Waiting
Elaborazione accesso...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Kombinera mikrofluidik och Microrheology att bestämma reologiska egenskaper av mjuk materia under upprepade fasövergångar

Published: April 19, 2018 doi: 10.3791/57429
Automatic Translation
1, 1, 2, 1
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Lehigh University, 2Process and Engineering Development, Procter & Gamble Co.

Summary

Vi demonstrera tillverkning och användning av en mikroflödessystem enhet som gör att flera partikel spårning microrheology mätningar för att studera de reologiska effekterna av upprepad fasövergångar på mjuka material.

Abstract

Mikrostrukturen i mjuk materia direkt påverkar makroskopiska reologiska egenskaper och kan ändras av faktorer inklusive kolloidalt rearrangering under föregående fasen förändringar och tillämpas skjuvning. För att fastställa omfattningen av dessa förändringar, har vi utvecklat en mikroflödessystem enhet att möjliggör upprepade fasövergångar som induceras av utbyte av omgivande vätska och microrheological karakterisering samtidigt begränsa skjuvning på provet. Denna teknik är µ2reologi, kombinationen av mikrofluidik och microrheology. Mikroflödessystem enheten är en två-lagers design med symmetrisk inlopp strömmar in en provkammare som fällor gel provet på plats under flytande utbyte. Sug kan tillämpas långt borta från provkammaren att dra vätskor i en provkammare. Materialets reologiska egenskaper karakteriseras med hjälp av flera partikel spårning microrheology (MPT). I MPT, fluorescerande sonden partiklar bäddas in i materialet och sonderna Brownsk rörelse registreras med hjälp av video mikroskopi. Rörelsen av partiklarna spåras och mean-squared förskjutningen (MSD) beräknas. MSD är relaterad till makroskopisk reologiska egenskaper, använda generaliserade Stokes-Einstein förhållandet. Fasen av materialet identifieras genom jämförelse för kritiska avkoppling exponenten, fastställs med hjälp av tid-cure superposition. Mätningar av en fibrös kolloidal gel illustrera nyttan av tekniken. Denna gel har en känslig struktur som kan ändras oåterkalleligt när skjuvning tillämpas. µ2reologi data visar att materialet balanserar upprepade gånger till samma reologiska egenskaper efter varje fasövergång, som anger att fasövergångar inte spela en roll i Mikrostrukturens förändringar. För att bestämma rollen för skjuvning, kan prover vara klippt före injektion i vår mikroflödessystem enhet. µ2reologi är en allmänt tillämplig teknik för karakterisering av mjuk materia möjliggör bestämning av reologiska egenskaper av delikat mikrostrukturer i ett enda prov under fasövergångar svar på upprepade förändringar i den omgivande miljöförhållandena.

Introduction

Fasövergångar i mjuka material kan ändra byggnadsställning struktur, som har konsekvenser för behandling och slutliga stabiliteten i den materiella1,2,3. Karakterisering av mjuka material under dynamiska fasövergångar ger viktig information om förhållandet mellan strukturella evolution och jämvikt struktur och reologiska egenskaper. Exempelvis kräver många hemvårdsprodukter en fasövergång under konsumentanvändning. Också, under tillverkning, bearbetning, inklusive utspädning och blandning, kan ge skjuvning som påverkar reologiska egenskaper och slutliga mikrostrukturen av produkten. Förstå de reologiska egenskaperna i hela en fasövergång ser till att produkten fungerar som avsett. Dessutom om krafter ändra start reologi av materialet under tillverkning, kan fasövergångar ge oväntade och oönskade resultat, ändra avsedda funktion och effektivitet. Vid kritiska gelation punkt, definierad som den punkt där materialet övergångar från en lösning av associerade kolloider eller polymerer till ett prov-spänner gel nätverk, materialegenskaper förändras drastiskt med små förändringar till föreningen. Alla ändringar av strukturen på den kritiska gel punkten kan påverka slutprodukten4. Under dessa dynamiska övergångar, mjuka material har svag mekaniska egenskaper och mätningar som använder klassiskt experimentella tekniker kan vara inom mätning buller gräns5,6,7. Att redovisa detta, tekniker såsom microrheology, som är känslig i intervallet låg moduli (10-3 - 4 Pa), används för att karakterisera den svaga begynnande gel under dynamisk utveckling. Vissa material är känsliga för förändringar i mikrostrukturen på grund av yttre krafter, som presenterar en utmaning under karakterisering, eftersom överföring av material eller vätska kan påverka strukturen, och i slutändan de slutliga materialegenskaperna. För att undvika att ändra mikrostrukturen i material, har vi utvecklat en mikroflödessystem enhet som kan byta miljö vätskan runt ett prov samtidigt som de minimerar skjuvning. Genom att utbyta den flytande miljön, mäts valutakursförändringar reologiska egenskaper och mikrostruktur under fasövergångar med minimal bidrag från skjuvning. Enheten är kombinerad med flera partikel spårning microrheology (MPT) i en teknik som kallas µ2reologi. Denna teknik används till att kvantifiera materialegenskaper under i följd av en gel som svar på en yttre drivkraft. Tekniken kommer att illustreras med en fibrös kolloidal gel, hydrerad ricinolja (HCO)9,10,11.

