בדיית טיפות צמיגות גבוהה באמצעות המכשיר נימי Microfluidic עם שלב-היפוך זרימה ושיתוף מבנה
Summary
שלב-היפוך זרימה ושיתוף התקן הוא הפגין ליצירת monodisperse טיפות צמיגות גבוהה מעל Pas 1, מה שקשה להבין ב מיקרופלואידיקה droplet.
Abstract
הדור של טיפות monodisperse עם צמיגות גבוהה מאז ומתמיד אתגר ב מיקרופלואידיקה droplet. . הנה, נדגים שלב-היפוך זרימה ושיתוף התקן לייצר מדים צמיגות גבוהה טיפות נוזל צמיגות נמוכה. המכשיר נימי microfluidic יש מבנה הזרימה שיתוף משותף עם יציאתו מתחבר צינור רחב יותר. טיפות מאורך של הנוזל צמיגות נמוכה תחילה כמוסות על ידי הנוזל צמיגות גבוהה במבנה זרימה ושיתוף. כמו טיפות צמיגות נמוכה מוארך זורמת דרך היציאה, אשר מטופלת כדי להיות שנרטבו מאת הנוזל צמיגות נמוכה, היפוך פאזה ואז הנגרמת על ידי הדבקה של טיפות צמיגות נמוכה עד לקצה היציאה, כשהתוצאה היא ההופכי עוקבות ומגעים הנוזל צמיגות גבוהה. ניתן לכוונן את הגודל של טיפות צמיגות גבוהה הנובעת על-ידי שינוי יחס קצב זרימת הנוזל נמוך ברמת צמיגות הנוזל צמיגות גבוהה. נדגים מספר דוגמאות טיפוסיות של הדור של טיפות צמיגות גבוהה עם צמיגות עד 11.9 Pas, כגון פתרון גליצרול, מותק, עמילן, פולימר. השיטה מספקת גישה פשוטה ליצירת טיפות צמיגות גבוהה monodisperse, שבו ניתן להשתמש במגוון רחב של יישומים מבוססי-droplet, כגון סינתזה של חומרים, תרופות, תא assay, בביו-הנדסה, מזון הנדסה.
Introduction
הדור של טיפות הופכת טכנולוגיית במגוון רחב של יישומים, כגון תרופות, חומרים סינתזה, bioprinting תלת-ממד, מבחני תא מזון הנדסה1,2,3,4 , 5 , 6. Microfluidic מכשירים עם צומת t7,8, שיתוף זרימה1,9, או התמקדות זרימה10,11 מבנים נמצאים בשימוש נרחב ליצירת monodisperse טיפות אמולסיה יחיד. מבחר של תקופה רציפה צמיגיים יותר יקל על היווצרות של טיפות12, צמיגויות של שני נוזלים רציפה והתפזרו נמצאות בדרך כלל מתחת 0.1 Pas droplet מיקרופלואידיקה13. עם זאת, ביישומים רבים, השלב התפזרו ייתכן צמיגות כמה מאות פעמים גבוה מזה של מים, כגון גליצרול14, פתרונות המכיל חלקיקים15, חלבונים16או פולימרים17 , 18 , 19, בעוד שקשה להשיג monodisperse טיפות ישירות מתוך צמיגות גבוהה נוזלים באורווה מטפטף המשטר11 בהתקנים microfluidic, במיוחד עבור נוזלים עם צמיגות η > 1 Pa·s14 ,17,18,19. יתר על כן, זה היה דיווח13,18 כי שיטות microfluidic טיפוסי droplet היווצרות דורשים נוזלים עם צמיגות נמוכה יחסית, מתח פנים מתונה כדי בצורה אחידה טיפות טפטוף יציב המשטר.
עבור שלב התפזרו עם צמיגות קצת יותר 0.1 Pas גדולה, ישנם מספר גישות אפשריות כדי להקל על היווצרות droplet עם צומת t אופייני, זרימה משותפת או התמקדות זרימה התקנים microfluidic: (1) ירידה צמיגות התפזרו שלב על ידי דילול זה ממס נדיף11,20; (2) להקטין את היחס צמיגות התפזרו אל-רציף לחלוטין על ידי הגדלת צמיגות של1,שלב רציף11; (3) להקטין את קצב הזרימה של שלב התפזרו לערך נמוך ביותר, תוך שמירה על 14,19יחס קצב זרימה רציפה התפזרו גבוהה. עם זאת, גישות אלה אינן מעשיות עבור נוזלים עם צמיגות גבוהה בהרבה, כפי שהם תפחית באופן משמעותי את קצב הייצור תוך העלאת באופן דרמטי את הצריכה של הממס תנודתי או השלב רציפה. ב- addtion, דווח כי מספר פתרונות פולימרים צמיגות גבוהה עם η > 1 Pa·s עדיין לא שברה תוך טיפות עם הגישות הנ ל17,19.
ישנם גם מספר עיצובים משופרת של מכשירים microfluidic אשר מציגים את שלב שלישי של נוזל לתוך המערכת, אשר מקלה על הדור של טיפות צמיגות גבוהה. החידושים כוללים: בועות הציג בפני לחתוך חוט jetting טיפות21, נוזל לליווי immiscible עם צמיגות בינונית, הציג את שלב הביניים בין השלב dipsersed מתמשך שלב18, ו microreactors הציג לייצר טיפות צמיגות גבוהה שני מבשרי צמיגות נמוכה21,22,23. עם זאת, כמו אחד יותר נוזלים מעורב בתהליך, המערכת הופך מורכב יותר, המכשירים עובדים בדרך כלל הרבה צר יותר זרימה המשטר מאשר המכשירים אופייני לדור של טיפות אמולסיה יחיד.
כדי ליצור monodisperse טיפות ישירות מנוזל צמיגות גבוהה עם η > 1 Pa·s, השטח שבשליטת שלב-היפוך שיטות כבר חקרו24. כמו הדור של טיפות צמיגות נמוכה יותר מזו של טיפות צמיגות גבוהה12, טיפות מוארך צמיגות נמוכה בשלב רציף צמיגות גבוהה קודם מופקות בעזרת מבנה טיפוסי זרימה משותפת, ואז נפרדנו עקב לשינוי של משטח wettability במורד הזרם של המבנה זרימה ושיתוף. הנוזל צמיגות נמוכה שפורסמו הפוך מכמס את הנוזל צמיגות גבוהה במורד הזרם לתוך טיפות, כך היפוך פאזה הושלמה. על פי מנגנון היפוך פאזה, monodisperse צמיגות גבוהה טיפות ניתן להפיק המבוסס על התקן הזרימה משותף טיפוסי, בזמן היציאה של המכשיר זרימה ושיתוף מטופלים כדי להיות שנרטבו מאת הנוזל צמיגות נמוכה, והוא מחובר אז אל צינור רחב יותר24 ,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
שלב-היפוך זרימה ושיתוף המכשיר מספק שיטה פשוטה וישר קדימה לייצר טיפות צמיגות גבוהה monodisperse. המכשיר הזה יש מבנה דומה להתקני זרימה ושיתוף נפוצים, כמו מבנה בסיסי תזרים משותף מורכב של אבוב מוכנס בצינור האמצעי, היציאה אשר מחובר לשקע אבובים. עם זאת, ישנם שני הבדלים עיקריים בין שלב-היפוך זרימה ושית?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי נבחרת מדעי הטבע קרן של סין (‘ קט ‘ 51420105006 ו- 51322501). אנו מודים דניאל לדיון מועיל שלו על הרעיונות צמיגות גבוהה.
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).
