اختﻻق قطرات اللزوجة عالية باستخدام "جهاز الشعرية موائع جزيئية" مع "هيكل تدفق" المشارك عكس المرحلة
Summary
ويتجلى جهاز تدفق المشارك انعكاس مرحلة لتوليد مونوديسبيرسي عالية اللزوجة قطرات أعلاه 1 نظام تقييم الأداء، التي من الصعب أن ندرك في ميكروفلويديكس الحبرية.
Abstract
جيل قطرات مونوديسبيرسي مع اللزوجة عالية كانت دائماً تحديا في ميكروفلويديكس الحبرية. هنا، علينا أن نظهر جهاز تدفق المشارك مرحلة انعكاس لتوليد موحدة عالية اللزوجة قطرات في سوائل منخفضة اللزوجة. الجهاز الشعرية موائع جزيئية قد هيكل تدفق المشارك مشترك مع خروج عن ربط أنبوب أوسع نطاقا. أولاً يتم تغليف ممدود قطرات من السوائل منخفضة اللزوجة بالسوائل عالية اللزوجة في هيكل تدفق المشارك. كما تدفق قطرات منخفض اللزوجة ممدود من خلال المخرج، الذي تعامل بأن تبلل بالسوائل منخفضة اللزوجة، انعكاس المرحلة هو ثم الناجمة عن انضمام قطرات اللزوجة منخفضة إلى غيض الخروج، مما يؤدي إلى عكس اللاحقة تغليف السوائل عالية اللزوجة. يمكن ضبط حجم قطرات اللزوجة العالية الناتجة عن طريق تغيير نسبة معدل تدفق السوائل منخفضة اللزوجة في السوائل عالية اللزوجة. علينا أن نظهر عدة أمثلة نموذجية من جيل قطرات اللزوجة عالية مع لزوجة ما يصل إلى 11.9 نظام تقييم الأداء، مثل حل الجلسرين والعسل والنشا والبوليمر. الأسلوب الذي يوفر نهجاً بسيطاً ومباشرا لتوليد قطرات اللزوجة عالية مونوديسبيرسي، والتي يمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات المستندة إلى الحبرية، مثل توليف مواد وإيصال الأدوية وخلية التحليل، والهندسة الحيوية والأغذية هندسة.
Introduction
جيل قطرات أصبحت تكنولوجيا رئيسية في مجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل إيصال الأدوية وتوليف مواد، بيوبرينتينج 3D، فحوصات الخلية والغذاء الهندسة1،2،،من34 , 5 , 6-شارك تدفق موائع جزيئية الأجهزة مع تقاطع تي7،8،1،9، أو تدفق تركز الهياكل11 10،تستخدم على نطاق واسع لتوليد مونوديسبيرسي قطرات مستحلب واحد. اختيار مرحلة مستمرة أكثر لزوجة سيسهل تشكيل قطرات12، واللزوجة السوائل المستمر ومتناثرة على حد سواء عادة أقل 0.1 نظام تقييم الأداء في الحبرية ميكروفلويديكس13. مع ذلك، في العديد من التطبيقات، المرحلة المشتتة قد لزوجة عدة مئات إضعاف من المياه، مثل والغليسيرول14، الحلول التي تحتوي على جسيمات نانوية15أو16من البروتينات أو البوليمرات17 , 18 , 19، في حين أنه من الصعب تحقيق قطرات مونوديسبيرسي مباشرة من السوائل عالية اللزوجة مستقر تتساقط النظام11 في أجهزة موائع جزيئية، خاصة بالنسبة للسوائل مع لزوجة η > 1 Pa·s14 ،17،،من1819. وعلاوة على ذلك، كان المبلغ عنها13،18 أن تتطلب أساليب موائع جزيئية نموذجية لتشكيل قطرات السوائل اللزوجة منخفضة نسبيا ومعتدل توتر السطح البيني لتشكيل قطرات موحدة في نازف مستقرة النظام.
لمرحلة مشتتة بلزوجته أكبر قليلاً من 0.1 نظام تقييم الأداء، وهناك عدة نهج ممكنة لتسهيل تشكيل الحبرية مع تي تقاطع نموذجي أو تدفق المشارك أو أجهزة موائع جزيئية تركز تدفق: (1) انخفاض اللزوجة من المشتتين المرحلة باذابته في المذيبات المتطايرة11،20؛ (2) انخفاض نسبة اللزوجة فرقت-إلى-مستمر بزيادة اللزوجة من1،المستمر المرحلة11؛ (3) انخفاض معدل تدفق للمرحلة المشتتة إلى قيمة منخفضة للغاية، مع الحفاظ على تدفق مستمر لتفريق عالية معدل نسبة 14،19. بيد أن هذه النهج لا عمليا بالنسبة للسوائل مع اللزوجة أعلى بكثير، كما أنها سوف أقل بكثير معدل الإنتاج بينما كبير زيادة استهلاك المذيبات المتطايرة أو في مرحلة مستمرة. بالإضافة، أفيد أن بعض حلول البوليمر لزوجة عالية مع η > 1 Pa·s لا يزال عدم اقتحام قطرات مع النهج المذكورة أعلاه،من1719.