Gel ställningar kan genomgå förändringar i föreningen och dissociation på grund av deras prov miljö12,13,14,15. Drivkraften för gelation och nedbrytning är materialet särskilda och måste skräddarsys för varje material av intresse. µ2reologi kan användas för att karaktärisera gel system som svarar på yttre stimuli, inklusive kolloidalt och polymera nätverk. Förändra pH, osmotiska trycket eller salt koncentration är exempel på drivkrafter som kan framkalla förändringar i materiella mikrostrukturen. Till exempel genomgår HCO kontrollerad fasövergångar genom att skapa en osmotiska trycket lutning. När en koncentrerad HCO gel prov (4 wt % HCO) är nedsänkt i vatten, försvaga de attraktiva krafterna mellan kolloidala partiklar orsakar försämring. Alternativt, när en utspädd lösning av HCO (0,125 wt % HCO) kontaktas med hydrofila material (kallad geleringsmedel och består av mestadels glycerin och tensid), de attraktiva krafter avkastning, orsakar gelation. Denna gel system används för att Visa driften av enheten som ett verktyg för mätning i följd fasövergångar på ett enda prov9,10. För att karaktärisera dessa gel ställningar under dynamiska övergångar och delikat begynnande gel strukturen på kritisk fas övergången, använder vi MPT för att karakterisera dessa material plats och tid med hög upplösning.

Microrheology används för att bestämma gel egenskaper och struktur, särskilt vid kritiska övergången, av en array av mjuka material, inklusive kolloidalt och polymera geler5,6,9,16. MPT är en passiv microrheological teknik som använder video mikroskopi till post den Brownsk rörelsen av fluorescerande sonden partiklar som är inbäddad i ett prov. Partikel positioner i hela videor bestäms exakt till inom 1/10th av en pixel med klassiskt spårning algoritmer17,18. Ensemblen i genomsnitt mean-squared deplacement (MSD, (Δr2(t))) beräknas från dessa partikel banor. MSD är relaterad till materialegenskaper, t.ex krypning, använder den generaliserade Stokes-Einstein Relation17,19,20,21,22, 23. Tillståndet för materialet bestäms genom att beräkna logaritmisk lutningen på kurvan MSD som en funktion av fördröjning, α,

Equation 1

där t är fördröjning och jämföra det med kritiska avkoppling exponenten, n. n bestäms med hjälp av tid-cure superposition, en väldokumenterad teknik som ändrades för att analysera MPT data av Larsen och Furst6. Genom jämförelse av n till α bestäms delstaten materialet kvantitativt. När α > n materialet är en sol, och när α < n materialet är en gel. Tidigare arbeten har präglat HCO systemet använder microrheology för att bestämma de kritiska avkoppling exponent9. Med den här informationen bestämma vi exakt när materialet övergångar från en gel till en sol under ett experiment. Dessutom kan icke-Gaussisk parametern, αNG, beräknas för att avgöra omfattningen av strukturella heterogeniteten i ett system,

Equation 2

där Δx(t) är endimensionella partikel rörelsen i x riktning. Använda MPT, vi kan karakterisera en enfas övergång, men genom att karaktärisera material med MPT i en mikroflödessystem enhet, vi kan manipulera omgivningen vätska och samla in data av flera fasövergångar på ett enda gel urval.

Mikroflödessystem enheten är utformad för att undersöka de kritiska övergångarna provvikt enda gel som genomgår fas förändringar som svar på förändringar i den omgivande vätska miljön. Enheten byter vätska som omger provet när det är antingen i tillståndet gel eller sol genom att låsa provet för att framkalla en fasövergång samtidigt minimera skjuvning. En solvent bassäng ligger direkt ovanför den provkammare, som förbinds av sex symmetriskt fördelade inlopp kanaler. Denna symmetri möjliggör utbyte av vätska från lösningsmedel bassängen till provkammaren samtidigt skapa lika tryck runt provet, låsa den på plats. Det har gjorts flera studier som använder denna teknik för enskild partikel och DNA svällning, men detta arbete skalar upp volymen från enstaka molekyler till prover som är cirka 10 µL24,25,26. Denna unika design gör det också möjligt för realtid microrheological karakterisering under fasövergångar.

µ2reologi är en robust teknik som gäller för många mjuk materia system. Tekniken som beskrivs i detta dokument var avsedd för kolloidal geler, men det kan enkelt anpassas till andra material såsom polymer eller micellar lösningar. Med denna teknik, vi bestämmer inte bara hur fasövergångar påverkar jämvikt materialets egenskaper, men också hur olika bearbetningsstegen kan ha bestående effekter på de reologiska evolutionen av materialet och den slutliga byggnadsställning strukturen och egenskaper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. tillverkning av enhetens mikrofabricerade

