiment. Billeder fra venstre mod højre eksemplificerer strømmen af opløsningsmiddel (forbedret med fluorescerende farvestof til visualisering) gennem den pakkede porøse seng. Bemærk, at forfronten ikke er ensartet, så der anvendes typisk en gennemsnitlig afstand til formeringsfronten. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Kvantitativ repræsentation af den gennemsnitlige udbredelsesafstand (Δl) versus tid (t), når væsken trænger ind i det pakkede pulverleje. Røde cirkler repræsenterer datapunkter for hver tidsforøgelse, der ses i figur 3. Klik her for at se en større version af denne figur.
| Tid (er) | Afstand (mm) |
| 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 |
Tabel 1: Afstands- og tidsværdier for de røde prikker, der er vist i figur 4.
Supplerende figur 1: CAD-tegning af det uigennemsigtige 3D-printerdæksel i sort polymælkesyrefilament (PLA). Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil: Skærmbilleder af de trin, der er involveret i dataanalyse ved hjælp af sporingssoftwaren. Klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den protokol, der leveres, er stærkt afhængig af materialeegenskaberne for de valgte partikler. Materialeegenskaber, der påvirker flowet, omfatter partikelstørrelsesfordeling 2,3,4,5,11,21, partikeloverfladens ruhed 11, kemiske egenskaber ved partikeloverfladen 2,3,4,5,11,16,21,23, 24,25, molekylære dipolmomenter, partikelform 11 og partikel-partikelinteraktioner 2,3,4,5,11,16,23,24,25,26,27 . Disse egenskaber påvirker direkte pulverets pakningstæthed i den mikrofluidiske kanal og følgelig væskens kapillærstrømningsadfærd, da den fugter partiklerne 2,3,4,5,7,8,14,15.
Pulverpakningstætheden spiller en meget vigtig rolle i denne teknik. Hvis pulveret ikke pakkes tæt nok, kan der opstå dannelse af luftbobler eller adskillelse af pulver under billeddannelse, hvilket forhindrer en reproducerbar prøve. Derfor er det et meget afgørende trin at tappe på den mikrofluidiske kanal (trin 2.1.1), mens du pakker pulver. Figur 1 viser en mikrofluidisk flowcelle med inkonsekvent pakket pulver, efter at væsken infiltrerede hele kanalen. Adskillelsen af pulverne kan ses mod kanalens indgang. Når cellen er pakket, før du kører eksperimentet, er kontrol af pulverpakningstætheden på lysboksen en nyttig måde at undgå disse typer mislykkede eksperimenter på. De pulvere, der præsenteres i denne protokol, er blevet analyseret ved hjælp af en standardiseret hanetæthedstest, specifikt ASTM D7481-18, for at rapportere bulkpakningstæthed som en funktion af vandhaner20. ASTM D7481-18 behøver ikke udføres for at den foreslåede protokol kan udfyldes, men ASTM vil give supplerende oplysninger om pulveret.
Partikelstørrelsesfordeling, en målbar egenskab, påvirker direkte bulkpakningstætheden23,24,25. I et pakkesystem vil større partikler skabe et stort tomrum, hvilket giver en position for de små partikler at bundfælde sig. Måling af forholdet mellem store og små partikler giver indsigt i volumenet af tomrum for væsken at trænge ind i pulveret. Når du pakker den mikrofluidiske flowcelle til et eksperiment, vil alle de små partikler fylde det hulrum, der er lavet af større partikler. Minimering af de tilgængelige tomrumsrum vil påvirke væsketransporten samt give flere steder for molekylær og partikelretention at forekomme. For yderligere teknisk forbedring skal partiklerne af samme størrelse (f.eks. Disse partikler fra 60 μm til 65 μm) undersøges yderligere for at afgøre, om denne teknik har følsomheden til at skelne mellem partikler med en gennemsnitlig partikelstørrelse på kun et par mikron forskel.
Bulkdensitet er ikke en iboende egenskab ved pulveret, da det er meget afhængigt af, hvordan materialet håndteres26. Uanset om pulveret blev fremstillet internt eller transporteret med fly, tog eller bil, kan det i høj grad påvirke værdien for bulkpakningstætheden, hvilket påvirker partikelstørrelsesfordelingen. Hvorvidt pulverprøverne vælges fra toppen versus bunden af en beholder kan også påvirke resultaterne. Forestil dig at åbne en kasse korn; Materialet øverst består af alle de store stykker, og materialet i bunden af kassen består af alle de mindre stykker. På samme måde vil et pulver, der har oplevet stress (vibrationer) fra rejser, have en partikelstørrelsesgradient i hele beholderen.
For polymere pulvere er det integreret at kontrollere, at flowcellernes indre overflader har modtaget en hydrofob behandling. Hvis væggene i den mikrofluidiske flowcelle ikke er blevet behandlet, opstår der ofte vægeffekter, når man afbilder væsketransporten. Vægeffekter observeres, når væsken bevæger sig langs væggen meget hurtigere og længere end bulkvæskestrømmen gennem pulveret af interesse. Hvis væggen ikke er hydrofob, giver den mulighed for en sti med mindst modstandsdygtighed over for form, og væske vil strømme langs denne vej (væggen) og ikke gennem pulveret. Derfor giver anvendelse af hydrofobe celler mulighed for en mere repræsentativ undersøgelse af strømmen af vandige systemer gennem et porøst medie, mens hydrofile celler bør udnyttes til organiske systemer.
For nogle polymere pulvere kan der være en triboladningseffekt26,27, der opstår mellem pulverpartiklerne og spidsen af plastpipetten. Som følge heraf kan pulveret klæbe til ydersiden af pipetspidsen, når pipetten fyldes med pulverpartikler. Pulvervedhæftningen har ikke forårsaget noget problem med overførsel af pulveret eller partikelpakningen. Men hvis partikeladhæsionen bliver et problem, kan et par ændringer, der kan reducere forekomsten af partikler, der klæber til pipetten, forsøges. En mulighed er at dæmpe pipettens ydre spids med vand og tørre spidsen for at forstyrre den statiske elektricitet. En anden mulighed er at bruge en glaspipet i stedet for plast. En tredje mulighed er at overføre pulverpartiklerne i et mere fugtigt miljø.
Teknikken er en sparsommelig metode til en endimensionel (1D) måling af væskeindtrængningslængden i et 3D-partikelleje. Derfor vil teknikken kun være i stand til at redegøre for den foretrukne strømningsvej i retning af interesse.
Den nuværende protokol diskuterer flydende transport gennem et porøst medie ved hjælp af en sparsommelig opsætning og eliminerer komplikationer og udgifter til et optisk mikroskop. Derudover kunne teknikken med et UV-transilluminerende bord til at excitere de fluorescerende og fotoluminescerende arter også bruges til at afbilde molekylær og nanopartikelskæbne og transport. Til denne opsætning skal opløsningsmiddelprotokollen ændres til molekylære systemer og nanopartikelsystemer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Ingen.
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).
