Herstellung von hoher Viskosität Tröpfchen mit mikrofluidischen Kapillare Gerät mit Phase-Inversion Co-Flow Struktur
Summary
Eine Phase-Inversion-Co-Flow-Gerät zeigt um Monodisperse hochviskose Tröpfchen über 1 Pas zu erzeugen, die schwierig, in Tröpfchen Mikrofluidik zu verwirklichen ist.
Abstract
Die Generation der Monodisperse Tropfen mit hoher Viskosität seit jeher eine Herausforderung in Tröpfchen Mikrofluidik. Hier zeigen wir ein Phase-Inversion Co-Flow Gerät um einheitlich hoher Viskosität Tröpfchen in eine niedrigviskose Flüssigkeit zu erzeugen. Das mikrofluidischen Kapillare Gerät hat eine gemeinsame Co-Flow-Struktur mit seinen Ausgang zu einem breiteren Schlauch anschließen. Längliche Tröpfchen der niedrigviskosen Flüssigkeit werden zunächst durch die hochviskose Flüssigkeit in der Co-Flow Struktur gekapselt. Wie die länglichen dünnflüssiges Tröpfchen durch den Ausgang die behandelt wird fließen, durch die niedrigviskose Flüssigkeit benetzt werden, wird Phase Inversion dann durch die Adhäsion der niedrigen Viskosität Tropfen an der Spitze der Ausfahrt induziert die Ergebnisse in die anschließende inverse Kapselung von hochviskosen Flüssigkeiten. Die Größe der resultierenden hochviskose Tröpfchen kann durch Ändern der Preis Verhältnis der niedrigviskosen Flüssigkeit, hochviskose Flüssigkeit. Wir zeigen einige typische Beispiele für die Erzeugung von hoher Viskosität Tröpfchen mit einer Viskosität bis 11,9 Pas, wie Glycerin, Honig, Stärke und Polymer-Lösung. Die Methode bietet einen einfachen und unkomplizierten Ansatz um Monodisperse hochviskose Tröpfchen erzeugen, die in einer Vielzahl von Tröpfchen-basierten Anwendungen wie Materialsynthese, Drug-Delivery, Zelle Assay, Bioengineering und Lebensmitteln verwendet werden dürfen Technik.
Introduction
Die Generation der Tröpfchen wird eine Schlüsseltechnologie in einer Vielzahl von Anwendungen, z. B. Drug-Delivery, Materialsynthese, 3D Bioprinting, Zelle Assays und Food engineering1,2,3,4 , 5 , 6. Co fließen mikrofluidischen Geräte mit t-Kreuzung7,8,1,9, oder Fluss-Fokussierung10,11 Strukturen sind weit verbreitet, Monodisperse zu generieren einzigen Emulsion Tröpfchen. Auswahl von viskoser dauerphase erleichtert die Bildung von Tröpfchen12, und die Viskosität der kontinuierlichen und verteilten Flüssigkeiten sind häufig unter 0,1 Pas in Tröpfchen Mikrofluidik13. Jedoch kann in vielen Anwendungen die dispersen Phase eine Viskosität mehrere hundert Mal höher als die des Wassers, wie Glycerin14, Lösungen mit Nanopartikeln15, Proteine16oder Polymere17 haben , 18 , 19, es ist zwar schwierig, Monodisperse Tropfen direkt von hochviskosen Flüssigkeiten in einem Stall tropft Regime11 in mikrofluidischen Geräten, insbesondere für Flüssigkeiten mit einer Viskosität η > 1 Pa·s14 zu erreichen ,17,18,19. Darüber hinaus wurde berichteten13,18 , dass typische mikrofluidischen Methoden zur Tropfenbildung Flüssigkeiten mit relativ niedrigen Viskosität und moderate Grenzflächenspannung einheitliche Tröpfchen in einer stabilen tropfenden bilden erfordern Regime.
