Fabricação de gotículas de alta viscosidade usando dispositivo capilar microfluídico com estrutura de co-fluxo de inversão de fase
Summary
Um dispositivo de inversão de fase de fluxo co é demonstrado para gerar gotículas de alta viscosidade monodisperso acima 1 Pas, que é difícil perceber em microfluídica da gota.
Abstract
A geração de gotículas monodisperso com alta viscosidade sempre foi um desafio em microfluídica da gota. Aqui, demonstramos um dispositivo de fluxo de co de inversão de fase para gerar gotículas uniformes de alta viscosidade em um líquido de baixa viscosidade. O dispositivo capilar microfluidic tem uma estrutura de fluxo co comum com sua saída, conectando a um tubo mais largo. Alongada gotículas de líquido de baixa viscosidade primeiro são encapsuladas pelo fluido de alta viscosidade na estrutura de fluxo de co. Como as gotas de baixa viscosidade alongadas fluem através da saída, que é tratada para ser molhadas pelo fluido de baixa viscosidade, inversão de fase é então induzida pela adesão das gotas de baixa viscosidade para a ponta da saída, o que resulta no inverso subsequente encapsulamento do fluido de alta viscosidade. O tamanho de gotas alta viscosidade resultantes pode ser ajustado alterando a relação de taxa de fluxo do fluido de baixa viscosidade para o fluido de alta viscosidade. Vamos demonstrar vários exemplos típicos da geração de gotículas de alta viscosidade com uma viscosidade até 11,9 Pas, tais como solução de glicerol, mel, amido e polímero. O método fornece uma abordagem simples e direta para gerar monodisperso gotículas de alta viscosidade, que podem ser usadas em uma variedade de aplicações baseadas em gotículas, como síntese de materiais, administração de medicamentos, ensaio de células, bioengenharia e comida de engenharia.
Introduction
A geração de gotículas está se tornando uma tecnologia-chave em uma variedade de aplicações, tais como a entrega da droga, síntese de materiais, bioprinting 3D, ensaios de célula e comida engenharia1,2,3,4 , 5 , 6. dispositivos microfluídicos com entroncamento7,8, co1,9de fluxo, ou fluxo de focagem10,11 estruturas são amplamente utilizadas para gerar monodisperso gotículas de emulsão simples. Seleção de uma fase contínua mais viscosa irá facilitar a formação de gotículas12e as viscosidades de ambos os fluidos, contínuas e dispersas são comumente inferiores a 0,1 Pas em gotículas microfluídica13. No entanto, em muitas aplicações, a fase dispersa pode ter uma viscosidade várias centenas de vezes superior da água, tais como o glicerol14, soluções contendo nanopartículas15, proteínas16ou polímeros17 , 18 , 19, apesar de ser difícil conseguir monodisperso gotas diretamente de fluidos de alta viscosidade em um estábulo pingando regime11 em dispositivos microfluídicos, especialmente para os líquidos com uma viscosidade η > 1 Pa · s14 ,17,18,19. Além disso, tem sido relatado13,18 que métodos microfluidic típico para a formação de gotículas exigem líquidos com uma viscosidade relativamente baixa e moderada tensão interfacial para formar gotículas uniformes em um gotejamento estável regime.
Para uma fase dispersa com uma viscosidade ligeiramente maior do que 0,1 Pas, existem várias abordagens possíveis para facilitar a formação de gotículas com entroncamento típico, co fluxo ou fluxo de focagem microfluidic dispositivos: (1) diminuição da viscosidade do dispersos fase, diluindo-a em um solvente volátil11,20; (2) diminuir a relação de viscosidade dispersos-para-contínua aumentando a viscosidade da fase contínua1,11; (3) diminua a taxa de fluxo da fase dispersa a um valor extremamente baixo, mantendo um alto fluxo contínuo de-dispersa taxa relação 14,19. No entanto, essas abordagens não são práticas para líquidos com viscosidade muito maior, como eles abaixarão significativamente a taxa de produção enquanto a elevar drasticamente o consumo de solvente volátil ou a fase contínua. Além disso, tem sido relatado que algumas soluções de polímero de alta viscosidade com η > 1 Pa · s ainda não quebraram em gotas com abordagens mencionadas acima de17,19.
Existem também diversos projetos de melhoria de dispositivos microfluídicos que introduzir uma terceira fase de fluido no sistema, que facilita a geração de gotículas de alta viscosidade. As inovações incluem: bolhas introduzidas para cortar um segmento jorrando gotas21, um líquido imiscível parentes com viscosidade moderada, introduzido como fase intermediária entre a fase de dipsersed e a fase contínua18, e microreactors introduzido para gerar gotículas de alta viscosidade de dois precursores de baixa viscosidade21,22,23. No entanto, como um fluido mais está envolvido no processo, o sistema torna-se mais complicado, e os dispositivos normalmente trabalham em um regime de fluxo muito mais estreito do que os dispositivos típicos para a geração de gotículas de emulsão simples.
Para gerar monodisperso gotas diretamente de um fluido de alta viscosidade com η > 1 Pa · s, métodos de superfície controlada fase-inversão tem sido investigado24. Como a geração de gotículas de baixa viscosidade é muito mais fácil do que as gotas de alta viscosidade12, alongadas gotículas de baixa viscosidade em uma fase contínua de alta viscosidade são geradas pela primeira vez usando uma estrutura de fluxo típico de co e então terminaram devido para a mudança de superfície molhabilidade a jusante da estrutura de fluxo de co. O fluido de baixa viscosidade lançado inversamente encapsula o fluido de alta viscosidade a jusante em gotas para que a inversão de fase está concluída. De acordo com o mecanismo de inversão de fase, gotículas de alta viscosidade monodisperso podem ser geradas com base em um dispositivo de fluxo típico de co, enquanto a saída do dispositivo co fluxo é tratada para ser molhadas pelo fluido de baixa viscosidade e então conectada a um tubo mais largo24 ,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
O dispositivo de fase-inversão de fluxo co fornece um método simples e direto para a frente para gerar monodisperso gotículas de alta viscosidade. Este dispositivo tem uma estrutura similar aos dispositivos de fluxo co comum, como a estrutura de fluxo de co básico consiste de um tubo interno inserido no tubo do meio, a saída dos quais está ligada ao tubo de saída. No entanto, existem duas diferenças principais entre o dispositivo de fluxo de co de inversão de fase e o dispositivo de fluxo co comum para a geraç?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de ciências naturais da China (n. 51420105006 e 51322501). Agradecemos o Daniel por sua discussão útil sobre as ideias de alta viscosidade.
Materials
| VitroTubes Glass Tubing | VitroCom | 8240 | Square – Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.4mm, OD=0.8mm |
| VitroTubes Glass Tubing | VitroCom | CV2033 | Round – Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.2mm, O.D.=0.33mm |
| VitroTubes Glass Tubing | VitroCom | CV1017 | Round – Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.1mm, O.D.=0.17mm |
| VitroTubes Glass Tubing | VitroCom | Q14606 | Square – Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=1.05mm+0.1/-0, OD=1.5mm |
| Standard Glass Capillaries | WPI | 1B100-6 | Round – Glass Tubing, I.D.=0.58mm, O.D.=1.00mm |
| Glycerol | Sinopharm Chemical Reagent Beijing | 10010618 | |
| Paraffin Liquid | Sinopharm Chemical Reagent Beijing | 30139828 | |
| Poly(vinyl alcohol), PVA-124 | Sinopharm Chemical Reagent Beijing | 30153084 | |
| Span 80 | Sigma-Aldrich | 85548 | |
| Starch | Sigma-Aldrich | S9765 | |
| Trichloro(octadecyl)silane | Sigma-Aldrich | 104817 | |
| Toluidine Blue O | Sigma-Aldrich | T3260 | |
| Honey | Chaste tree honey, common food product purchased from supermarket | ||
| DEVCON 5 Minute Epoxy | ITW | Epoxy glue | |
| Blunt Tip Stainless Steel Dispensing Needles (Luer Lock) | Suzhou Lanbo Needle, China | LTA820050 | 20G x 1/2" |
| Tungsten/Carbide Scriber | Ullman | 1830 | For cutting glass tubing |
| Microscope Slides | Sail Brand | 7101 | 76.2 mm x 25.4 mm, Thickness 1 – 1.2 mm |
| Polyethylene Tubing | Scientific Commodities | BB31695-PE/5 | I.D. = 0.86 mm, O.D. = 1.32 mm |
| Syringe Pumps | Longer Pump, China | LSP01-1A | 3 pumps needed for the experiments |
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