  1. Mikroflödessystem stämpel fabrication.
    Obs: Detta steg kräver användning av flyktiga material och bör göras i dragskåp kemiska.
    1. Använda en negativ tryckta design med samma dimensioner som glasskiva (75 x 50 mm), den kanaler färgade vita, och bakgrunden färgade svart (se figur 1). Skriva ut denna design på en klar acetat ark (genomskinlighet) med en upplösning på 1200 dpi.
    2. Om den mörka delen av öppenhet fortfarande tillåter ljus genom lager flera negativ och följer med hjälp av dubbelhäftande tejp.
    3. Slå på den hög intensitet ultraviolett (UV) ljuskällan och låt det värmas till en konstant utgång (ca 30 min).
      Obs: UV skyddsglasögon ska användas när du använder hög intensitet UV ljus källa.
    4. Fyllning tre 150 mL petriskålar med aceton, etanol och destillerat vatten.
    5. Placera en tom transparens på en plan yta nära hög UV källan, men inte direkt under UV-ljus. Detta kommer att ge en bas för att fabricera mikroflödessystem stämpeln.
    6. Beskriva hörnen av en 75 × 50 mm glasskiva i mitten av den tom genomskinlighet med hjälp av en permanent markör och plats fyra glas distanser (ca 30 × 30 × 1 mm) i hörnen av disponerad rektangeln.
    7. Häll cirka 5 mL UV botas thiol: ene harts i mitten av distanserna, sedan placera försiktigt en 75 x 50 x 1 mm glasskiva på glas distanserna, så att limmet är helt täckt av glas bilden med inga luftbubblor.
    8. Placera öppenheten med tryckta negativt ovanpå glasskiva och flytta alla ovanstående komponenter (från botten till toppen: Tom öppenhet, glas distanser och UV lim, glasskiva och negativa tryckta öppenhet) genom att dra den tomma öppenheten noggrant under UV ljuskällan.
    9. Låta UV ljuset lysa igenom negationen på kåda och botemedel. Härdningstiden kan justeras för att ändra höjden på kanalen. En 45 s bota tid resulterar i en kanal höjd 1 mm, använder våra ljuskälla.
    10. Flytta komponenterna bort UV och ta bort negativa tryckta öppenhet och glasskiva. Glasskiva med kanaler tillverkad i UV lim kommer nu betecknas som mikroflödessystem stämpeln.
    11. Kassera öppenhet och glas distanser.
    12. Doppa mikroflödessystem stämpeln i aceton badet, följt av etanol badet. Upprepa detta steg två gånger. Aceton kommer att försämra UV lim, så lämna inte aceton på stämpeln för större än 10 s.
    13. Håll stämpeln och dränka stämpeln i vatten och Använd en bomullspinne ta bort resten av oreagerad kådan. Direkt torka inte de härdade delarna, eftersom det kommer att göra kanalerna grov.
    14. Placera stämpeln på en pappershandduk och återvända till UV källan i minst 30 minuter för att säkerställa fullständig härdning.
  2. Polydimetylsiloxan (PDMS) gjutning
    1. Och häll 70 g för PDMS base i en tydlig kopp bryggbindningen agent till basen i viktförhållandet 1:10 crosslinker att basera. Detta är tillverkaren rekommenderade nyckeltal. Använd inte en glasbehållare.
    2. Blanda cross-linker och basera grundligt med en metall omrörare; blandningen ska vara grumligt på grund av anhållna luftbubblor när ordentligt blandat.
    3. Sätta PDMS i ett vakuum ugn och dra vakuum på den blandade PDMS. Stäng av vakuum om lösningen börjar svämma över från cup, sedan återuppta vakuum efter översvämningen avtar. Det totala trycket i vakuum ugnen spelar ingen roll, eftersom vakuum endast påskyndar processen att avgasning. Lämna i kammaren tills alla bubblor har evakuerats från blandningen (ca 60 min).
    4. Plats mikroflödessystem stämpeln i en tom 150 mm diameter plast petriskål, sedan långsamt Häll PDMS i petriskål, helt täcker mikroflödessystem stämpeln. Häll nära ytan av petriskål att minimera bubblor reformera på PDMS.
    5. Täcka petriskål och placera i en 55 ° C ugn över natten för att bota. När helt botad, skär den mönstrade PDMS med en kniv och ta bort från stämpeln. Behålla överskjutande PDMS för att konstruera lösningsmedel bassängen (protokoll steg 1.6.3) och PDMS proppar (protokoll steg 2.2.1.1).
    6. Använder en 0,5 mm biopsi punch, skär hål i följande platser: en i varje hörn, en i sug kammaren nära kanten av kanalen, sex i en provkammare som symmetriskt placerade 60° isär och en i mitten av provkammaren. För att säkerställa ut symmetriskt placerade hål ett mönster på ett pappersark och plats under provkammaren. Eftersom PDMS är klar, kan du enkelt se där hålen behöver placeras.
