שילוב מיקרופלואידיקה Microrheology כדי לקבוע מאפייני Rheological מחומר רך במהלך שלב חוזרות מעברים
Summary
נדגים את ייצור ושימוש של מכשיר microfluidic המאפשר מספר החלקיקים מעקב מדידות microrheology לחקור את ההשפעות rheological של מעברים שלב חוזרות ונשנות בעניין רך.
Abstract
מיקרו מחומר רך ישירות משפיעה על מאפייני rheological מאקרוסקופית והוא ניתן לשינוי על-ידי גורמים שונים, לרבות שחלוף colloidal במהלך השלב הקודם שינויים ומוחלים הטיה. כדי לקבוע את היקף השינויים הללו, פיתחנו מכשיר microfluidic מאפשר חזר על מעברי פאזה המושרה על ידי חילופי האפיון של נוזלים ושל microrheological שמסביב תוך הגבלת הטיה על הדגימה. טכניקה זו היא ממוצע2rheology, השילוב של מיקרופלואידיקה ו- microrheology. המכשיר microfluidic הוא עיצוב דו שכבתי עם כניסת סימטרי נחלים הזנת תא מדגם זה לוכד את הדגימה ג’ל במקום במהלך החלפת נוזלים. ניתן להחיל שאיבה רחוק מן החדר מדגם למשוך נוזלים אל החדר הדגימה. מאפייני rheological גשמי מאופיינים באמצעות חלקיקים מרובים מעקב microrheology (MPT). MPT, חלקיקים בדיקה פלורסנט מוטמעים בתוך החומר, תנועה בראונית של הגששים נרשם באמצעות מיקרוסקופ וידאו. מעקב אחר תנועת החלקיקים, העקירה אומר בריבוע (MSD) מחושבת. MSD קשורה מאקרוסקופית מאפייני rheological, באמצעות היחס סטוקס-איינשטיין מוכללת. השלב של החומר מזוהה על ידי השוואה כדי המעריך הקריטיים מרגוע, באמצעות עקרון הסופרפוזיציה זמן-קיור. מדידות של ג’ל colloidal סיביים ממחישים את התועלת של הטכניקה. התכשיר יש מבנה עדין שניתן לשינוי בלתי הפיך הטיה מוחל. ממוצע2rheology הנתונים מראה כי החומר שוב ושוב equilibrates על מאפייני rheological אותו לאחר כל מעבר פאזה, המציין כי מעברי פאזה לא לשחק תפקיד לשינויים microstructural. כדי לקבוע את התפקיד של הטיה, דגימות יכול הטייה לפני זריקה לתוך המכשיר microfluidic שלנו. ממוצע2rheology היא טכניקה החלים נרחב עבור אפיון החומר רך המאפשר קביעת מאפייני rheological מזערים עדין דגימה בודדת במהלך שלב מעברים בתגובה לשינויים חוזרות ונשנות תנאי הסביבה שמסביב.
Introduction
מעברי פאזה בעניין רך יכול לשנות את המבנה בפיגומים, אשר יש השלכות ביציבות עיבוד והאחרון של חומרים1,2,3. אפיון חומרים רכים במהלך מעברי פאזה דינאמי מספק מידע חיוני על הקשר בין התפתחות מבנית ואת מבנה שיווי משקל מאפייני rheological. לדוגמה, מוצרים ושרותים רבים דורשים שינוי פאזה במהלך שימוש על ידי הצרכן. כמו כן, בתהליך הייצור, צעדים עיבוד, כולל דילול, ערבוב, להקנות הטיה המשפיעים על מאפייני rheological של מיקרו הסופי של המוצר. הכרת מאפייני rheological לאורך כל שינוי פאזה