위상 반전 공동 흐름 구조와 미세 모 세관 장치를 사용 하 여 조작 높은 점도 방울

Summary

위상 반전 공동 흐름 장치는 단 분산 높은 점도 방울 방울 마이크로에서 실현 하기 어려운 1 파 위 생성을 보여 줍니다.

Abstract

단 분산 고 점도와 방울의 생성 항상 물방울 마이크로에 도전 하고있다. 여기, 낮은 점성 액체에 균일 한 높은 점도 물방울을 생성 하는 위상 반전 공동 흐름 장치를 설명 합니다. 미세 모 세관 장치 넓은 튜브에 연결 하는 그것의 출구와 일반적인 공동 흐름 구조를가지고 있습니다. 저 점도 액체의 길쭉한 방울 먼저 공동 흐름 구조에 높은 점성 액체에 의해 캡슐화 됩니다. 위상 반전 다음 다음 역에서 출구의 끝에 저 점도 방울의 접착에 의해 유도 된 길쭉한 낮은 점도 방울 낮은 점성 유체에 의해 젖는 취급은, 출구를 통해 흐름 높은 점도 유체 캡슐화 높은 점성 액체에 낮은 점성 액체의 흐름 속도 비율을 변경 하 여 결과 높은 점도 방울의 크기를 조정할 수 있습니다. 높은 점도 11.9 우선권, 글리세롤, 꿀, 녹말, 및 폴리머 솔루션 등까지 점도와 방울의 생성의 몇 가지 전형적인 예를 보여 줍니다. 단 분산 높은 점도 방울 방울-기반 응용 프로그램을, 재료 합성, 약물 전달, 세포 분석 실험, 생명 공학, 그리고 음식 등의 다양 한에서 사용할 수 있는 생성 하는 간단 하 고 간단 접근 방식을 제공 합니다. 공학.

Introduction

방울의 생성 응용 프로그램, 약물 전달, 재료 합성, 3D bioprinting, 세포 분석 실험, 식품 공학^1,2,,34 등의 다양 한 핵심 기술 되고있다 ^{, 5 , 6}. t-교차점^7,8, 미세 장치 공동^1,9, 흐름 또는 흐름 초점^10,11 구조는 널리 단 분산을 생성 하는 데 사용 됩니다 단일 에멀젼 방울입니다. 선택 더 점성 연속 위상의 방울¹²의 형성을 촉진 한다 그리고 연속 및 이산 체액의 점도 일반적으로 0.1 Pa 드롭릿 마이크로¹³아래. 그러나, 많은 응용 프로그램에서 분산된 단계 할 수 있습니다는 점도 몇 백 번 이상 물, 글리세롤¹⁴, 등의 나노 입자¹⁵,¹⁶단백질 또는 고분자¹⁷ 를 포함 하는 솔루션 ^{, 18 , 19}, 단 분산 방울 떨어지는 정권¹¹ 미세 장치, 특히 η > 1 Pa·s^{14 의 점성 유체에에서 안정에서 높은 점도 유체에서 직접 달성 하기 어려운 반면 17,,1819}. 또한, 그것은 보고^13,18 방울 형성에 대 한 일반적인 미세 방법을 상대적으로 낮은 점도 및 안정적인 떨어지는에서 균일 한 방울을 형성 하기 위하여 적당 한 계면 장력 체액 요구 되었습니다. 정권입니다.

0.1 Pa 보다 약간 큰 점도와 분산된 단계에 대 한 일반적인 t-교차점, 공동 흐름 또는 미세 장치 흐름 초점 작은 물방울 형성을 촉진 하기 위하여 몇 가지 가능한 방법 있다: (1) 감소는 분산의 점도 휘발성 용 매^11,20;에 그것을 diluting 하 여 위상 (2) 연속 단계^1,11;의 점도 증가 시켜 분산-하-연속 점도 비율 감소 (3) 높은 분산 연속 흐름 속도 비율 ^14,19를 유지 하면서 매우 낮은 값으로 분산 단계의 흐름 속도 감소. 그러나로 그들은 상당히 극적으로 휘발성 용 매 또는 연속 위상의 소비를 올리는 동안 생산 속도 낮출 것 이다,이 접근 훨씬 높은 점도, 유체에 대 한 실용적 되지 않습니다. 이외, 그것은 그 일부 고 점도 폴리머 솔루션 η > 1 Pa·s 여전히 않았다 하지 헤어 방울으로^17,19위에서 언급 한 방법으로 보고 되었습니다.