  3. Beredning av sol-gel lösning att skapa glasväggar i ultrakalla enhet
    1. I en 100 mL-burk, tillsätt 25 mL 90% etanol, 25 mL pH 4 (0.0001 M) saltsyralösning, 25 mL 98% tetraethoxysilane och 25 mL 98% methyltriethoxysilane. Plats på 100 mL lösning, nu kallad preconverted vätska, i mikrovågsugn utan lock i 10 sekunder, sedan plats i en 80 ° C över natten.
  4. Enheten församling
    1. Placera båda de mönstrade PDMS och en 75 × 50 × 0.10 mm glas skjuts in i plasmat renare och 3-vägs ventilen till läge off.
    2. Slå på vakuumpumpen och tillåter en minut att evakuera kammaren.
    3. Satte 3-vägs ventilen att flöda controller position och låta kammaren låt jämvikta i 5 sekunder. Vilket flöde controller gör en liten flödet av luft att komma in plasma renare, tillräckligt låg för att hålla kammaren med lågt tryck. Aktivera växeln radiofrekvens (RF) till medium för 40 sekunder och sedan stänga av RF switch och vakuumpump.
    4. Plats 3-vägs ventilen i öppet läge att återvända kammaren till atmosfäriska förhållanden. Ta bort mönstrade PDMS och glas bilden.
    5. Noggrant följa de mönstrade PDMS i glas-bilden genom att sätta de två ytorna i kontakt med varandra.
    6. UV-härdande resin gälla sömmarna runt mönstrade PDMS och botemedel för 5 min under lågintensiva UV-ljus.
  5. Tillverkning av glasväggar i ultrakalla kanaler.
    Obs: Detta steg måste slutföras inom 30 minuter efter plasmabehandling, eftersom det bygger på PDMS ytförändringar som inträffar under plasmabehandling. Tjockleken på lagret kommer att vara ca 5-10 µm. Detta steg kräver användning av flyktiga material och bör göras i dragskåp kemiska.
    1. Ange en värmeplatta till 100 ° C och förbereda fyra sprutor (tre 30 mL och en 3 mL) med 18 gauge nålar och cirka 30 cm längd på tydlig termoplastiska slangar.
    2. Fyll tre 30 mL sprutor med etanol, kloroform och luft, respektive. Fyll en 3 mL spruta med preconverted vätska (från protokollet steg 1.3.1.)
    3. Sätt tydliga termoplastiska slangar med rostfria kopplingar till vart och ett av hålen i den mönstrade PDMS, med undantag för ett hörn hål. Detta hål ska användas som ett inlopp, medan alla andra försäljningsställen.
    4. Fyll mikroflödessystem enheten med preconverted vätska från sprutan, sedan placera mikroflödessystem enheten på 100 ° C värmeplattan så glasets botten är vidrör ytan på värmeplattan.
    5. Flöde 3 mL av preconverted vätska genom mikroflödessystem enheten över 10 sekunder. Tjockleken på glasväggarna justeras genom att ändra flödet av preconverted vätska.
    6. Ta bort mikroflödessystem enheten från värmeplattan. Ersätta preconverted lösning sprutan med luft sprutan och tryck ut eventuella preconverted vätskeansamling.
    7. Ersätta luft sprutan med kloroform sprutan och långsamt flöde 15 mL kloroform genom mikroflödessystem enheten. Ersätta kloroform sprutan med etanol sprutan och långsamt flöde 30 mL etanol genom mikroflödessystem enheten. Dessa åtgärder bör ta cirka 1 min varje.
    8. Ersätta etanol sprutan med luft sprutan och flöde luften genom mikroflödessystem enheten tills den är torr.
  6. Tillämpningen av glas stöder och lösningsmedel basin
    1. Skär 75 × 10 × 1 mm glas remsor av glas från 75 × 25 × 1 mm diabilder.
    2. Gäller UV botas harts glas remsorna. Placera mikroflödessystem enheten på remsorna, med PDMS vänd. Flytta under lågintensiva UV ljus källa i 5 minuter.
    3. Skär en 30 × 30 mm Fyrkant av PDMS. Använda en biopsi punch, skär ett hål som är tillräckligt stor för att täcka den 10 mm provkammaren.
    4. Placera PDMS fyrkantig och mikroflödessystem enhet i plasma renare, och sedan sätta 3-vägs ventilen till läge off och slå på vakuumpumpen.
    5. Tillåta en minut att evakuera kammare. 3-vägs ventilen flödet controller position och låt kammaren låt jämvikta i 5 sekunder.
    6. Slå på RF switch till medium i 40 sekunder, sedan stänga RF switch och vakuumpump.
    7. Plats 3-vägs ventilen i öppet läge att återvända kammaren till atmosfäriska förhållanden.
    8. Ta bort lösningsmedel basin och mikroflödessystem enheten från plasma kammaren och följa genom att kontakta ytorna. Var noga med att placera lösningsmedel bassängen över provkammare.

