Opdigte høj viskositet Droplets bruger mikrofluid kapillær enhed med fase-inversion Co flow struktur
Summary
En fase-inversion Co flow enhed er påvist for at generere monodisperse høj viskositet dråber over 1 Pas, som er vanskelig at realisere i droplet mikrofluidik.
Abstract
Generation af monodisperse dråber med høj viskositet har altid været en udfordring i droplet mikrofluidik. Her viser vi en fase-inversion Co flow enhed for at generere ensartet høj viskositet dråber i en lav viskositet væske. Mikrofluid kapillær enheden har en fælles co flow struktur med dens udgang tilslutning til en bredere tube. Aflangt dråber af lav viskositet væske er først indkapslet af høj viskositet væske i strukturen Co flow. Som aflangt lav viskositet dråber flow gennem exit, som er behandlet for at være chloroformvædet af lav viskositet væske, induceret fase inversion derefter af vedhæftning af lav viskositet dråber til spidsen af exit, hvilket resulterer i den efterfølgende inverse indkapsling af høj viskositet væske. Størrelsen af de deraf følgende høj viskositet dråber kan justeres ved at ændre flow rate ratio af lav viskositet væske til høj viskositet væske. Vi viser flere typiske eksempler på generation af high-viskositet dråber med en viskositet op til 11,9 Pas, såsom glycerol, honning, stivelse og polymer løsning. Metoden giver en enkel og ligetil tilgang for at generere monodisperse høj viskositet dråber, der kan anvendes i en bred vifte af droplet-baserede applikationer, såsom materialer syntese, medicinafgivelse, celle assay, bioteknologi og levnedsmidler ingeniør.
Introduction
Generation af dråber bliver en nøgleteknologi i en række forskellige applikationer, f.eks. medicinafgivelse, materialer syntese, 3D bioprinting, celle assays og food engineering1,2,3,4 , 5 , 6. mikrofluid enheder med t-kryds7,8, co flow1,9, eller strøm-fokusere10,11 strukturer er almindeligt anvendt til at generere monodisperse enkelt emulsion dråber. Valg af en mere tyktflydende kontinuerlige fase vil lette dannelsen af droplets12, og viskositet på både løbende og spredte væsker er almindeligvis under 0,1 Pas i droplet mikrofluidik13. I mange applikationer, kan den spredte fase dog have en viskositet flere hundrede gange højere end vand, såsom glycerol14, opløsninger indeholdende nanopartikler15, proteiner16eller polymerer17 , 18 , 19, mens det er vanskeligt at opnå monodisperse dråber direkte fra høj viskositet væsker i en stabil dryp regime11 i mikrofluid enheder, især for væsker med en viskositet på η > 1 Pa·s14 ,17,18,19. Derudover har det været rapporteret13,18 , typisk mikrofluid metoder for slipværktøj dannelse kræver væsker med relativt lav viskositet og moderat interfacial spænding til at danne ensartet dråber i en stabil dryppende regime.
For en spredte fase med en lidt større end 0,1 Pas viskositet, der er flere mulige tilgange til lette droplet dannelsen med typiske t-kryds, co flow eller strøm-fokusere mikrofluid enheder: (1) fald viskositet af den spredte fase ved at fortynde det i en flygtige opløsningsmidler11,20 (2) mindske spredt-til-kontinuerlig viskositet forholdet ved stigende viskositet af den kontinuerlige fase1,11; (3) nedsætte strømningshastigheden af den spredte fase til en meget lav værdi, mens du holder en høj kontinuerlig til spredt flow rate ratio 14,19. Men disse tilgange er ikke praktisk for væsker med meget højere viskositet, som de bliver betydeligt lavere produktion sats samtidig dramatisk øge forbruget af de flygtige opløsningsmidler eller den kontinuerlige fase. I addtion, er blevet rapporteret, at nogle høj viskositet polymer løsninger med η > 1 Pa·s stadig ikke bryde op i dråber med metoderne nævnt ovenfor17,19.
Der er også flere forbedret design af mikrofluid enheder, som indfører en tredje fase af væske ind i systemet, der fremmer generation af high-viskositet dråber. Innovationer omfatter: bobler indført for at skære en jetting tråd i dråber21, en ikke-blandbare chaperoning væske med moderat viskositet, introducerede som den midterste fase mellem dipsersed fasen og den kontinuerlige fase18, og microreactors indført for at generere høj viskositet dråber fra to lav viskositet prækursorer21,22,23. Men da en mere væske er involveret i processen, systemet bliver mere kompliceret, og enhederne arbejder normalt i et meget smallere flow regime end de typiske enheder for generation af enkelt emulsion dråber.
At generere monodisperse dråber direkte fra en høj viskositet væske med η > 1 Pa·s, overflade-kontrollerede fase-inversion metoder har været undersøgt24. Som generation af lav viskositet dråber er meget lettere end at høj viskositet dråber12, aflangt lav viskositet dråber i en høj viskositet kontinuerlige fase genereres først ved hjælp af en typisk Co flow struktur, og derefter brydes op due ændring af overflade befugtningen nedstrøms i strukturen Co flow. Den frigivne lav viskositet væske indkapsler omvendt downstream høj viskositet væsken i dråber, således at fase inversion er afsluttet. Ifølge den fase inversion mekanisme, der kan genereres monodisperse høj viskositet dråber baseret på en typisk Co flow enhed, mens afgangen fra enhedens Co flow er behandlet for at være chloroformvædet af lav viskositet væske, og derefter forbundet til en bredere tube24 ,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fase-inversion Co flow enhed giver en enkel og lige fremad metode for at generere monodisperse høj viskositet dråber. Denne enhed har en lignende struktur til fælles co flow enheder, som den grundlæggende Co flow struktur består af en indre rør indsat i midten røret, exit som er tilsluttet stikkontakt rør. Der er dog to vigtigste forskelle mellem fase-inversion Co flow enhed og fælles co flow enhed for generation af high-viskositet dråber med en viskositet på η > 1 Pa·s.
…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af den National Natural Science Foundation of China (nr. 51420105006 og 51322501). Vi vil gerne takke Daniel for hans hjælpsomme diskussion om høj viskositet ideer.
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).