또한 높은 점도 방울의 생성을 용이 하 게 시스템에 액체의 세 번째 단계를 소개 하는 미세 장치의 몇몇 향상 된 디자인 있다. 혁신을 포함: 거품 방울²¹, dipsersed 단계 및 지속적인 단계¹⁸사이 중간 단계로 서 도입 적당 한 점도와 혼합할 수 없는 chaperoning 액체에 잘라 처리 스레드를 도입 하 고 microreactors 두 낮은 점도 선구자^21,,2223에서 높은 점도 방울을 생성 하기 위해 도입. 그러나, 한 더 많은 액체는 과정에 참여는, 시스템은 더 복잡 하 고, 고 장치는 일반적으로 단일 에멀젼 방울의 생성에 대 한 전형적인 장치 보다 훨씬 좁은 흐름 정권에서 작동.

단 분산 η > 1 Pa·s, 표면 제어 위상 반전 방법 높은 점성 액체에서 직접 방울 되었습니다 생성 하²⁴조사. 낮은 점도 방울의 생성은 높은 점도 방울¹², 높은 점도 연속 단계에 길쭉한 낮은 점도 방울 먼저 일반적인 공동 흐름 구조를 사용 하 여 생성 되 고 나누어진다 면 보다 훨씬 더 쉽게 공동 흐름 구조의 표면 습윤 다운스트림의 변화. 출시 된 저 점도 액체 반비례 캡슐화 다운스트림 높은 점성 액체 방울으로 위상 반전 완료 되도록 합니다. 위상 반전 메커니즘에 따라 단 분산 고 점도 물방울 생성 될 수 있습니다 일반적인 공동 흐름 장치를 기반으로 공동 흐름 장치 출구 낮은 점성 유체에 의해 젖는 취급 고 다음 더 넓은 관^{24에 연결 ,25}.

Protocol

1. 관찰 ~ 500 μ m의 직경을 가진 수성, 높은 점도 방울의 생성 과정에 대 한 위상 반전 공동 흐름 모 세관 장치를 생산 하는. 참고: 여기에 사용 된 사각형 외부 튜브 높은 점도 방울의 생성 프로세스의 이미지입니다. 촬영할 필요가 있는 경우에, 단말기의 단순화 된 버전 2 프로토콜 단계에 따라 만들 수 있습니다. 모 세관 장치의 어셈블리에 대 한 서로 다른 크기를…

Representative Results

그림 1A와 같이 위상 반전, 공동 흐름 구조와 미세 모 세관 장치 단 분산 수성 높은 점도 작은 물방울을 생성 하도록 설계 되었습니다. 그림 1에서 높은 점도 수성 단계는 ηw 의 점도 글리세롤 = 1.4 파; 저 점도 오일 단계는 ηo 의 점성 있는 액체 파라핀 = 0.029 파; 두 단계 사이 표면 장력은 γ = 27.7 mN/m. …

Discussion

위상 반전 공동 흐름 장치 단 분산 높은 점도 물방울을 생성 하는 간단 하 고 똑 바른 앞으로 방법을 제공 합니다. 이 장치 기본 공동 흐름 구조는 출구 출구 배관에 연결 되어 중간 튜브에 삽입 된 튜브의 구성으로 일반적인 공동 흐름 장치에 유사한 구조를가지고 있습니다. 그러나, η > 1 Pa·s의 점도와 높은 점도 방울의 생성에 대 한 위상 반전 공동 흐름 장치 및 일반적인 공동 흐름 장치 사…

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