2. µ2reologi förfarande

  1. Beredning av mjuk materia prover
    1. Tvätt sonden partiklar
      1. Pipettera vatten och 0,5 µm sonder i en mikrocentrifug rör i förhållandet av vatten till sonder 10:1. Blanda noga med pipett blandning, sedan placera mikrocentrifug röret in i mikrocentrifug och spinn på 4600 x g i 10 minuter.
        Obs: Den sond-lösning som används i detta arbete är fick svävande i vattnet med en initial koncentration av 2,6% fasta ämnen/volym och slutliga koncentration av sonder används i provet är 0,1% fasta ämnen/volym.
      2. Ta bort mikrocentrifug rör och pipett ut supernatanten. Byt ut supernatanten med DI-vatten. Upprepa centrifugering för totalt tre gånger.
      3. Placera mikrocentrifug rör i den någon sonikator och Sonikera på låg i 15 minuter för att ta bort alla aggregat.
    2. Att kombinera sonder och mjuka material.
      Obs: För detta förfarande användes en kolloidal gel som mjuk materia provet.
      1. På en 75 × 50 mm glasskiva, Mät upp 1 mL av provmaterial. Pipettera 40 µL sonden lösning i mitten av provet.
      2. Försiktigt luckan provet med en metall spatel tills helt kombinerat. Scoop provet till en mikrocentrifug rör och centrifugera vid 2 340 x g under 15 s för att ta bort anhållna luft.
      3. Fyll en 1 mL spruta försedd med en 18 gauge nål och tydlig termoplastiska slangar med sond/HCO blandningen.
  2. På varandra följande fasövergångar som induceras av vätska exchange
    1. Fyllning mikroflödessystem enheten
      1. För att skapa PDMS proppar, skära använda överskott PDMS från protokollet steg 1.2.5, en 5 mm fyrkantig sektion av PDMS. Använder en 0,5 mm diameter biopsi punch, skär ett hål halvvägs i PDMS proppen. Infoga en rostfritt stål connector i 0,5 mm diameter hål.
      2. Anslut termoplastiska slangar till tre av hörnet inlopp kanalerna och kanalen sugkammaren utlopp. Helt fylla enheten med vatten med en spruta som är ansluten till enheten. Se till att det finns inga bubblor i en provkammare eller i ultrakalla kanalerna. Blockera återstående hörnet hålet med PDMS proppar.
      3. Lösningsmedel bassängen ska delvis fyllas från steg 2.2.1.2; om det inte är ifyllt, Fyll lösningsmedel handfatet med vatten.
      4. Använda sprutan från protokollet steg 2.1.2.3, injicera 10 µL/provtagningssonden blandningen genom mittkanalen i provkammaren vid cirka 2 µL/s, sedan använda PDMS propp för att blockera mittkanalen i provkammaren.
    2. Microrheological datainsamling
      1. Aktivera kamerainställningar de optimerad för att minimera statisk och dynamisk partikel spåra fel, sedan byta till 63 × vatten nedsänkning målet och en pipett en droppe vatten på linsen.
      2. Placera mikroflödessystem enheten på Mikroskop scenen och höja målet tills det är inriktat på provet.
      3. Ta videor av den Brownian rörelsen av sonderna över tidsintervall som är lämpliga för den totala längden av en fasövergång. För gelation, fortsätta att ta videor tills sonden rörelse har stoppats helt.
        Obs: Vi samlar in data varje 10 min. Om vi börjar med en nedbrytning experiment, samlas uppgifterna tills sonderna helt diffusörer.
    3. Utbyte av vätskor i provkammaren (gravitation flöde, utbyte av lägre densitet vätskor med högre densitet vätskor)
      1. Ta bort mikroflödessystem enheten från Mikroskop scenen.
      2. Sug ut vattnet ur lösningsmedel bassängen med överföring pipett, sedan Pipettera 4 mL av högre densitet vätska i lösningsmedel bassängen.
      3. Returnera mikroflödessystem enheten till Mikroskop scenen och upprepa steg 2.2.2.3
    4. Utbyte av vätskor i provkammaren (sug flöde, utbyte av högre densitet vätskor med lägre densitet vätskor)
      1. Ta bort mikroflödessystem enheten från Mikroskop scenen och PDMS proppen från sug kammare.
      2. Infoga en spruta försedd med en 18 gauge nål och tydlig termoplastiska slangar till sugkammaren kanal, och koppla sprutan upp till en sprutpump. Ställ sprutpumpen att dra vid 1 mL/min.
      3. Ta bort överflödigt geleringsmedel i lösningsmedel basin och skölj tre gånger med vatten genom att fylla i lösningsmedel basin och sedan sugning ut skölj vätskan.
      4. Börja sug med sprutpumpen och tillför vatten till lösningsmedel bassängen för en minut. Låt inte lösningsmedel bassängen tom helt, eftersom detta kommer att dra luft i en provkammare.
      5. Ta bort sprutan från mikroflödessystem enheten och ersätta PDMS proppen på sugkammaren.
      6. Returnera mikroflödessystem enheten till Mikroskop scenen och fortsätta att ta prover
  3. Fortsätt att ta prover med jämna mellanrum under nedbrytning/gelation cykler tills önskat antal cykler är klar eller om det finns otillräcklig sonder för mätning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En två-lager mikroflödessystem enhet är konstruerad med PDMS (figur 1a, b), som är mönstrad på en mikroflödessystem stämpel. Utformningen av stämpeln visas i figur 1c. Felaktig experimentella inställning kan resultera i fel i passiv microrheology och mikroflödessystem flödena under omgivande vätska exchange (figur 2). Exempel på felaktig experimentella inställning är detaljerad i diskussionsavsnittet. Under drift av enheten utväxlas den omgivande vätskan runt ett gel prov. Denna vätska exchange uppstår när materialet är både gel och den sol-fasen. Denna mikroflödessystem enhet design har förmågan att byta vätska utan betydande förlust av gelbildande material och inbäddade sonden partiklar. Två typer av vätska utbyten används, gravitation flöde (när man går från lägre till högre densitet vätska) eller sug flöde (när man går från högre till lägre densitet vätska). I vårt HCO gel system används sug flöde till inducerar nedbrytning medan gravitation flöde används för att framkalla gelation. Båda flödena ge minimal skjuvning på prov, med skeva storleksordningen 0,01 Pa och 1 Pa för sug- och gravitation flöde, respektive. Dessa saxar är under sträckgränsen av gel, som är storleksordningen 10 Pa9,10.

Staten, struktur och reologiska egenskaper av gel provet kännetecknas kvantitativt med hjälp av flera partikel spårning microrheology (MPT). I MPT spåras sond partiklar med hjälp av klassiska spårning algoritmer27,28. Ensemble i genomsnitt mean-squared förskjutningen (MSD) beräknas från partikel banor (figur 3) under successiva fasövergångar. Microrheology data (figur 3) visar att successiva fasövergångar uppnås i HCO gel system. MSD kurvorna växlar mellan α → 0 (gel) och α → 1 (sol). Omfattningen av MSD kurvorna är mätbara MSD gränsen av detta experiment (0,001 µm2). Denna gräns bestäms experimentellt av vidhängande sonder till glas i en provkammare, vilket görs genom att låta partiklar sedimentera under allvar över natten. Ensemblen i genomsnitt MSD partiklarnas arresterade sonden mäts för att få den nedre gränsen för MSD, som är beroende av specifika experimentella apparaten.

Logaritmisk lutningen på kurvan MSD (α) och parametern icke-Gaussian (αNG) beräknas och delstaten materialet bestäms kvantitativt i jämförelse till kritiska avkoppling exponenten (n), (figur 4). För detta experiment, med HCO som en modell gel, sammanlagt nio övergångar mäts. Materialet börjar som en gel (α → 0) och fem degradations (α → 1) och fyra gelations (α → 0) mäts över 1500 minuter. Tidpunkten för varje fasövergång är material beroende. Fasbyte induceras genom utbyte av vätska. När det finns ingen vätska utbyte, vilket framgår av den förlängda perioden i sol fas mellan 800-1400 min, sond partiklar kvar inom provet och det finns inga ändringar till reologiska egenskaper. När en vätska utbyte sker, geler materialet igen.

