Kombinere mikrofluidik og Microrheology for at bestemme rheologiske egenskaber af blødt stof under gentagne faseovergange

Summary

Vi demonstrere fabrikation og brug af en mikrofluid enhed, der giver mulighed for flere partikel sporing microrheology målinger for at studere de rheologiske virkningerne af gentagen faseovergange i blød sag.

Abstract

Mikrostruktur af bløde sagen direkte påvirker makroskopisk rheologiske egenskaber og kan ændres af faktorer, herunder kolloid omlejring under forrige fase ændringer og anvendt shear. For at bestemme omfanget af disse ændringer, har vi udviklet en mikrofluid enhed at muliggør gentages faseovergange induceret af udveksling af de omkringliggende væske og microrheological karakterisering samtidig begrænse shear på prøve. Denne teknik er µ²reologi, kombinationen af mikrofluidik og microrheology. Enhedens mikrofluid er en to-lag design med symmetrisk inlet strømme ind i en stikprøve kammer, der fælder gel prøven på plads under væske udveksling. Sugning kan anvendes langt væk fra prøve salen at trække væske ind i prøve salen. Materielle rheologiske egenskaber er karakteriseret ved hjælp af flere partikel tracking microrheology (MPT). I MPT, fluorescerende sonde partikler er indlejret i materialet og Brownske bevægelser af sonderne er optaget med video mikroskopi. Bevægelsen af partikler er sporet og den betyde-squared forskydning (MSD) beregnes. MSD er relateret til makroskopisk rheologiske egenskaber, ved hjælp af relationen generaliseret Stokes-Einstein. Fase af materialet, der er identificeret i forhold til den kritiske afslapning eksponent, bestemmes ved hjælp af tid-kur superposition. Målinger af et fibrøst kolloid gel illustrerer nytten af teknikken. Denne gel har en delikat struktur, der kan blive uigenkaldeligt ændret når shear anvendes. µ²reologi data viser, at materialet gentagne gange afbalanceres til de samme rheologiske egenskaber efter hver fase overgang, der angiver, at faseovergange ikke spiller en rolle i mikrostrukturanalyse ændringer. For at fastslå rollen af shear, kan prøver forskydes inden injektionen i vores mikrofluid enhed. µ²reologi er et almindeligt gældende teknik til karakterisering af bløde stof gør det muligt for bestemmelse af rheologiske egenskaber for sarte mikrostrukturer i en enkelt prøve under faseovergange i svar til gentagne ændringer i det omkring miljøforhold.

Introduction

Faseovergange i blød sag kan ændre stillads struktur, som har konsekvenser i forarbejdning og endelige stabiliteten af materielle^1,2,3. Karakterisering af bløde materialer under dynamiske faseovergange giver væsentlige oplysninger om forholdet mellem strukturelle udvikling og ligevægt struktur og rheologiske egenskaber. For eksempel, kræver mange hjemmepleje produkter en ændring af fase under forbrugernes brug. Også, under fremstillingen, trin til behandling, herunder fortynding og blanding, kan give shear påvirker de rheologiske egenskaber og endelige mikrostruktur af produktet. Forstå de rheologiske egenskaber i hele en fase ændring sikrer, at produktet fungerer som designet. Desuden, hvis styrker ændre den start reologi af materialet under fremstillingen, kan faseovergange give uventede og uønskede resultater, ændre den påtænkte funktion og effektivitet. På det kritiske gellation punkt, defineret som det tidspunkt, hvor materialet overgange fra en opløsning af forbundet kolloider eller polymerer til en prøve-spænder gel netværk, ændre materialeegenskaber drastisk med små ændringer til foreningen. Enhver ændring af strukturen på punktet, kritiske gel kan påvirke slutproduktet⁴. Under disse dynamiske overgange, bløde materialer har svage mekaniske egenskaber og målinger, der bruger klassisk eksperimentelle teknikker kan være inden for måling støj limit^5,6,7. For at tage højde for dette, teknikker som microrheology, som er følsomme i rækken lav moduli (10^-3 – 4 Pa), der bruges til at karakterisere den svagt begyndende gel under dynamisk udvikling. Nogle materialer er modtagelige over for ændringer i mikrostrukturen på grund af eksterne kræfter, som udgør en udfordring under karakterisering, som enhver overførsel af materiale eller væske kan påvirke strukturen og i sidste ende de endelige materialeegenskaber. For at undgå at ændre de materielle mikrostruktur, har vi udviklet en mikrofluid enhed, der kan udveksle miljømæssige væsken omkring en prøve samtidig minimere shear. Ved at udveksle væske miljø, måles ændringer i rheologiske egenskaber og mikrostruktur under faseovergange med minimal bidrag fra shear. Enheden er kombineret med flere partikel tracking microrheology (MPT) i en teknik kaldet µ²reologi. Denne teknik bruges til at kvantificere materialeegenskaber under træk fase ændringer af en gel som svar på en ekstern drivende kraft. Teknikken vil blive illustreret ved hjælp af et fibrøst kolloid gel, hydrogeneret ricinusolie (HCO)^9,10,11.

Gel stilladser kan undergå ændringer i association og dissociation på grund af deres prøve miljøet^12,13,14,15. Den drivende kraft for gellation og nedbrydning er materiale bestemt og skal skræddersys for hvert materiale af interesse. µ²reologi kan bruges til at karakterisere gel-systemer, der reagerer på eksterne stimuli, herunder kolloid og polymere netværk. At ændre pH, osmotisk tryk eller saltkoncentration er eksempler på drivkræfter, der kan fremkalde ændringer i den materielle mikrostruktur. For eksempel gennemgår HCO kontrolleret faseovergange ved at oprette en osmotisk trykgradient. Når en koncentreret HCO gel prøve (4 wt % HCO) er nedsænket i vand, svække de attraktive kræfter mellem kolloide partikler, forårsager nedbrydning. Alternativt, når en fortyndet opløsning af HCO (0,125 wt % HCO) er kontaktet med en hydrofil materiale (omtales som den anvendte agars agent og består af det meste glycerin og overfladeaktivt stof), den attraktive kræfter tilbage, forårsager gellation. Denne gel system vil blive brugt til at vise drift af enheden som et værktøj til måling af træk faseovergange på en enkelt prøve^9,10. For at karakterisere disse gel stilladser under dynamiske overgange og delikat begyndende gel struktur på den kritiske fase overgang, bruger vi MPT for at karakterisere disse materialer med høj spatio-temporal opløsning.

Microrheology bruges til at bestemme gel egenskaber og struktur, især i den kritiske overgangen af en bred vifte af bløde materialer, herunder kolloid og polymere geler^5,6,9,16. MPT er en passiv microrheological teknik, der bruger video mikroskopi til post Brownske bevægelser af fluorescerende sonde partikler er indlejret i en prøve. Partikel positioner i hele videoer bestemmes netop til inden 1/10^th af en pixel ved hjælp af klassisk tracking algoritmer^17,18. Ensemblet i gennemsnit betyde-squared deplacement (MSD, (Δf²(t))) beregnes ud fra disse partikel baner. MSD er relateret til materialeegenskaber, såsom krybe compliance, ved hjælp af den generaliserede Stokes-Einstein Relation^{17,19,20,21,22, 23}. Tilstanden af materialet bestemmes ved beregning af logaritmisk hældningen af MSD kurve som en funktion af tidsforsinkelsen, α,

hvor t er den mellemliggende tid, og sammenligne det med den kritiske afslapning eksponent, n. n bestemmes ved hjælp af tid-kur superposition, en veldokumenteret teknik, der blev ændret for at analysere MPT data af Larsen og Furst⁶. Ved sammenligning af n til α er tilstand af materialet kvantitativt bestemmes. Når α > n materialet, der er en sol, og Hvornår α < n materialet, der er en gel. Tidligere arbejde har karakteriseret den HCO system bruger microrheology til at bestemme den kritiske afslapning eksponent⁹. Brug af denne information, afgøre vi netop hvornår materialet overgange fra en gel til en sol under et eksperiment. Derudover kan ikke-Gaussisk parameter, α_NG, beregnes til at bestemme omfanget af strukturelle heterogenitet af et system,

hvor Δx(t) er den endimensionale partikel bevægelse i x -retning. Ved hjælp af MPT, vi kan karakterisere en enkelt fase overgang, men ved kendetegner materialer med MPT i en mikrofluid enhed, vi er i stand til at manipulere flydende omgivelserne og indsamle data af flere faseovergange på en enkelt gel prøve.

Denne mikrofluid enhed er designet til at undersøge de kritiske overgange i en enkelt gel stikprøve, der undergår ændringer i fasen som svar på ændringer i det omgivende væske miljø. Enheden udvekslinger væsken omkring prøven, når det er enten i tilstanden gel eller sol ved at låse udsnit til at fremkalde en fase overgang samtidig minimere shear. En solvent bassinet er placeret direkte over prøve salen, som er forbundet af seks symmetrisk fordelte inlet kanaler. Denne symmetri giver mulighed for udveksling af væske fra opløsningsmidler bassinet til prøve salen samtidig skabe lige pres omkring prøven, låse det på plads. Der har været flere undersøgelser, der bruger denne teknik for enkelt partikel og DNA diffusering, men dette arbejde kan skaleres op for lydstyrken fra enkelt molekyler til prøver, der er ca 10 µL^24,25,26. Dette unikke design giver også mulighed for real-time microrheological karakterisering under faseovergange.

µ²reologi er en robust teknik, der er gældende for mange bløde sagen systemer. Den teknik, der er beskrevet i denne hvidbog var designet til kolloid geler, men det kan nemt tilpasses andre materialer såsom polymer eller micellar løsninger. Med denne teknik, vi afgøre, ikke bare hvordan faseovergange påvirke ligevægt materialeegenskaber, men også hvordan forskellige behandlingstrin kan få varige virkninger på de rheologiske evolution af materialet og den endelige stillads struktur og egenskaber.

Protocol

1. fremstilling af mikrofluid-enhed Mikrofluid stempel fabrikation.Bemærk: Dette trin kræver brug af flygtige materialer og bør ske i en kemisk stinkskab. Bruge en negativ trykte design med samme dimensioner som glas dias (75 × 50 mm), kanaler farvet hvid, og baggrunden farvet sort (Se figur 1). Udskriv dette design på en klart acetat ark (gennemsigtighed) med en opløsning på 1200 dpi. Hvis den mørke del af gennemsigtighed stadig till…

Representative Results

En to-lags mikrofluid enheden er konstrueret med PDMS (figur 1a, b), som er mønstret på et mikrofluid stempel. Udformning af frimærket er vist i figur 1c. Forkert eksperimentel opsætning kan resultere både i fejl i passiv microrheology og mikrofluid flyder under omkring væske udveksling (figur 2). Eksempler på forkert eksperimentel opsætning er nærmere beskr…

Discussion

To-lags mikrofluid enhed (figur 1) kan gøres nemt ved følgende veldokumenteret mikrofluid fabrication teknikker²⁹. Glas understøtter føjes til bunden af enheden for at formindske vibrationelle effekter på sonden bevægelse. Glas dias er meget tynd (0,10 mm) for at imødekomme arbejde afstand af mikroskop mål. Dette gør enheden modtagelige for små vibrationer i bygning og prøve miljøet, der måles derefter med høj hastighed kameraet. Glas understøtter neger…

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