Combinatie van Microfluidics en Microrheology om te bepalen de Rheologische eigenschappen van zachte materie tijdens herhaalde fase-overgangen

Summary

We laten zien dat de fabricage en het gebruik van een microfluidic apparaat waarmee meerdere deeltje bijhouden microrheology afmetingen om te bestuderen van de reologische effecten van herhaalde fase-overgangen op zachte materie.

Abstract

De microstructuur van zachte materie rechtstreeks invloed op macroscopische Rheologische eigenschappen en kan worden gewijzigd door factoren met inbegrip van colloïdale omlegging tijdens vorige fase veranderingen en schuintrekken toegepast. Om te bepalen van de omvang van deze veranderingen, hebben we een microfluidic apparaat dat hiermee herhaald fase-overgangen geïnduceerd door uitwisseling van de omliggende vloeistof en microrheological karakterisatie terwijl het beperken van de afschuiving van de steekproef. Deze techniek is µ²reologie, de combinatie van microfluidics en microrheology. Het microfluidic-apparaat is een twee-laag ontwerp met symmetrische inlaat stromen een monsterkamer waarmee het gel monster in plaats tijdens vloeistof uitwisseling invoeren. Zuig toepasbaar zijn ver weg van de monsterkamer om te trekken van vloeistoffen in de monsterkamer. Rheologische eigenschappen van het materiaal worden gekarakteriseerd met behulp van meerdere deeltje bijhouden van microrheology (MPT). In MPT, fluorescente sonde deeltjes zijn ingebed in het materiaal en de Brownse beweging van de sondes is opgenomen met behulp van videomicroscopie. De beweging van de deeltjes wordt bijgehouden en de verplaatsing van gemiddelde van het kwadraat (MSD) wordt berekend. De MSD is gerelateerd aan macroscopische Rheologische eigenschappen, met behulp van de Generalized Stokes-Einstein relatie. De fase van het materiaal in vergelijking tot de kritische ontspanning exponent is aangeduid, bepaald met behulp van tijd-cure superpositie. Metingen van een vezelige colloïdale gel illustreren het nut van de techniek. Deze gel heeft een fijne structuur die onherroepelijk kan worden gewijzigd wanneer schuintrekken wordt toegepast. µ²reologie gegevens blijkt dat het materiaal herhaaldelijk equilibrates naar de dezelfde Rheologische eigenschappen na elke faseovergang, die aangeeft dat fase-overgangen niet een rol in microstructurele veranderingen spelen. Om te bepalen van de rol van shear, kunnen monsters worden schuingetrokken vóór injectie in onze microfluidic-apparaat. µ²reologie is een breed toepasbaar techniek voor de karakterisering van zachte materie waardoor de bepaling van Rheologische eigenschappen van delicate microstructuren in één sample tijdens fase-overgangen in antwoord op herhaalde veranderingen in de omringende milieu-omstandigheden.