De uppgifter vi får från den här enheten ger information om reologiska egenskaper och strukturen på materialet på flera sätt. Vi mäter inte förändringar i jämvikt reologiska egenskaper från upprepade fas förändringar. Detta framgår av α i varje fas som återvänder till samma värde. När materialet är i fasen sol, den når α = 0,90, och när i gel fas, α = 0,20. Värdet på α i fasen sol anger att materialet behåller vissa struktur även efter nedbrytning. Ett kolloidalt system som har helt bryts ned till en lösning av kolloidala partiklar har α = 1.0, medan jämvikt värdet i sol fasen för HCO är α = 0,90, som anger vissa struktur behålls. Dessutom kan kolloidal ombildning uppstå omedelbart efter vätska utbyte, vilket indikeras av en ökning av α. Slutligen visar parametern icke-Gaussisk, αNG, som kvantifierar heterogenitet av materialet, att gelen genomgår en ökning av strukturella heterogenitet under nedbrytning (gel till sol) övergång. Detta framgår av toppen i αNG.

Figure 1
Figur 1: mikroflödessystem enhet. (a) bilden av två-lagers mikroflödessystem enheten som fällor ett prov på plats medan den omgivande vätskan utbyts. Det första lagret har två kamrar, en för provet och en annan för sugning. Hål ligger i vart och ett av hörnen, samt en i sug kammaren och sju i en provkammare. Ovanför provkammaren följs ett andra lager av PDMS enheten att agera som en lösningsmedel bassäng. (b) provet injiceras i provkammaren genom mellersta kanalen. Provet är låst på plats under flytande överföring av symmetriska inlopp strömmar in i provkammaren som skapa lika tryck runt provet. (c) design som används för att skapa mikroflödessystem stämpeln för 1st skiktet av enheten. Kamrarna varje har en diameter på 10 mm, medan kanalerna har en bredd på 1 mm. Resulterande höjd för både kanaler och kammare är 1 mm efter 45 s av UV-exponering. Reproducerad från Wehrman et al. 201710 med tillstånd från The Royal Society of Chemistry. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2 : Bilden av en felaktigt ifyllda mikroflödessystem enhet. Luftbubblor som injiceras i enheten kan ha negativa effekter på både microrheological data (på grund av riktad rörelse av partiklar vid vätske-gränssnitt) och mikroflödessystem flöden under lösning utbyte. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: Mean-squared deplacement kurvor en hydrerad ricinolja gel under nedbrytning (a, c) och gelation (b, d). De 2nd (a, b) och 3rd (c, d) fasövergångar visas av 9 totalt övergångar. Kritiska övergångspunkten (gel - sol eller sol - gel) betecknas med en streckad linje på n = α = 0,77 och utgör varje fasförändring med MSD kurvor ovanför linjen är en sol och nedanför en gel. Reproducerad från Wehrman et al. 201710 med tillstånd från The Royal Society of Chemistry. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: logaritmisk lutning (, stängd) och icke-Gaussisk parameter (αNG, öppen) för ett enda prov av 4 wt % hydrerad ricinolja gel under upprepade fasövergångar. Kritiska övergången betecknas med en horisontell streckad linje (n = 0,77) och bestämdes från föregående microrheological experiment9,10. Vertikala linjer indikerar lösningsmedel exchange, med vit bakgrund indikerar att det finns vatten i lösningsmedel bassängen och skuggade grå områden att det finns geleringsmedel i lösningsmedel basin. En förändring i färg mellan vit och grå indikerar en omvänd av osmotisk gradient. Om färgen inte ändras på en vertikal linje, anger detta att åter spolas med samma lösningsmedel i provkammaren. Detta uppstår när det finns otillräckliga vätska tas bort, och ofta händer när högre densitet vätskan är i provkammaren på grund av dess stora viskositet. Reproducerad från Wehrman et al. 201710 med tillstånd från The Royal Society of Chemistry. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Två-lagers mikroflödessystem enheten (figur 1) kan göras enkelt med följande väldokumenterade mikroflödessystem fabrication teknik29. Glas stöder läggs till botten av enheten för att minska vibrationella effekter på sonden rörelse. Glasskiva är mycket tunn (0,10 mm) för att rymma arbetsavstånd Mikroskop målet. Detta gör enheten utsätts för små vibrationer i byggnaden och prov miljö som mäts sedan med höghastighets kamera. Glas stöder förneka framgångsrikt dessa yttre stimuli. Kort arbeta avstånd målet är vald för att samla in exakt MPT data som kräver: (1) minst 4 pixlar per partikel och (2) ett begränsat avstånd att undvika imaging partiklar som inte är i 2D-planet.