وهناك أيضا عدة تصاميم تحسين أجهزة موائع جزيئية وإدخال مرحلة ثالثة للسوائل في النظام، مما يسهل إنتاج قطرات اللزوجة العالية. وتشمل الابتكارات: فقاعات أدخلت إلى خفض مؤشر ترابط نفث في قطيرات21، سائل تشابيرونينج قابلة للامتزاج مع لزوجة معتدلة، أدخلت كمرحلة متوسطة بين مرحلة ديبسيرسيد و مرحلة مستمرة18، و ميكروريكتورس عرض لتوليد عالية اللزوجة قطرات من اثنين السلائف اللزوجة منخفضة21،،من2223. ومع ذلك، كأحد أكثر مرونة تشارك في هذه العملية، يصبح النظام أكثر تعقيداً، والأجهزة عادة ما تعمل في نظام تدفق أضيق لكثير من الأجهزة نموذجية لتوليد قطيرات المستحلب واحد.
لإنشاء مونوديسبيرسي قطرات من سوائل عالية اللزوجة مع η > 1 Pa·s، أساليب انعكاس المرحلة تسيطر على السطح مباشرة وقد حقق24. كما جيل قطرات اللزوجة المنخفضة أسهل بكثير من أن12من قطرات اللزوجة العالية، ممدود قطرات اللزوجة منخفضة في مرحلة مستمرة عالية اللزوجة تتولد أولاً استخدام هيكل نموذجي تدفق المشارك، وانقسموا بعد ذلك الواجب لتغيير ويتابيليتي سطح المصب هيكل تدفق المشارك. السوائل منخفضة اللزوجة المفرج عنهم عكسيا بتغليف السوائل عالية اللزوجة المصب إلى قطيرات حيث أن اكتمال المرحلة انعكاس. وفقا لآلية انعكاس المرحلة، يمكن إنشاء مونوديسبيرسي عالية اللزوجة قطرات استناداً إلى جهاز تدفق المشارك نموذجي، حين خروج الجهاز تدفق المشارك المعالجة إلى أن تبلل بالسوائل منخفضة اللزوجة، وثم متصل بأنبوب أوسع24 ،25.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوفر الجهاز تدفق المشارك المرحلة عكس أسلوب بسيطة ومباشرة إلى الأمام لتوليد مونوديسبيرسي عالية اللزوجة قطرات. هذا الجهاز لديه بنية مماثلة لأجهزة تدفق المشارك الشائعة، كما يتألف هيكل تدفق المشارك الأساسي من الأنبوب الداخلي إدراجها في أنبوب الأوسط، الخروج منها متصلاً بمنفذ أنابيب. ومع ذلك…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل “مؤسسة العلوم الطبيعية الوطنية الصينية” (رقم 51420105006 و 51322501). ونحن نشكر دانيال له مناقشة مفيدة حول أفكار لزوجة عالية.
Materials
| VitroTubes Glass Tubing | VitroCom | 8240 | Square – Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.4mm, OD=0.8mm |
| VitroTubes Glass Tubing | VitroCom | CV2033 | Round – Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.2mm, O.D.=0.33mm |
| VitroTubes Glass Tubing | VitroCom | CV1017 | Round – Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.1mm, O.D.=0.17mm |
| VitroTubes Glass Tubing | VitroCom | Q14606 | Square – Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=1.05mm+0.1/-0, OD=1.5mm |
| Standard Glass Capillaries | WPI | 1B100-6 | Round – Glass Tubing, I.D.=0.58mm, O.D.=1.00mm |
| Glycerol | Sinopharm Chemical Reagent Beijing | 10010618 | |
| Paraffin Liquid | Sinopharm Chemical Reagent Beijing | 30139828 | |
| Poly(vinyl alcohol), PVA-124 | Sinopharm Chemical Reagent Beijing | 30153084 | |
| Span 80 | Sigma-Aldrich | 85548 | |
| Starch | Sigma-Aldrich | S9765 | |
| Trichloro(octadecyl)silane | Sigma-Aldrich | 104817 | |
| Toluidine Blue O | Sigma-Aldrich | T3260 | |
| Honey | Chaste tree honey, common food product purchased from supermarket | ||
| DEVCON 5 Minute Epoxy | ITW | Epoxy glue | |
| Blunt Tip Stainless Steel Dispensing Needles (Luer Lock) | Suzhou Lanbo Needle, China | LTA820050 | 20G x 1/2" |
| Tungsten/Carbide Scriber | Ullman | 1830 | For cutting glass tubing |
| Microscope Slides | Sail Brand | 7101 | 76.2 mm x 25.4 mm, Thickness 1 – 1.2 mm |
| Polyethylene Tubing | Scientific Commodities | BB31695-PE/5 | I.D. = 0.86 mm, O.D. = 1.32 mm |
| Syringe Pumps | Longer Pump, China | LSP01-1A | 3 pumps needed for the experiments |
References
- Shah, R. K., Shum, H. C., Rowat, A. C., Lee, D., Agresti, J. J., Utada, A. S., Chu, L. Y., Kim, J. W., Fernandez-Nieves, A., Martinez, C. J., Weitz, D. A. Designer emulsions using microfluidics. Mater. Today. 11, 18-27 (2008).