מבטיחה כי המוצר מבצע כמתוכנן. בנוסף, אם כוחות לשנות rheology ההתחלתי של החומר בתהליך הייצור, מעברי פאזה יכולות להניב תוצאות בלתי צפויה ולא רצויה, לשנות את הפונקציה המיועד והיעילות. בנקודה קריטית gelation, הגדיר את הנקודה שבה החומר המעברים פתרון של קולואידים ואמולסיות המשויך או פולימרים לרשת ג’ל פורש-לדוגמה, תכונות החומר שינוי דרסטי עם שינויים קלים להתאחדות. כל שינוי המבנה בנקודה קריטית ג’ל יכול להשפיע את המוצר הסופי4. במהלך מעברים אלה דינמי, חומרים רכים יש תכונות מכניות חלש, מדידות משתמשים בטכניקות ניסיוני הקלאסית ניתן תוך מדידת רעש מגבלת5,6,7. לקחת בחשבון זה, טכניקות כגון microrheology, המגלה רגישות בטווח נמוך מודולים (10-3 – 4 הרשות הפלסטינית), נעשה שימוש כדי לאפיין את הג’ל התחלתית חלש במהלך האבולוציה דינמי. כמה חומרים רגישים לשינויים מיקרו בגלל כוחות חיצוניים, אשר מהווה אתגר במהלך האפיון, כמו לכל העברת חומר או נוזל יכול להשפיע על המבנה ובסופו של דבר, את תכונות החומר הסופי. כדי למנוע שינוי של מיקרו גשמי, פיתחנו מכשיר microfluidic שבו אפשר להחליף את הנוזל הסביבה סביב מדגם תוך מזעור הטיה. על ידי החלפת נוזלים לסביבה, שינויים מאפייני rheological מיקרו נמדדים במהלך שלב מעברים עם תרומות מינימלי של הטיה. המכשיר משולבת עם חלקיקים מרובים מעקב microrheology (MPT) בטכניקה הנקראת rheology2ממוצע. טכניקה זו משמשת כדי לכמת תכונות החומר במהלך שלב רצופים שינויים של ג’ל בתגובה כוח נהיגה חיצוני. הטכניקה יומחשו באמצעות ג’ל colloidal סיבי a, שמן קיק מוקשה (HCO)9,10,11.
ג’ל פיגומים יכול לעבור שינויים האגודה דיסוציאציה עקב שלהם לדוגמה הסביבה12,13,14,15. הכוח המניע של gelation והשפלה חומר מסוים, חייב יהיה מותאם עבור כל חומר מעניין. ראולוגיה2ממוצע ניתן לאפיון מערכות ג’ל מגיב לגירויים חיצוניים, כולל רשתות colloidal פולימריים. שינוי ה-pH, לחץ אוסמוטי או ריכוז המלחים הם דוגמאות של הכוחות זה יכול לגרום לשינויים מיקרו גשמי. לדוגמה, HCO עובר מעברי פאזה מבוקרת על-ידי יצירת מעבר צבע על לחץ אוסמוטי. כאשר מדגם ג’ל HCO מרוכז (4 wt % HCO) שקוע במים, כוחות אטרקטיביים בין colloidal חלקיקי להחליש, גורם השפלה. לחלופין, כאשר פתרון שתדללו של HCO (0.125 wt % HCO) הוא יצר קשר עם חומר הידרופיליות (המכונה הסוכן ג’לי, המורכבת בעיקר גליצרין, חומרים פעילי שטח), מושכת כוחות ההחזרה, גורם gelation. מערכת זו ג’ל ישמש כדי להראות את הפעולה של המכשיר ככלי למדידת מעברי פאזה רצופים מדגם יחיד9,10. כדי לאפיין פיגומים ג’ל אלה במהלך מעברים דינמיים, המבנה ג’ל עדין התחלתית-המעבר שלב קריטי, אנו משתמשים MPT לאפיון חומרים אלה עם רזולוציה גבוהה-עתיים.