Introduction

Fase-overgangen in zachte materie kunnen wijzigen de structuur van de steiger, hetgeen zijn weerslag in de verwerking en definitieve stabiliteit van het materiaal^{1,2,3 heeft}. De karakterisering van zachte materialen tijdens dynamische fase-overgangen bevat essentiële informatie over de relatie tussen structurele evolutie en evenwicht structuur en reologische eigenschappen. Bijvoorbeeld, vereisen veel thuiszorg producten een fase verandering tijdens gebruik door de consument. Ook tijdens de fabricage, kan verwerking van stappen, met inbegrip van verdunning en vermenging, schuintrekken beïnvloeden de Rheologische eigenschappen en de uiteindelijke microstructuur van het product geven. Inzicht in de Rheologische eigenschappen in een fase verandering zorgt ervoor dat het product wordt uitgevoerd zoals ontworpen. Bovendien als krachten de startende reologie van het materiaal tijdens het productieproces wijzigt, fase-overgangen kunnen onverwachte en ongewenste resultaten opleveren, veranderen de beoogde functie en doeltreffendheid. Op het punt van de kritische gelering, gedefinieerd als het punt waar het materiaal van een oplossing van de bijbehorende colloïden of polymeren met een monster-spanning gel netwerk overgangen, materiaaleigenschappen drastisch veranderen met lichte wijzigingen aan vereniging. Elke wijziging van de structuur op het punt van de kritische gel kan invloed hebben op het eindproduct⁴. Tijdens deze dynamische overgangen, zachte materialen hebben zwakke mechanische eigenschappen en metingen die gebruikmaken van klassieke experimentele technieken kunnen worden binnen de meting lawaai limiet^5,6,7. Voor deze, technieken zoals microrheology, die gevoelig is in het lage moduli bereik (10^-3 – 4 Pa), worden gebruikt voor het karakteriseren van de zwakke beginnende gel tijdens dynamische evolutie. Sommige materialen zijn gevoelig voor veranderingen in de microstructuur als gevolg van externe krachten, die een uitdaging tijdens karakterisering, zoals elke overdracht van materiaal of vloeistof kan invloed hebben op de structuur en, uiteindelijk, de uiteindelijke eigenschappen van het materiaal. Om te voorkomen dat de materiële microstructuur te veranderen, hebben we een microfluidic apparaat die het milieu vloeistof rond een steekproef uitwisselen kunt terwijl het minimaliseren van shear. Door de vloeistof milieu uit te wisselen, worden wijzigingen in Rheologische eigenschappen en microstructuur gemeten tijdens fase-overgangen met minimale bijdragen van shear. Het apparaat wordt gecombineerd met meerdere deeltjes bijhouden van microrheology (MPT) in een techniek genaamd µ²reologie. Deze techniek wordt gebruikt voor het kwantificeren van materiaaleigenschappen tijdens opeenvolgende fase wijzigingen van een gel in reactie op een externe drijvende kracht. De techniek wordt geïllustreerd met behulp van een vezelige colloïdale gel, gehydrogeneerde ricinusolie (HCO)^9,10,11.

Gel steigers kunnen ondergaan veranderingen in associatie en dissociatie als gevolg van hun monster milieu^12,13,14,15. De drijvende kracht voor gelering en afbraak specifieke materiaal zijn en moeten worden aangepast voor elk materiaal van belang. µ²reologie kan worden gebruikt voor het karakteriseren van gel systemen die op externe prikkels reageren, met inbegrip van colloïdale en polymere netwerken. Wijziging van de pH, osmotische druk of zoutconcentratie zijn voorbeelden van de drijvende krachten die de veranderingen in de materiële microstructuur kunnen veroorzaken. Bijvoorbeeld, ondergaat HCO gecontroleerde fase-overgangen door het creëren van een verloop van de osmotische druk. Als een geconcentreerde HCO gel monster (4 wt % HCO) is ondergedompeld in water, verzwakken de aantrekkelijke krachten tussen colloïdale deeltjes, achteruitgang veroorzaakt. Als alternatief, wanneer een verdunde oplossing van HCO (0,125 wt % HCO) contact wordt opgenomen met een hydrofiele materiaal (hierna aangeduid als de Geleermiddel en samengesteld uit meestal glycerine en oppervlakteactieve stof), de aantrekkelijke gedwongen terugkeer, gelering veroorzaakt. Dit gel systeem zal worden gebruikt om de werking van het apparaat als een instrument voor het meten van de opeenvolgende fase-overgangen op een monster^9,10. Karakteriseren deze gel steigers tijdens dynamische overgangen en de delicate beginnende gel structuur tijdens de kritieke fase-overgang, gebruiken we MPT te karakteriseren deze materialen met hoge spatio-temporele resolutie.

Microrheology wordt gebruikt om de eigenschappen van de gel en structuur, met name op de kritische overgang, van een matrix van zachte materialen, met inbegrip van colloïdale en polymere gels^5,,^6,,^9,16te bepalen. MPT is een passieve microrheological-techniek die gebruikt videomicroscopie naar record de Brownse beweging van fluorescente sonde deeltjes ingebed in een steekproef. De posities van de deeltjes in de video’s zijn het juist vastbesloten om binnen 1/10^th van een pixel met klassieke algoritmen^17,18bijhouden. Het ensemble gemiddeld verplaatsing gemiddelde van het kwadraat (MSD, (Δr²(t))) wordt berekend op basis van deze trajecten deeltje. De MSD is gerelateerd aan de eigenschappen van het materiaal, zoals de kruip naleving, gebruik van de Generalized Stokes-Einstein relatie^{17,19,20,21,22, 23}. De staat van het materiaal wordt bepaald door berekening van de logaritmische helling van de MSD-curve als een functie van de vertragingstijd, α,