- Park, J. I., Saffari, A., Kumar, S., Günther, A., Kumacheva, E. Microfluidic synthesis of polymer and inorganic particulate materials. Annu. Rev. Mater. Res. 40, 415-443 (2010).
- Heath, J. R., Ribas, A., Mischel, P. S. Single-cell analysis tools for drug discovery and development. Nat. Rev. Drug Discovery. 15, 204-216 (2016).
- Murphy, S. V., Atala, A. 3D Bioprinting of tissues and organs. Nat. Biotechnol. 32, 773-785 (2014).
- Du, G., Fang, Q., den Toonder, J. M. Microfluidics for cell-based high throughput screening platforms-a review. Anal. Chim. Acta. 903, 36-50 (2016).
- Ushikubo, F. Y., Oliveira, D. R. B., Michelon, M., Cunha, R. L. Designing food structure using microfluidics. Food Eng. Rev. 7, 393-416 (2015).
- Xu, J. H., Li, S. W., Tan, J., Wang, Y. J., Luo, G. S. Preparation of highly monodisperse droplet in a T-junction microfluidic device. AIChE Journal. 52, 3005-3010 (2006).
- van Steijn, V., Kleijn, C. R., Kreutzer, M. T. Flows around confined bubbles and their importance in triggering pinch-off. Phys. Rev. Lett. 103, 214501 (2009).
- Utada, A. S., Fernandez-Nieves, A., Stone, H. A., Weitz, D. A. Dripping to jetting transitions in coflowing liquid streams. Phys. Rev. Lett. 99, 094502 (2007).
- Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using "flow focusing" in microchannels. Appl. phys. lett. 82, 364-366 (2003).
- Utada, A. S., Lorenceau, E., Link, D. R., Kaplan, P. D., Stone, H. A., Weitz, D. A. Monodisperse double emulsions generated from a microcapillary device. Science. 308, 537-541 (2005).
- Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab Chip. 8, 198-220 (2008).
- Nunes, J. K., Tsai, S. S. H., Wan, J., Stone, H. A. Dripping and jetting in microfluidic multiphase flows applied to particle and fiber synthesis. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 114002 (2013).
- Cubaud, T., Mason, T. G. Capillary threads and viscous droplets in square microchannels. Phys. Fluids. 20, 053302 (2008).
- Shestopalov, I., Tice, J. D., Ismagilov, R. F. Multi-step synthesis of nanoparticles performed on millisecond time scale in a microfluidic droplet-based system. Lab Chip. 4, 316-321 (2004).
- Zheng, B., Roach, L. S., Ismagilov, R. F. Screening of protein crystallization conditions on a microfluidic chip using nanoliter-size droplets. J. Am. Chem. Soc. 125, 11170-11171 (2003).
- Nie, Z. H., Xu, S. Q., Seo, M., Lewis, P. C., Kumacheva, E. Microfluidic production of biopolymer microcapsules with controlled morphology. J. Am. Chem. Soc. 127, 8058-8063 (2005).
- Abate, A. R., Kutsovsky, M., Seiffert, S., Windbergs, M., Pinto, L. F., Rotem, A., Utada, A. S., Weitz, D. A. Synthesis of monodisperse microparticles from non-Newtonian polymer solutions with microfluidic devices. Adv. Mater. 23, 1757-1760 (2011).
- Seo, M., Nie, Z., Xu, S., Mok, M., Lewis, P. C., Graham, R., Kumacheva, E. Continuous microfluidic reactors for polymer particles. Langmuir. 21, 11614-11622 (2005).
- Duncanson, W. J., Lin, T., Abate, A. R., Seiffert, S., Shah, R. K., Weitz, D. A. Microfluidic synthesis of advanced microparticles for encapsulation and controlled release. Lab Chip. 12, 2135-2145 (2012).
- Song, H., Chen, D. L., Ismagilov, R. F. Reactions in droplets in microfluidic channels. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 7336-7356 (2006).
- Chen, H., Zhao, Y., Li, J., Guo, M., Wan, J., Weitz, D. A., Stone, H. A. Reactions in double emulsions by flow-controlled coalescence of encapsulated drops. Lab Chip. 11, 2312-2315 (2011).
- Wang, P., Li, J., Nunes, J., Hao, S., Liu, B., Chen, H. Droplet micro-reactor for internal gelation to fabricate ZrO2 ceramic microspheres. J. Am. Ceram. Soc. 100, 41-48 (2017).
- Chen, H., Man, J., Li, Z., Li, J. Microfluidic generation of high-viscosity droplets by surface-controlled breakup of segment flow. ACS Appl. Mater. Interfaces. 9, 21059-21064 (2017).
- Man, J., Li, Z., Li, J., Chen, H. Phase inversion of slug flow on step surface to form high viscosity droplets in microchannel. Appl. Phys. Lett. 110, 181601 (2017).
