Microfluidics og Microrheology for å finne reologiske egenskapene til myk saken under gjentatt fase overganger

Summary

Viser vi fabrikasjon og bruk av en microfluidic enhet som gjør at flere partikkel sporer microrheology mål for å studere reologiske effekten av gjentatt fase overganger i myk saken.

Abstract

Mikrostruktur myk saken direkte påvirker makroskopisk reologiske egenskaper og kan endres av faktorer, inkludert kolloidalt omorganisering under forrige faseendringer og brukt skjær. For å fastslå omfanget av disse endringene, har vi utviklet en microfluidic enhet som kan gjentas fase overganger av utveksling av omkringliggende væske og microrheological karakterisering samtidig skjær på prøven. Denne teknikken er µ²Reologi, kombinasjonen av microfluidics og microrheology. Microfluidic enheten er en to-lags design med symmetrisk innløp strømmer inn en prøve kammer som feller gel prøven på plass under fluid bytte. Sug kan brukes langt fra prøven kammer å trekke væsker i prøven kammeret. Reologiske materialegenskaper kjennetegnes ved hjelp av flere partikkel sporing microrheology (MPT). I MPT, fluorescerende sonde partikler er innebygd i materialet og Brownsk bevegelse sonder registreres bruker video mikroskopi. Bevegelsen av partikler spores og betyr-squared forskyvning (MSD) beregnes. MSD er knyttet til makroskopisk reologiske egenskaper, bruk av generalisert Stokes-Einstein forholdet. Fasen av materialet er identifisert sammenligning til kritisk avslapning eksponenten, bestemmes ved hjelp av tid-cure superposisjon. Målinger av en fibrøs kolloidalt gel illustrerer nytten av teknikken. Denne gel har en delikat struktur som kan endres irreversibelt når skjær brukes. µ²Reologi data viser at materialet gjentatte ganger equilibrates til samme reologiske egenskaper etter hver fase overgang, indikerer at fase overganger ikke spiller en rolle i microstructural endres. For å bestemme rollen skjær, kan prøver være skåret før injeksjon i vår microfluidic enheten. µ²Reologi er en allment gjeldende teknikk for karakterisering av myk saken slik at fastsetting av reologiske egenskapene til delikate microstructures i en enkelt prøve under fase overganger som svar på gjentatte endringer i det rundt miljøforhold.

Introduction

Fase overganger i myk saken kan endre stillaset strukturen, som har konsekvenser i den materielle^1,2,3og stabilitet. Karakterisering av myke materialer under dynamisk fase overganger gir viktig informasjon om forholdet mellom strukturelle utviklingen og likevekt struktur og reologiske egenskaper. Mange hjem produkter krever for eksempel en fase-endring under forbruker. Også under produksjon, kan behandlingstrinn, inkludert fortynning og miksing, formidle skjær påvirker reologiske egenskaper og endelige mikrostruktur av produktet. Forstå egenskapene reologiske gjennom en fase-endring sikrer at produktet utfører som designet. I tillegg hvis styrker endrer start Reologi materialet under produksjon, kan fase overganger gi uventede og uønskede resultater, endre tiltenkte funksjonen og effektivitet. Det kritiske gelation punktet, definert som punktet hvor materialet overganger fra en løsning av tilknyttede kolloider eller polymerer til eksempel-spenner gel nettverk, endre materialegenskaper drastisk med små endringer til foreningen. Endringer i strukturen i kritiske gel punktet kan påvirke sluttproduktet⁴. Under disse dynamiske overganger, myke materialer har svak mekaniske egenskaper og mål som bruker klassisk eksperimentelle teknikker kan være innen måling støy grense^5,6,7. Å ta hensyn til dette, teknikker som microrheology, som er følsomme i området lav moduli (10^-3 – 4 Pa), brukes til å beskrive svake begynnende gel under dynamisk utvikling. Noen materialer er utsatt for endringer i mikrostruktur på grunn av ytre krefter, som presenterer en utfordring under karakterisering, som noen overføring av materiale eller væske kan påvirke strukturen og til slutt, de siste materialegenskaper. For å unngå å endre den materielle mikrostrukturen, har vi utviklet en microfluidic enhet som kan utveksle miljømessige væske rundt et utvalg samtidig minimere skjær. Utveksle væske miljøet, er endringer i reologiske egenskaper og mikrostruktur målt under fase overganger med minimal bidrag fra skjær. Enheten er kombinert med flere partikkel sporing microrheology (MPT) i en teknikk som kalles µ²Reologi. Denne teknikken brukes å kvantifisere materialegenskaper under påfølgende faseendringer av en gel som svar på en ekstern drivkraften. Teknikken vil bli belyst med en fibrøs kolloidalt gel, hydrogenert ricinusolje (HCO)^9,10,11.

Gel stillaser kan gjennomgå endringer i foreningen og dissosiasjon på grunn av deres eksempel miljø^12,13,14,15. Drivkraften for gelation og fornedrelse materiale bestemt og må være skreddersydd for hvert materiale rundt. µ²Reologi kan brukes til å beskrive gel systemer som svare på eksterne stimuli, inkludert kolloidalt og polymere nettverk. Endre pH, osmotisk trykk eller saltkonsentrasjon er eksempler på drivkreftene som kan skape den materielle mikrostrukturen. For eksempel gjennomgår HCO kontrollert fase overganger ved å opprette en osmotisk trykk gradering. Når en konsentrert HCO gel prøve (4 wt % HCO) er neddykket i vann, svekke de attraktive styrkene mellom kolloidalt partikler, forårsaker nedbrytning. Alternativt, når en fortynnet løsning av HCO (0.125 wt % HCO) er kontaktet med en hydrofile materiale (referert til som gelling agent og består av hovedsakelig glyserin og surfactant), den attraktive styrker tilbake, forårsaker gelation. Gel systemet brukes til å vise drift av enheten som et verktøy for å måle påfølgende fasen overganger på en enkelt prøve^9,10. For å karakterisere disse gel stillaser under dynamiske overganger og delikat begynnende gel strukturen på kritiske fasen overgangen, bruker vi MPT for å karakterisere disse materialene med spatio-temporale høyoppløselig.

Microrheology brukes til å bestemme gel egenskaper og struktur, spesielt på kritiske overgangen, til en rekke myke materialer, inkludert kolloidalt og polymere gels^5,6,9,16. MPT er en passiv microrheological teknikk som bruker video mikroskopi posten Brownsk bevegelse fluorescerende sonde partikler som er innebygd i et utvalg. Partikkel stillingene gjennom videoene er nettopp bestemt til innen 1/10^th av en piksel med klassisk sporing algoritmer^17,18. Ensemblet gjennomsnitt betyr-squared forskyvning (MSD, (Δr²(t))) er beregnet fra disse partikkel baner. MSD er knyttet til materielle egenskapene, for eksempel krype etterlevelse, bruker de generalisert Stokes-Einstein forhold^{17,19,20,21,22, 23}. Delstaten materialet bestemmes ved å beregne logaritmisk skråningen av MSD kurven som en funksjon av oppholdstid, α,

hvor t er forsinkelse, og sammenligne den kritiske avslapning eksponenten n. n bestemmes ved hjelp av tid-cure superposisjon, en godt dokumentert teknikk som ble endret for å analysere MPT data av Larsen og Furst⁶. Sammenligning av n til α bestemmes delstaten materialet kvantitativt. Når α > n materialet er en sol, og når α < n materialet er en gel. Tidligere arbeid har preget HCO systemet bruker microrheology til å bestemme kritisk avslapning eksponent⁹. Bruker denne informasjonen, finne vi nøyaktig når materialet overganger fra en gel til en sol under et eksperiment. I tillegg kan ikke-Gaussian parameteren α_NG, beregnes for å fastslå omfanget av strukturelle heterogenitet av systemet,

der Δx(t) er endimensjonale partikkel bevegelsen i x -retningen. Bruker MPT, kan vi beskrive en enkelt fase overgang, men overvåker materialer med MPT i en microfluidic enhet, er vi i stand til å manipulere flytende omgivelsene og samle inn data på flere fase overganger på et enkelt gel utvalg.

Microfluidic enheten er utformet for å undersøke viktige overganger i en enkelt gel utvalg som gjennomgår faseendringer i respons på endringer i væske omgivelsene. Enheten erstatter væske rundt prøven når det er enten i gel eller sol ved å låse prøven å indusere en fase overgang samtidig minimere skjær. En løsemiddel bassenget ligger rett ovenfor prøve kammeret, som er forbundet med seks symmetrisk linjeavstand inntak kanaler. Denne symmetri tillater utveksling av væske fra løsemiddel bassenget til prøve chamber under oppretting av like trykket rundt prøven, låse den på plass. Det har vært flere studier som bruker denne teknikken for enkelt partikkel og DNA overtrykk, men dette arbeidet skalerer opp volumet fra enkelt molekyler prøver som er ca 10 µL^24,25,26. Denne unike design gjør det også mulig for sanntids microrheological karakterisering under fase overganger.

µ²Reologi er en robust teknikk som gjelder for mange myk saken systemer. Teknikken er beskrevet i dette dokumentet ble utviklet for kolloidalt gels, men det kan lett tilpasses andre materialer som polymer eller micellar løsninger. Med denne teknikken, vi bestemmer ikke bare hvordan fase overganger påvirke egenskapene likevekt materiale, men også hvordan ulike behandlingstrinnene kan ha varige effekter på reologiske utviklingen av materialet og den endelige stillas strukturen og egenskaper.

Protocol

1. fabrikasjon av Microfluidic enheten Microfluidic stempel fabrikasjon.Merk: Dette trinnet krever bruk av flyktige materialet og bør gjøres i kjemisk avtrekksvifte. Bruk en negativ trykte design med samme dimensjoner som objektglass (75 × 50 mm), kanaler farget hvit, og bakgrunnen farget svart (se figur 1). Skriv ut denne design et klart acetate ark (gjennomsiktighet) med en oppløsning på 1200 dpi. Hvis den mørke delen av gjennomsiktig…

Representative Results

En to-lagdelt microfluidic enhet er konstruert med PDMS (figur 1, b), som er inspirert microfluidic stempel. Utformingen av stempelet er vist i figur 1c. Uriktig eksperimentelle oppsett kan resultere i feil i passiv microrheology og microfluidic strømmer under rundt fluid bytte (figur 2). Eksempler på uriktig eksperimentelle oppsett er detaljert under diskusjon. Un…

Discussion

To-lags microfluidic enheten (figur 1) kan lett gjøres ved følgende veldokumenterte microfluidic fabrikasjon teknikker²⁹. Glass støtter legges til bunnen av enheten å redusere vibrasjonsmedisin effekter på sonde bevegelse. Av objektglass er svært tynn (0,10 mm) for å imøtekomme arbeidsavstand av mikroskopet målet. Dette gjør enheten utsatt for små vibrasjoner i bygningen og prøve miljø som er deretter målt med høy hastighet kameraet. Glass støtter opph…

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