Utformningen av denna enhet, figur 1a-c, baseras på tidigare undersökningar som kombinerar microrheology med mikrofluidik. Schultz och Furst utvecklade µ2reologi, med samma mikroflödessystem fabrication teknik används för vårt arbete. Deras enhet var avsedd att skapa 50-100 prover av hydrogel material, åtskilda av en kontinuerlig fas, med övertoningar i båda polymeren ryggraden och cross-linker koncentration16,29. Tekniker med konvergerande mikroflödessystem strömmar har dessutom visat sig vara användbart för fångst av enstaka partiklar eller makromolekyler25,26. Vi har kombinerat den fabrication tekniken av Schultz och Furst och deras idé om microrheological mätningar i en mikroflödessystem enhet i vår nya enhet och har skalas upp mikroflödessystem svällning mönster. I vår design skapar vi 1 mm fyrkantiga kanaler som rundas av när ett lager av glas görs på insidan av de kanaler som använder sol-gel kemi30. Kanal mått är valda för att undvika interaktioner mellan sonden partiklarna och väggarna i ultrakalla enhet31. För våra sondens storlek (0,5 µm) och kanal höjd (1 mm) hydrodynamisk kraft från glaset på är sonden storleksordningen F ≈ 10-18 N, som visar denna kraft från glasväggen inte kommer ha en märkbar effekt på förflyttning av sonden partiklarna 31. Dessutom sonden partiklar måste vara inom 10 µm av väggen att påverka förslaget av partiklar på grund av partikel interaktioner med väggen. Alla data samlas mer än 10 µm från väggen. Glas är tillverkade i ultrakalla kanaler att förhindra lösningsmedel upptag av PDMS under våra experimentella tidsskala, som är storleksordningen timmar. Genom att använda en fabrication teknik som möjliggör 10 µL prov storlekar (motsvarande kanal höjd 1 mm) och konvergerande mikroflödessystem strömmar, kan vi skala upp fångstmetod från enstaka molekyler till 10 µL.

2-lagers formgivningen ingår för att förhindra flödet instabilitet som uppstår i ett enda lager enhet. Under tidiga iterationer av detta arbete var hela enheten ett lager. Två ingång strömmar (alla med samma vätska, antingen vatten eller gelbildande agent) startade från två hörn av enheten och flödade endast genom långa kanaler kör längden på enheten, tangerar provkammaren. Flöde instabilitet mellan kanalerna resulterade dock i flödet genom provkammaren och en förlust av prov, slutar experimentet. Det andra lagret, tillsammans med tillägg av den stora sugkammaren, avlägsnar dessa instabilitet genom att bara använda en sug källa och skapa lika tryck runt provet, svällning provet under experiment. Det andra lagret har en mycket enkel design och är tänkt att hålla nya omgivande vätskan ovanför provkammaren.

µ2reologi uppgifterna samlas framgångsrikt använda protokollet ovan. Det första steget av installationen, fylla enheten, är avgörande för ett lyckat experiment. Felaktig fyllning kan leda till bubblor i kanaler eller i provkammaren, vilket negativt påverkar både microrheology och funktionen av mikrofabricerade enheten (figur 2). Det enklaste sättet att undvika bubblor i ultrakalla enheten är genom att helt fylla sprutan (att se till att det finns inga bubblor) föregående att fylla enheten. Alternativt, bubblor kan avlägsnas genom antingen införa ett stort flöde av vätska (genom att trycka på kolven i sprutan svårare) eller genom att trycka på enheten försiktigt tills bubblorna flytta till en exit-kanal. Bubblor i en provkammare kan orsaka riktad rörelse av sonder på gränssnittet luft-vätska. MPT mätningar kräver sonder genomgå rent Brownsk rörelse att mäta materialets egenskaper. Bubblor i ultrakalla kanaler också påverka flödet under flytande utbyte, som sedan kan orsaka förändringar i trycket och flytta gel provet ut från kammaren. Båda dessa problem kan undvikas genom att säkerställa att enheten och lösningsmedel kammaren är helt fyllda med vätska före prov injektion. I urvalet ingående steg kommer ge några skeva på prov, men det inte påverkar negativt reologiska egenskaper och materialets struktur. Detta verifierades av bulk reologiska mätningar av prover laddad utan skjuvning och prover lastas den reometer med samma indata tekniker som mikroflödessystem enheten. När enheten är ordentligt fyllt, säkerställer den proceduren beskriva ovan korrekt funktion under experiment.

Det finns minimal materiell förlust under flytande utbyte. Detta är tydligt under experiment av: (1) möjligheten av kolloidala materialet att ha tillräckligt mycket fibrer för att fortsätta att bilda en gel-nätverket och (2) koncentrationen av sonden partiklar kvar tillräckligt hög för att samla in statistiskt signifikant MPT mätningar. Dessutom kan ett enda prov upp till nio fasövergångar, vilket ytterligare indikerar minimal förlust under flytande utbyte. Det totala antalet observerbara övergångar beror på mängden av sonder som förloras på grund av diffusion av provet när det är i den sol-fasen. Sonderna är diffus när materialet är en sol, och en liten mängd av dem kommer diffus ur provet efter varje gel-sol övergång. Mängden sonderna kommer att begränsa mängden övergångar möjligt för enheten.

Vi har visat att denna enhet kan användas för att mäta materialegenskaper och bestämma mikrostrukturen i mjuk materia under upprepade fasövergångar. Symmetri insugningskanalerna in provkammaren svälls ett prov på plats, så att upprepade fasövergångar på ett enda prov utan förlust av provet. Enheten design kan lätt anpassas till olika system, däribland polymera hydrogeler att ändrar strukturen på grund av förändringar i pH eller biologiska och tensid material som är lyhörda för förändringar i salt koncentration, ger reproducerbara resultat till fastställa reologiska egenskaper och struktur av ett gel system under på varandra följande.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Det finns inga upplysningar för detta arbete.