t is waar de vertragingstijd, en vergelijken met de kritieke ontspanning exponent, n. n is bepaald met behulp van tijd-cure superpositie, een goed gedocumenteerde techniek die werd gewijzigd om MPT gegevens te analyseren door Larsen en Furst⁶. Door vergelijking van n naar α is de staat van het materiaal kwantitatief bepaald. Als α > n het materiaal is een sol, en wanneer α < n het materiaal is een gel. Vorige werk heeft het HCO-systeem met behulp van microrheology om te bepalen van de kritische ontspanning exponent⁹gekenmerkt. Met behulp van deze informatie, bepalen wij precies wanneer het materiaal overgangen van een gel een Sol tijdens een experiment. Bovendien, kan de niet-Gaussiaans parameter, α_NG, worden berekend om te bepalen van de omvang van de structurele heterogeniteit van een systeem,

waar is Δx(t) de beweging van de eendimensionale deeltje in de x -richting. Met behulp van MPT, kunnen wij een enkele fase-overgang karakteriseren, maar door het karakteriseren van materialen met MPT in een microfluidic apparaat, zijn wij in staat om te manipuleren van de vloeistof omgeving en gegevens verzamelen van verschillende fase-overgangen van een steekproef van enkele gel.

Dit microfluidic apparaat is ontworpen voor het onderzoeken van de kritische overgangen van een steekproef van enkele gel die fase veranderingen in reactie op veranderingen in de omgeving van de vloeistof ondergaat. De uitwisseling van apparaat vloeistof rondom het monster wanneer it’s either in de gel of sol staat door het blokkeren van het monster in plaats voor het opwekken van een faseovergang terwijl het minimaliseren van shear. Een oplosmiddel bekken bevindt zich direct boven de monsterkamer, die zijn verbonden door zes symmetrisch verdeelde inlaat kanalen. Deze symmetrie zorgt voor de uitwisseling van de vloeistof uit het oplosmiddel bekken aan de monsterkamer terwijl het creëren van gelijke druk rond het monster, locken in plaats. Zijn er verschillende studies die deze techniek voor één deeltje en DNA overlapping gebruiken, maar dit werk Hiermee schaalt u het volume van afzonderlijke moleculen aan samples die ongeveer 10 µL^24,25,26. Dit unieke ontwerp kunt ook real-time microrheological karakterisering tijdens fase-overgangen.

µ²reologie is een robuuste techniek die geldt voor veel zachte materie systemen. De techniek die in dit artikel wordt beschreven is ontworpen voor colloïdale gels, maar het kan gemakkelijk worden aangepast aan andere materialen zoals polymeer of micellaire oplossingen. Met deze techniek, wij bepalen niet alleen hoe faseovergangen invloed zijn op de materiaaleigenschappen van evenwicht, maar ook hoe verschillende stappen kunnen hebben blijvende gevolgen voor de Rheologische evolutie van het materiaal en de structuur van de definitieve steiger en Eigenschappen.

Protocol

1. fabricage van het Microfluidic-apparaat Microfluidic stempel fabricage.Opmerking: Deze stap vereist het gebruik van vluchtige materialen en moet gebeuren in een chemische zuurkast. Gebruik een negatieve gedrukte ontwerp met dezelfde afmetingen als het glasplaatje (75 × 50 mm), de kanalen wit gekleurd, en de achtergrond kleur zwart (Zie Figuur 1). Dit ontwerp op een duidelijke acetaat vel (transparantie) met een resolutie van 1200 dpi afdrukken….

Representative Results

Een twee-lagen microfluidic-apparaat wordt geconstrueerd met PDMS (Figuur 1a, b), die is patroon op een postzegel microfluidic. Het ontwerp van de stempel is afgebeeld in Figuur 1c. Onjuiste experimentele opstelling kan leiden tot zowel in fouten in passieve microrheology en microfluidic-stromen gedurende de omringende vloeistof exchange (Figuur 2). Voorbeelden van o…

Discussion

Het twee-laag microfluidic apparaat (Figuur 1) kan gemakkelijk worden gemaakt door de volgende goedgedocumenteerde microfluidic fabricage technieken²⁹. Glas ondersteunt worden toegevoegd aan de onderzijde van het apparaat te verminderen vibrationele gevolgen voor verkeer van de sonde. Het glasplaatje is zeer dunne (0,10 mm) om de afstand van de Microscoop doelstelling tegemoet te komen. Dit maakt het apparaat gevoelig voor kleine trillingen in de bouw en de voorbeeldo…

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