La combinación de la microfluídica y Microrheology para determinar las propiedades reológicas de materia blanda durante las transiciones de fase repetido

Summary

Demostramos la fabricación y el uso de un dispositivo de microfluidos que permite múltiples partículas seguimiento medidas de microrheology para estudiar los efectos reológicos de transiciones de fase repetidos sobre materia blanda.

Abstract

La microestructura de la materia blanda directamente afecta las propiedades reológicas macroscópicas puede modificarse por factores como el cambio coloidal durante los cambios de la fase anterior y aplicado corte. Para determinar la magnitud de estos cambios, hemos desarrollado un dispositivo de microfluidos que permite repetir las transiciones de fase inducidas por el cambio de la caracterización de fluidos y microrheological circundante limitando esquileo en la muestra. Esta técnica es μ²reología, la combinación de la microfluídica y microrheology. El dispositivo de microfluidos es un diseño de dos capas con streams de entrada simétrica que entra en una cámara de muestra que atrapa a la muestra de gel en su lugar durante el intercambio de fluidos. Succión puede aplicarse lejos de la cámara de muestra para extraer fluidos en la cámara de muestras. Propiedades reológicas de los materiales se caracterizan mediante rastreo microrheology (MPT) de múltiples partículas. En el MPT, las partículas de la sonda fluorescente están incrustadas en el material y el movimiento browniano de las sondas se registra usando microscopia video. Se realiza un seguimiento del movimiento de las partículas y se calcula el desplazamiento de media-squared (MSD). MSD se relaciona con propiedades reológicas macroscópicas, utilizando a la relación de Stokes-Einstein generalizada. La fase del material se identifica por la comparación al exponente crítico relajación, determinó la superposición del tiempo de curación. Las mediciones de un gel coloidal fibroso ilustran la utilidad de la técnica. Este gel tiene una estructura delicada que puede ser irreversiblemente cuando se aplica el corte. μ²reología datos muestran que el material se equilibra repetidamente a las mismas propiedades reológicas después de cada transición de fase, lo que indica que las transiciones de fase no desempeñar un papel en los cambios microestructurales. Para determinar el papel de la corte, las muestras pueden ser esquiladas antes de la inyección en nuestro dispositivo de microfluidos. μ²reología es una técnica extensamente aplicable para la caracterización de materia blanda lo que permite la determinación de las propiedades reológicas de microestructuras delicados en una sola muestra durante las transiciones de fase en respuesta a cambios repetidos en la las condiciones ambientales circundantes.

Introduction

Transiciones de fase en materia blanda pueden cambiar la estructura del andamio, que tiene implicaciones en la estabilidad final y procesamiento de los materiales^1,2,3. La caracterización de los materiales blandos durante las transiciones de la fase dinámica proporciona información esencial acerca de la relación entre la estructura de equilibrio y evolución estructural y propiedades reológicas. Por ejemplo, muchos productos de cuidado del hogar requieren un cambio de fase durante el uso del consumidor. También, durante la fabricación, pasos de procesamiento, incluyendo la dilución y mezcla, puede impartir la cizalla que afectan las propiedades reológicas y la microestructura final del producto. Comprensión de las propiedades reológicas a través de un cambio de fase asegura que el producto funciona como diseñado. Además, si las fuerzas de modificar la reología a partir del material durante la fabricación, las transiciones de fase pueden producir resultados inesperados y no deseados, cambiar la función y la eficacia. En el punto de gelificación crítico, definido como el punto donde el material de las transiciones de una solución de coloides asociados o polímeros a una red de gel que atraviesan la muestra, las propiedades del material cambian drásticamente con ligeros cambios a la asociación. Cualquier modificación de la estructura en el punto crítico del gel puede afectar el producto final⁴. Durante estas transiciones dinámicas, materiales blandos tienen débiles propiedades mecánicas y medidas que utilizan técnicas experimentales clásicas pueden ser dentro de la medición ruido límite^5,6,7. Para tener en cuenta esto, técnicas como la microrheology, que es sensible en la gama de módulos bajos (10^-3 – 4 Pa), se utilizan para caracterizar el gel incipiente débil durante la evolución dinámica. Algunos materiales son susceptibles a cambios en la microestructura debido a fuerzas externas, que presenta un desafío durante la caracterización, ya que cualquier cambio de material o líquido puede afectar la estructura y, en definitiva, las propiedades del material finales. Para evitar alterar la microestructura del material, hemos desarrollado un dispositivo de microfluidos que puede intercambiar el fluido ambiental en una muestra reduciendo al esquileo. Intercambiando el ambiente líquido, cambios en las propiedades reológicas y microestructura se miden durante las transiciones de fase con aportes mínimos de corte. El dispositivo se combina con múltiples partículas microrheology (MPT) de seguimiento de una técnica llamada μ²reología. Esta técnica se utiliza para cuantificar las propiedades del material durante los cambios de fase consecutiva de un gel en respuesta a una fuerza impulsora externa. La técnica se ilustrará mediante un gel coloidal fibroso, aceite de ricino hidrogenado (HCO)^9,10,11.

Andamios de gel pueden experimentar cambios en la asociación y disociación debido a su muestra medio ambiente^12,13,14,15. La fuerza de gelificación y degradación son material específico y debe ser adaptado para cada material de interés. μ²reología puede utilizarse para caracterizar sistemas de gel que responden a estímulos externos, incluidas las redes coloidales y poliméricas. Alteración de pH, presión osmótica o la concentración de la sal es ejemplos de fuerzas que pueden inducir cambios en la microestructura del material de la conducción. Por ejemplo, HCO sufre transiciones de fase controlada mediante la creación de un gradiente de presión osmótica. Cuando una muestra de gel concentrada de HCO (4% en HCO) es sumergida en agua, debilitaran las fuerzas atractivas entre las partículas coloidales, causando degradación. Por otra parte, cuando una solución diluida de HCO (% en peso de 0,125 HCO) se pone en contacto con un material hidrofílico (conocido como el agente gelificante y conformada en su mayoría glicerina y surfactante), el atractivo fuerzas de retorno, provocando gelificación. Este sistema de gel se utilizará para mostrar el funcionamiento del aparato como una herramienta para medir las transiciones de fase consecutivos en una sola muestra^9,10. Para caracterizar estos andamios de gel durante las transiciones dinámicas y la estructura del delicado gel incipiente en la transición de fase crítica, utilizamos MPT para caracterizar estos materiales con alta resolución espacio-temporal.

Microrheology se utiliza para determinar propiedades de gel y la estructura, especialmente en la transición crítica, de una gran variedad de materiales blandos, como los geles coloidales y poliméricos^5,6,9,16. MPT es una técnica de microrheological pasiva que utiliza la microscopia video para grabar el movimiento browniano de las partículas de la sonda fluorescente incrustado dentro de una muestra. Las posiciones de la partícula a lo largo de los videos se determinan precisamente para dentro de 1/10^th de un píxel utilizando clásico seguimiento algoritmos^17,18. El conjunto un promedio de desplazamiento de media-squared (MSD, (Δi²(t))) se calcula a partir de estas trayectorias de la partícula. MSD se relaciona con propiedades de los materiales, tales como el cumplimiento de la fluencia, usando la relación de Stokes-Einstein generalizó^{17,19,20,21,22, 23}. El estado del material se determina mediante el cálculo de la pendiente logarítmica de la curva MSD en función del tiempo de retraso, α,

donde t es el tiempo de retraso y comparándolo con el exponente crítico de relajación, n. n se determina mediante la superposición de tiempo de curación, una técnica bien documentada que fue modificada para analizar datos MPT por Larsen y Furst⁶. Por la comparación de n α el estado del material se determina cuantitativamente. Cuando α > n el material es un sol y cuando α < n el material es un gel. Trabajo previo ha caracterizado el sistema HCO microrheology determinar el exponente crítico relajación⁹. Con esta información, determinamos precisamente cuando el material de las transiciones de un gel a un sol durante un experimento. Además, se puede calcular el parámetro no-gausiano, α_NG, para determinar el grado de heterogeneidad estructural de un sistema de

donde Δx(t) es el movimiento de la partícula unidimensional en la dirección x . Con el MPT, podemos caracterizar una transición de fase única, pero por la caracterización de materiales con MPT en un dispositivo de microfluidos, somos capaces de manipular el entorno fluido y recopilar datos de varias transiciones de fase en una muestra de gel solo.

Este dispositivo de microfluidos está diseñado para investigar las transiciones críticas de una muestra de gel solo que sufre cambios de fase en respuesta a cambios en el entorno fluido. El dispositivo de intercambios de líquido que rodea la muestra cuando es en el estado de gel o de sol por la muestra en su lugar para inducir una transición de fase minimizando el corte de cierre. Una cuenca de solvente se encuentra directamente encima de la cámara de muestras, que están conectados por seis canales de entrada simétricamente espaciados. Esta simetría permite el intercambio del líquido de la cuenca del solvente a la cámara muestra al crear igual presión alrededor de la muestra, trabándolo en el lugar. Ha habido varios estudios que utilizan esta técnica para sola partícula y captura de ADN, pero este trabajo escala hasta el volumen de las moléculas individuales para las muestras que son aproximadamente 10 μl^24,25,26. Este diseño único permite también caracterización de la microrheological en tiempo real durante las transiciones de fase.

μ²reología es una técnica robusta que es aplicable a muchos sistemas de materia blanda. La técnica descrita en este documento fue diseñada para los geles coloidales, pero puede ser adaptado fácilmente a otros materiales tales como polímeros o soluciones micelares. Con esta técnica, determinan no sólo cómo las transiciones de fase afectan las propiedades del equilibrio material, pero pasos de tratamiento también diferentes pueden tener efectos sobre la evolución reológica del material y la estructura de andamio final duraderos y propiedades.

Protocol

1. fabricación del dispositivo de microfluidos Fabricación de sello de microfluidos.Nota: Este paso requiere el uso de materiales volátiles y debe realizarse en una campana de humos químicos. Utilice un diseño impreso negativa con las mismas dimensiones que el portaobjetos de cristal (75 × 50 m m), el color blanco de canales, y el fondo de color negro (ver figura 1). Imprimir este diseño en una hoja transparente de acetato (transparencia) con una…

Representative Results

Se construye un dispositivo microfluídico dos capas con PDMS (figura 1a, b), que está estampado en un sello de microfluidos. El diseño del sello se muestra en la figura 1c. Disposición experimental incorrecta puede resultar en errores en los flujos microrheology y microfluídicos pasivos durante alrededor de intercambio fluido (figura 2). Ejemplos de incorrecta d…

Discussion

El dispositivo de microfluidos dos capas (figura 1) se puede hacer fácilmente por siguientes microfluídicos documentado fabricación técnicas²⁹. Soportes para vidrio se agregan a la parte inferior del dispositivo para disminuir los efectos vibracionales en el movimiento de la sonda. El portaobjetos de cristal es muy fino (0,10 mm) para acomodar la distancia del objetivo de microscopio. Esto hace que el dispositivo sensible a pequeñas vibraciones en el edificio y e…

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