Microrheology משמשת כדי לקבוע מאפייני ג’ל ומבנה, במיוחד בזמן המעבר הקריטי, של מערך מחומרים קלים, כולל ג’לים colloidal ו פולימריים5,6,9,16. MPT היא טכניקה microrheological פסיבי המשתמשת מיקרוסקופ וידאו לרשומה תנועה בראונית של חלקיקים בדיקה פלורסנט מוטבע בתוך מדגם. מיקומי החלקיקים לאורך קטעי וידאו נחושים בדיוק בתוך 1/10בתאנון השימוש פיקסל קלאסית מעקב אלגוריתמים17,18. ההרכב בממוצע בריבוע אומר הזחה (MSD, (Δr2(t))) מחושבת על פי מסלולי חלקיקים אלה. MSD קשורה תכונות החומר, כגון הציות השרץ, באמצעות יחס סטוקס-איינשטיין מוכללת17,19,20,21,22, 23. המדינה של החומר נקבע על ידי חישוב המדרון לוגריתמי של העקומה MSD כפונקציה של זמן השהיה, α,
כאשר t הוא זמן השהיה ולאחר השוואתו המעריך הקריטיים מרגוע, n. n נקבעת באמצעות זמן-קיור הסופרפוזיציה, מתועדת היטב בטכניקה שונה כדי לנתח נתונים MPT לארסן, פירסט6. על ידי השוואה של n כדי α המדינה של החומר באופן כמותי נקבע. כאשר α > n החומר הוא סול, ומתי α < n החומר הוא ג’ל. העבודות הקודמות יש מאופיין שבמערכת HCO שימוש microrheology כדי לקבוע הרפיה ביקורתי המעריך9. באמצעות מידע זה, נוכל לקבוע בדיוק מתי החומר המעברים של ג’ל סול במהלך ניסוי. בנוסף, ניתן לחשב את הפרמטר הלא-Gaussian, αNG, כדי לקבוע את מידת הטרוגניות מבנית של מערכת,
איפה תנועת החלקיקים מימדי בכיוון x , Δx(t). באמצעות MPT, ניתן לאפיין שינוי חד-פאזי, אך על ידי אפיון חומרים עם MPT התקן microfluidic, אנחנו מסוגלים לתפעל את סביבתו נוזלים ולאסוף נתונים של מעברים שלב מספר על מדגם יחיד ג’ל.
זה מכשיר microfluidic נועדה לחקור את המעברים הקריטיים של מדגם יחיד ג’ל זה עובר שינויים שלב בתגובה לשינויים בסביבה נוזלית שמסביב. המכשיר בורסות נוזלים המקיפים את הדגימה כאשר הוא גם במדינה ג’ל או סול על ידי נעילת המדגם במקום לזירוז מעבר שלב תוך מזעור הטיה. אגן הממס ממוקם ישירות מעל תא הדגימה, אשר מחוברים באמצעות שישה ערוצים כניסת מפוזרים באופן סימטרי. סימטריה זו מאפשרת חילופי נוזלים מאגן הממס לבין תא הדגימה תוך יצירת לחץ שווה סביב המדגם, נעילתה במקום. היו מספר מחקרים להשתמש בשיטה זו עבור חלקיק בודד ו- DNA השמנה, אך עבודה זו משנה את עוצמת הקול ממולקולות יחיד כדי דגימות המהווים כ 10 µL24,25,26. עיצוב ייחודי זה מאפשר גם אפיון microrheological בזמן אמת במהלך שלב מעברים.
ממוצע2rheology היא טכניקה חזקה הרלוונטיים מערכות רבות חומר רך. בטכניקה המתוארת במאמר זה תוכנן עבור colloidal ג’לים, אך זה ניתן בקלות להתאים חומרים אחרים כגון פולימר או פתרונות micellar. בטכניקה זו, נוכל לקבוע לא רק כיצד מעברי פאזה משפיעים על תכונות החומר של שיווי משקל, אך שלבי עיבוד גם כמה שונה שנמשך השפעות על ההתפתחות rheological של החומר ואת המבנה בפיגומים הסופי, מאפיינים.
Protocol
Representative Results
Discussion
המכשיר microfluidic דו שכבתי (איור 1) יכול להתבצע בקלות על ידי טכניקות ייצור microfluidic מתועדת היטב הבאים29. זכוכית תומך מתווספים בתחתית המכשיר כדי להקטין השפעות הרטט על תנועת החללית. השקופית זכוכית הוא דק מאוד (מ מ 0.10) על מנת להתאים את המרחק עבודה של המטרה מיקרוסקופ. זה הו?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מימון עבור עבודה זו סופק על ידי את פרוקטר & גמבל ושות’ וקרן אמריקאי כימי החברה נפט מחקר (54462-DNI7). וידוע עשוי תורמים אמריקאי כימי החברה נפט מחקר הקרן לתמיכה חלקית של מחקר זה. המחברים רוצה להכיר את ד ר מרקו Caggioni לדיונים מועיל.
Materials
| 150 x 15 mm Petri Dish | Corning, Inc. | 351058 | |
| 75 x 50 x 0.15 mm glass slide | Fisher Scientific | Custom | |
| 75 x 50 x 1.0 mm glass slide | Fisher Scientific | 12-550-C | |
| 75 x 25 x 1.0 mm glass Slide | Fisher Scientific | 12-550-A3 | |
| 22 x 22 Glass cover slips | Fisher Scientific | 12-542-B | |
| Acetone, 99.5% | VWR Analytical | 67-64-1 | |
| Low intensity UV source | UVP | UVL-56 | |
| Chloroform, 99.9% | Fisher Chemical | C298-500 | |
| Cotton Swabs | Q-tips | 83289205 | |
| Ethanol, 90% | Fisher Chemical | A962-4 | |
| Fluoresbrite® YG Carboxylate Microspheres 0.50µm | Polysciences, Inc. | 15700-10 | |
| High-Intensity UV Lamp | Spectroline Corp. | SB-100P | |
| Hot plate | Corning, Inc. | PC-420 | |
| Hydrochloric Acid, 6N | Ricca Chemical Company | 3750-32 | |
| Methyltriethyoxysilane, 98% | Acros Organics | 174622500 | |
| Microcentrifuge | Eppendorf | 5424 | |
| Plasma cleaner | Harrick Plasma, Inc. | PDC-32G | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Robert McKwown Company | 2065622 | |
| Sonicator | Branson, Emerson Electric | 1800 | |
| Steel connectors, ID 0.023 inch | New England Small Tube Corp. | Custom | |
| Tetraethoxysilane, 98% | Alfa Aesar | A14965 | |
| Thiol-ene Resin (UV curable) | Norland Products, Inc. | NOA81 | |
| Transparency | Staples Inc. | 21828 | |
| Tygon tubing, ID 1/32 inch | McMaster-Carr | E-3603 | |
| Vacuum oven | Fisher Scientific | 282A | |
| Biopsy punch 8 mm | World Precision Instruments | 504535 | |
| Bioposy punch 0.5 mm | World Precision Instruments | 504528 | |
| Syringe, 30 mL | BD | 309659 | |
| Syringe, 3 mL | BD | 309651 | |
| Needle, 18 gauge | BD | 305195 | |
| Microcentrifuge tube, 1.5 mL | Eppendorf | 22-36-320-4 | |
| High-speed Camera | Vision Research | Miro M120 | |
| Microscope | Carl Zeiss AG | Zeiss Observer, Z1 | |
| Syringe pump | New Era Pump Systems | NE-300 | |
| Hydrogenated castor oil | Procter & Gamble | N/A | |
| Afício MP 6002 Printer | Ricoh Company, Ltd. | 415877 |
Referências
- Mitchell, P. Microfluidics-downsizing large-scale biology. Nat. Biotech. 19, 717-721 (2001).
- Haber, C. Microfluidics in commercial applications; an industry perspective. Lab Chip. 6, 1118-1121 (2006).
- Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442, 368-373 (2006).
- Huang, X., Raghavan, S. R., Terech, P., Weiss, R. G. Distinct kinetic pathways generate organogel networks with contrasting fractality and thixotropic properties. J. Am. Chem. Soc. 128, 15341-15352 (2006).
- Larsen, T. H., Schultz, K. M., Furst, E. M. Hydrogel microrheology near the liquid-solid transition. Korea-Aust. Rheol. J. 20, 165-173 (2008).
- Larsen, T. H., Furst, E. M. Microrheology of the liquid-solid transition during gelation. Phys. Rev. Lett. 100, 146001 (2008).
- Schultz, K. M., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. Rapid rheological screening to identify conditions of biomaterial hydrogelation. Soft Matter. 5, 740-742 (2009).
- Switzer, L. H., Klingenberg, D. J. Flocculation in simulations of sheared fiber suspensions. Int. J. Multiph. Flow. 30, 67-87 (2004).
- Wehrman, M. D., Lindberg, S., Schultz, K. M. Quantifying the dynamic transition of hydrogenated castor oil gels measured via multiple particle tracking microrheology. Soft Matter. 12, 6463-6472 (2016).
- Wehrman, M. D., Milstrey, M. J., Lindberg, S., