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

Summary

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

Abstract

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

Introduction

Transições de fase em matéria mole podem alterar a estrutura do andaime, que tem implicações na estabilidade final e processamento do material^1,2,3. A caracterização de materiais macios durante as transições de fase dinâmica fornece informações essenciais sobre a relação entre a evolução estrutural e estrutura de equilíbrio e propriedades reológicas. Por exemplo, muitos produtos de cuidados domiciliários requerem uma mudança de fase durante o uso do consumidor. Além disso, durante a fabricação, etapas de processamento, incluindo diluição e mistura, podem dar cisalhamento que afetam as propriedades reológicas e a microestrutura final do produto. Compreender as propriedades reológicas durante uma mudança de fase garante que o produto executa como projetado. Além disso, se as forças alteram a reologia inicial do material durante a fabricação, transições de fase podem produzir resultados inesperados e indesejados, alterando a função pretendida e a eficácia. No ponto crítico de gelificação, definido como o ponto onde o material transita de uma solução de coloides associados ou polímeros para uma rede de gel de amostra-abrangendo, propriedades do material mudam drasticamente com ligeiras alterações de associação. Qualquer alteração à estrutura no ponto crítico gel pode impactar o produto final⁴. Durante estas transições dinâmicas, materiais macios têm propriedades mecânicas fracas e medições que usam técnicas experimentais clássicas podem ser dentro da medição ruído limite^5,6,7. Para dar conta disto, técnicas tais como microrheology, que é sensível na faixa de baixo módulo (10^-3 – 4 Pa), são usados para caracterizar o gel incipiente fraco durante a evolução dinâmica. Alguns materiais são suscetíveis a alterações na microestrutura devido a forças externas, que apresenta um desafio durante a caracterização, como qualquer transferência de material ou líquido pode afetar a estrutura e, finalmente, as propriedades do material finais. Para evitar alterar a microestrutura do material, nós desenvolvemos um dispositivo microfluidic que pode trocar o fluido em torno de uma amostra ambiental, minimizando o cisalhamento. Trocando o ambiente fluido, mudanças nas propriedades reológicas e microestrutura são medidas durante as transições de fase com a contribuição mínima de cisalhamento. O dispositivo é combinado com múltiplas partículas microrheology (MPT) de rastreamento em uma técnica chamada µ²reologia. Esta técnica é usada para quantificar propriedades materiais durante as mudanças de fase consecutivos de gel em resposta a uma força externa. A técnica será ilustrada usando um fibroso gel coloidal, óleo de rícino hidrogenado (HCO)^9,10,11.

Andaimes de gel podem sofrer alterações em associação e dissociação devido sua amostra ambiente^12,13,14,15. A força motriz para gelificação e degradação são material específico e devem ser adaptados para cada material de interesse. reologia de²µ pode ser usada para caracterizar sistemas de gel que respondem a estímulos externos, incluindo redes colloidal e poliméricas. Alterar o pH, pressão osmótica ou concentração de sal é exemplos de factores que podem induzir alterações na microestrutura da material. Por exemplo, HCO sofre transições de fase controlada através da criação de um gradiente de pressão osmótica. Quando uma amostra de gel HCO concentrada (4 wt % HCO) é mergulhada na água, enfraquecem as forças atrativas entre as partículas coloidais, causando a degradação. Como alternativa, quando uma solução diluída de HCO (0,125 wt % HCO) está em contato com um material hidrófilo (referido como o agente de coagulação e composto principalmente de glicerina e surfactante), a atraente forças para retornar, causando a gelificação. Este gel de sistema será usado para mostrar a operação do dispositivo, como uma ferramenta para medir transições de fases consecutivas em uma única amostra^9,10. Para caracterizar estes andaimes de gel durante transições dinâmicas e a estrutura de gel de incipiente delicado durante a transição de fase crítica, usamos o MPT para caracterizar estes materiais com alta resolução espaço-temporal.

Microrheology é usado para determinar propriedades de gel e estrutura, especialmente durante a transição de crítica, de uma matriz de materiais macios, incluindo géis coloidais e poliméricos^5,6,9,16. MPT é uma técnica passiva microrheological que usa vídeo microscopia para gravar o movimento browniano de partículas de sonda fluorescente incorporado dentro de uma amostra. As posições da partícula em todo os vídeos são precisamente determinadas a dentro 1/10^th de um pixel usando clássica de rastreamento algoritmos^17,18. O ensemble em média deslocamento média-quadrado (MSD, (Δr²(t))) é calculado a partir destas trajetórias de partículas. A MSD está relacionada a propriedades materiais, tais como a conformidade de fluência, usando a relação de Einstein-Stokes generalizado^{17,19,20,21,22, 23}. O estado do material é determinado calculando o declive logarítmico da curva MSD em função do tempo de retardo, α,

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

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

Este dispositivo microfluidic destina-se a investigar as transições críticas de uma amostra de gel único que sofre mudanças de fase em resposta às mudanças no ambiente fluido circundante. O dispositivo troca fluido em torno da amostra quando é sob o estado de gel ou sol bloqueando-se a amostra no lugar para induzir uma transição de fase, minimizando o cisalhamento. Uma solvente bacia está localizada diretamente acima da câmara de amostra, que são ligadas por seis canais de entrada simetricamente espaçados. Essa simetria permite a troca de fluido da bacia do solvente para a câmara de amostra ao criar pressão igual em torno da amostra, trancando-os no lugar. Há vários estudos que usam esta técnica para uma única partícula e interceptação de DNA, mas este trabalho dimensiona o volume de moléculas simples para amostras que são aproximadamente 10 µ l^24,25,26. Este projeto original também permite a caracterização de microrheological em tempo real durante as transições de fase.

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

Protocol

1. a fabricação do dispositivo Microfluidic Fabricação de carimbo microfluidic.Nota: Este passo requer o uso de materiais voláteis e deve ser feito em uma coifa de química. Usar um projeto impresso negativo com as mesmas dimensões que a lâmina de vidro (75 × 50 mm), o branco colorido de canais, e o fundo de cor preta (ver Figura 1). Imprima este desenho em uma folha de acetato clear (transparência) com uma resolução de 1200 dpi. S…

Representative Results

Um dispositivo de duas camadas microfluídicos é construído com PDMS (Figura 1a, b), que é modelado em um selo microfluidic. O desenho do carimbo é mostrado na Figura 1c. Instalação experimental inadequada pode resultar em erros em fluxos de microrheology e microfluidic passivos durante envolvendo troca de fluidos (Figura 2). Exemplos de instalação experiment…

Discussion

O dispositivo de duas camadas microfluidic (Figura 1) pode facilmente ser feito pelos seguintes microfluidic bem-documentado fabricação técnicas²⁹. Suportes de vidro são adicionados à parte inferior do dispositivo para diminuir efeitos vibracionais no movimento da sonda. A lâmina de vidro é muito fino (0.10 mm) a fim de acomodar a distância de trabalho, o objectivo do microscópio. Isto faz com que o dispositivo suscetível a pequenas vibrações no edifício …

Materials

150 x 15 mm Petri Dish	Corning, Inc.	351058
75 x 50 x 0.15 mm glass slide	Fisher Scientific	Custom
75 x 50 x 1.0 mm glass slide	Fisher Scientific	12-550-C
75 x 25 x 1.0 mm glass Slide	Fisher Scientific	12-550-A3
22 x 22 Glass cover slips	Fisher Scientific	12-542-B
Acetone, 99.5%	VWR Analytical	67-64-1
Low intensity UV source	UVP	UVL-56
Chloroform, 99.9%	Fisher Chemical	C298-500
Cotton Swabs	Q-tips	83289205
Ethanol, 90%	Fisher Chemical	A962-4
Fluoresbrite® YG Carboxylate Microspheres 0.50µm	Polysciences, Inc.	15700-10
High-Intensity UV Lamp	Spectroline Corp.	SB-100P
Hot plate	Corning, Inc.	PC-420
Hydrochloric Acid, 6N	Ricca Chemical Company	3750-32
Methyltriethyoxysilane, 98%	Acros Organics	174622500
Microcentrifuge	Eppendorf	5424
Plasma cleaner	Harrick Plasma, Inc.	PDC-32G
Polydimethylsiloxane (PDMS)	Robert McKwown Company	2065622
Sonicator	Branson, Emerson Electric	1800
Steel connectors, ID 0.023 inch	New England Small Tube Corp.	Custom
Tetraethoxysilane, 98%	Alfa Aesar	A14965
Thiol-ene Resin (UV curable)	Norland Products, Inc.	NOA81
Transparency	Staples Inc.	21828
Tygon tubing, ID 1/32 inch	McMaster-Carr	E-3603
Vacuum oven	Fisher Scientific	282A
Biopsy punch 8 mm	World Precision Instruments	504535
Bioposy punch 0.5 mm	World Precision Instruments	504528
Syringe, 30 mL	BD	309659
Syringe, 3 mL	BD	309651
Needle, 18 gauge	BD	305195
Microcentrifuge tube, 1.5 mL	Eppendorf	22-36-320-4
High-speed Camera	Vision Research	Miro M120
Microscope	Carl Zeiss AG	Zeiss Observer, Z1
Syringe pump	New Era Pump Systems	NE-300
Hydrogenated castor oil	Procter & Gamble	N/A
Afício MP 6002 Printer	Ricoh Company, Ltd.	415877