Acknowledgments

Finansiering för detta arbete lämnades av Procter & Gamble Co. och American Chemical Society Petroleum forskningsfonden (54462-DNI7). Bekräftelsen görs till givarna av amerikanska kemiska samhället Petroleum forskningsfonden för delvis stöd av denna forskning. Författarna vill erkänna Dr Marco Caggioni för bra diskussioner.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mitchell, P. Microfluidics-downsizing large-scale biology. Nat. Biotech. 19, 717-721 (2001).
  2. Haber, C. Microfluidics in commercial applications; an industry perspective. Lab Chip. 6, 1118-1121 (2006).
  3. Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442, 368-373 (2006).
  4. Huang, X., Raghavan, S. R., Terech, P., Weiss, R. G. Distinct kinetic pathways generate organogel networks with contrasting fractality and thixotropic properties. J. Am. Chem. Soc. 128, 15341-15352 (2006).
  5. Larsen, T. H., Schultz, K. M., Furst, E. M. Hydrogel microrheology near the liquid-solid transition. Korea-Aust. Rheol. J. 20, 165-173 (2008).
  6. Larsen, T. H., Furst, E. M. Microrheology of the liquid-solid transition during gelation. Phys. Rev. Lett. 100, 146001 (2008).
  7. Schultz, K. M., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. Rapid rheological screening to identify conditions of biomaterial hydrogelation. Soft Matter. 5, 740-742 (2009).
  8. Switzer, L. H., Klingenberg, D. J. Flocculation in simulations of sheared fiber suspensions. Int. J. Multiph. Flow. 30, 67-87 (2004).
  9. Wehrman, M. D., Lindberg, S., Schultz, K. M. Quantifying the dynamic transition of hydrogenated castor oil gels measured via multiple particle tracking microrheology. Soft Matter. 12, 6463-6472 (2016).
  10. Wehrman, M. D., Milstrey, M. J., Lindberg, S., Schultz, K. M. Using µ2rheology to quantify rheological properties during repeated reversible phase transitions of soft matter. Lab Chip. 17, 2085-2094 (2017).
  11. Wehrman, M. D., Lindberg, S. E., Schultz, K. M. Impact of shear on the structure and rheological properties of a hydrogenated castor oil colloidal gel during dynamic phase transitions. J. Rheol. , (2018).
  12. Loh, X. J. Dual-responsive "reversible micelles". J. Appl. Polym. Sci. 127, 992-1000 (2013).
  13. Kern, F., Zana, R., Candau, S. J. Rheological properties of semidilute and concentrated aqueous solutions of cetyltrimethylammonium chloride in the presence of sodium salicylate and sodium chloride. Langmuir. 7, 1344-1351 (1991).
  14. Trappe, V., Prasad, V., Cipelletti, L., Segre, P. N., Weitz, D. A. Jamming phase diagram for attractive particles. Nature. 411, 772-775 (2001).
  15. Philipse, A. P., Wierenga, A. M. On the density and structure formation in gels and clusters of colloidal rods and fibers. Langmuir. 14, 49-54 (1998).
  16. Schultz, K. M., Bayles, A. V., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. Rapid, high resolution screening of biomaterial hydrogelators by mu2rheology. Biomacromolecules. 12, 4178-4182 (2011).
  17. Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179, 298-310 (1996).
  18. Crocker, J. C., Weeks, E. R. Particle tracking using IDL. , Available from: http://www.physics.emory.edu/faculty/weeks//idl/tracking.html (2011).
  19. Mason, T. G. Estimating the viscoelastic moduli of complex fluids using the generalized Stokes--Einstein equation. Rheol. Actac. 39, 371-378 (2000).
  20. Mason, T. G., Ganesan, K., van Zanten, J. H., Wirtz, D., Kuo, S. C. Particle tracking microrheology of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 79, 3282-3285 (1997).
  21. Mason, T. G., Weitz, D. A. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 74, 1250-1253 (1995).
  22. Squires, T. M., Mason, T. G. Fluid mechanics of microrheology. Annu. Rev. Fluid Mech. 42, 413-438 (2010).
  23. Gittes, F., Schnurr, B., Olmsted, P. D., MacKintosh, F. C., Schmidt, C. F. Microscopic viscoelasticity: shear moduli of soft materials determined from thermal fluctuations. Phys. Rev. Lett. 79, 3286-3289 (1997).
  24. Mai, D. J., Brockman, C., Schroeder, C. M. Microfluidic systems for single DNA dynamics. Soft Matter. 8 (41), 10560-10572 (2012).
  25. Tanyeri, M., Ranka, M., Sittipolkul, N., Schroeder, C. M. A microfluidic-based hydrodynamic trap: design and implementation. Lab Chip. 11, 1786-1794 (2011).
  26. Lee, J. S., Dylla-Spears, R., Teclemariam, N. P., Muller, S. J. Microfluidic four-roll mill for all flow types. Appl. Phys. Lett. 90, 074103 (2007).
  27. Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179 (1), 298-310 (1996).
  28. Mason, T. G., Weitz, D. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 74 (7), 1250 (1995).
  29. Schultz, K. M., Furst, E. M. High-throughput rheology in a microfluidic device. Lab on a chip. 11, 3802-3809 (2011).
  30. Abate, A. R., Lee, D., Do, T., Holtze, C., Weitz, D. A. Glass coating for PDMS microfluidic channels by sol-gel methods. Lab Chip. 8, 516-518 (2008).
  31. Happel, J., Brenner, H. Low Reynolds Number Hydrodynamics: with special applications to particulate media. , Prentice-Hall. (1965).

Tags

Engineering fråga 134 kolloider mikrofluidik reologi microrheology gel mjuk materia
Kombinera mikrofluidik och Microrheology att bestämma reologiska egenskaper av mjuk materia under upprepade fasövergångar
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wehrman, M. D., Milstrey, M. J.,… More

Wehrman, M. D., Milstrey, M. J., Lindberg, S., Schultz, K. M. Combining Microfluidics and Microrheology to Determine Rheological Properties of Soft Matter during Repeated Phase Transitions. J. Vis. Exp. (134), e57429, doi:10.3791/57429 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter