Fabrikere høy viskositet dråper bruker Microfluidic kapillær enhet med fase-inversjon co flyt
Summary
En fase-inversjon co flyt enhet er vist for å generere monodisperse høy viskositet dråper over 1 Pas, som er vanskelig å realisere i dråpe microfluidics.
Abstract
Generering av monodisperse dråper med høy viskositet har alltid vært en utfordring i dråpe microfluidics. Her viser vi en fase-inversjon co flyt enhet vil generere jevn høy viskositet dråper i en lav viskositet væsken. Microfluidic kapillær enheten har en felles co flyt struktur med sin exit koble til et større rør. Langstrakt dråper av lav viskositet væsken er først innkapslet av høy viskositet væsken i co flyt strukturen. Mens de avlange lav viskositet dråpene strømmer gjennom utgangen, som behandles å være wetted av lav viskositet væsken, er fase inversjon deretter indusert av vedheft av lav viskositet dråper til spissen av utgangen, som resulterer i den påfølgende inverse innkapsling av høy viskositet væsken. Størrelsen på de resulterende høy viskositet dråpene kan justeres ved å endre flow rate forholdet mellom lav viskositet væsken til høy viskositet væsken. Vi viser flere typiske eksempler på generering av høy viskositet dråper med en viskositet opp til 11,9 Pas, som glyserol, honning, stivelse og polymer løsning. Metoden gir en enkel og grei tilnærming for å generere monodisperse høy viskositet dråper, som kan brukes i en rekke slippverktøy-baserte programmer, for eksempel materialer syntese, narkotika-leveranser, celle analysen, bioteknologi og mat Engineering.
Introduction
Generering av dråper er blitt en viktig teknologi i en rekke programmer, for eksempel narkotika-leveranser, materialer syntese, 3D bioprinting, celle analyser og mat engineering1,2,3,4 , 5 , 6. Microfluidic enheter med t-kryss7,8, co flow1,9eller flyt-fokus10,11 strukturer er mye brukt til å generere monodisperse enkelt emulsjon dråper. Valg av en mer tyktflytende kontinuerlig fase vil lette dannelsen av dråper12viskositet på både kontinuerlig og spredt væsker er vanligvis under 0,1 Pas i dråpe microfluidics13. Mange programmer kan spredt fasen imidlertid ha en viskositet flere hundre ganger høyere enn for vann, for eksempel glyserol14, løsninger som inneholder nanopartikler15, proteiner16eller polymerer17 , 18 , 19, mens det er vanskelig å oppnå monodisperse dråper direkte fra høy viskositet væsker i en stall dryppende regimet11 i microfluidic enheter, spesielt for væsker med en viskositet η > 1 Pa·s14 ,17,18,19. Videre har det vært rapportert13,18 at typisk microfluidic metoder for slippverktøy formasjon krever væsker med en relativt lav viskositet og moderat interfacial spenning å danne uniform dråper i en stabil dryppende regimet.
For en spredt fase med en viskositet litt større enn 0,1 Pas, finnes det flere mulige tilnærminger til rette slippverktøy dannelse med typisk t-kryss, co flyt eller flyt-fokus microfluidic enheter: (1) redusere viskositeten av de adspredte fase fortynne den i en flyktige løsemiddel11,20; (2) redusere spredt-til-kontinuerlig viskositet forholdet ved å øke viskositeten av kontinuerlig fase1,11; (3) redusere infusjonshastigheten av spredt fase til en ekstremt lav verdi, mens en høy kontinuerlig til spredt flow rate forholdet 14,19. Men er disse ikke praktisk for væsker med mye høyere viskositet, som de vil vesentlig lavere produksjon frekvensen samtidig dramatisk øke forbruket av flyktige løsemiddelet eller kontinuerlig fase. I tillegg har det blitt rapportert at noen høy viskositet polymer løsninger med η > 1 Pa·s fortsatt ikke bryte opp i dråper ved fremgangsmåtene ovenfor17,19.
Det er også flere forbedret design av microfluidic enheter som presenterer en tredje fase av væske inn i systemet, som letter generasjonen av høy viskositet dråper. Innovasjoner inkluderer: bobler innført for å skjære en spyling tråd dråper21, en ikke blandbar chaperoning væske med moderat viskositet, introdusert som den midtre fasen mellom dipsersed fasen og kontinuerlig fase18, og microreactors innført for å generere høy viskositet dråper fra to lav viskositet forløpere21,22,23. Men som en mer væske er involvert i prosessen, systemet blir mer komplisert, og enhetene fungerer vanligvis en mye smalere flyt-regimet enn typiske enhetene for generering av enkelt emulsjon dråper.
Generere monodisperse dråper direkte fra en høy viskositet væsken η > 1 Pa·s, overflate-kontrollert fase-inversjon metoder har blitt undersøkt24. Generering av lav viskositet dråper er mye enklere enn høy viskositet dråper12, langstrakt lav viskositet dråper i en høy viskositet kontinuerlig fase genereres første ved hjelp av en typisk co flyt struktur, og så er brutt opp grunn endring av overflaten wettability nedstrøms av co flyt. Utgitt lav viskositet væsken omslutter omvendt nedstrøms høy viskositet væsken inn dråper slik at fase inversjon er fullført. Ifølge fase inversjon mekanisme, kan monodisperse høy viskositet dråper genereres basert på en typisk co flyt enhet, mens utgangen av co flyt enheten er behandlet for å være wetted av lav viskositet væsken, og deretter koblet til en større rør24 ,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fase-inversjon co flyt enheten gir en enkel og likefram videresende metoden for å generere monodisperse høy viskositet dråper. Denne enheten har en lignende struktur felles co flyt enheter, som grunnleggende co flyt strukturen består av en indre rør inn i midten røret, avkjørselen som er koblet til uttaket rør. Det er imidlertid to viktigste forskjellene mellom fase-inversjon co flyt enhet og felles co flyt enhet for generering av høy viskositet dråper med en viskositet η > 1 Pa·s.
<p class="jove…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China (nr. 51420105006 og 51322501). Vi takker Daniel for hans nyttig diskusjon på høy 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).