Für dispergierte Phase mit einer Viskosität etwas größer als 0,1 Pas, gibt es mehrere mögliche Ansätze zur Erleichterung der Tropfenbildung mit typischen t-Kreuzung, Co-Flow oder Flow-Fokussierung mikrofluidischen Geräte: (1) Abnahme der Viskosität der dispersen Phase in eine flüchtige Lösungsmittel11,20verdünnen; (2) verringern Sie das Verhältnis verteilt, kontinuierliche Viskosität durch die Erhöhung der Viskosität der kontinuierlichen Phase1,11; (3) verringern Sie die Durchflussmenge der dispersen Phase auf einen extrem niedrigen Wert, wobei ein hoher kontinuierlicher zerstreut Flow Rate Verhältnis 14,19. Diese Ansätze sind jedoch nicht für Flüssigkeiten mit viel höherer Viskosität, praktisch, wie sie die Produktionsrate deutlich senken werden, während dramatisch erhöhen den Verbrauch das flüchtige Lösungsmittel oder die kontinuierliche Phase. Darüber hinaus wurde berichtet, dass einige hohe Viskosität Polymerlösungen mit η > 1 Pa·s noch nicht in Tröpfchen mit17,19genannten Ansätze brechen oben.
Es gibt auch mehrere verbesserte Designs von mikrofluidischen Geräten, die eine dritte Phase der Flüssigkeit in das System einzuführen, die die Erzeugung von hoher Viskosität Tröpfchen erleichtert. Innovationen gehören: Bläschen eingeführt, um eine sprühvolumen Fadenabschneiden in Tröpfchen21, eine nicht mischbaren Geschäftsplanungen Flüssigkeit mit moderaten Viskosität, als die mittlere Phase zwischen der Dipsersed-Phase und der kontinuierlichen Phase18, eingeführt und Mikroreaktoren eingeführt, um hochviskose Tröpfchen aus zwei dünnflüssigen Vorstufen21,22,23zu generieren. Jedoch wie ein flüssiger beteiligt ist, das System wird immer komplizierter und die Geräte funktionieren in der Regel in einem viel engeren Fluss Regime als die typische Geräte zur Erzeugung von einzelnen Emulsion Tröpfchen.
Monodisperse generieren, die Tropfen direkt aus eine hochviskose Flüssigkeit mit η > 1 Pa·s, Oberfläche-kontrollierten Phase-Inversion Methoden wurden untersucht,24. Wie die Generation von dünnflüssigen Tröpfchen viel einfacher als die von hoher Viskosität Tröpfchen12, längliche dünnflüssiges Tröpfchen in einer kontinuierlichen Phase hoher Viskosität entstehen zunächst mit einer typischen Co-Flow-Struktur, und dann sind Due abgewrackt zur Veränderung der Oberfläche Benetzbarkeit flussabwärts der Co-Flow Struktur. Das freigegebene dünnflüssiges Fluid kapselt umgekehrt die nachgelagerte hochviskose Flüssigkeit in Tröpfchen so dass Phase Inversion abgeschlossen ist. Nach der Phase Inversion Mechanismus können Monodisperse hochviskose Tröpfchen erzeugt werden, basierend auf einem typischen Co-Flow-Gerät während die Ausfahrt von der Co-Flow-Gerät behandelt, um durch die niedrigviskose Flüssigkeit benetzt werden und dann mit einem größeren Rohr24 verbunden ist ,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Phase-Inversion-Co-Flow-Gerät bietet eine einfache und geradlinig vorwärts Methode Monodisperse hochviskose Tröpfchen erzeugen. Dieses Gerät hat eine ähnliche Struktur gemeinsamen Co-Flow-Geräte, wie die grundlegende Co-Flow-Struktur besteht aus einem Innenrohr, eingefügt in das mittlere Rohr, die, das Ausfahrt von denen mit Auslass-Schlauch verbunden ist. Allerdings gibt es zwei Hauptunterschiede zwischen dem Phase-Inversion Co-Flow Gerät und gemeinsamen Co-Flow-Gerät zur Erzeugung von hoher Viskosität Tr?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 51420105006 und 51322501) unterstützt. Wir danken Daniel für seine hilfreiche Diskussion über die hohe Viskosität-Ideen.
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 |
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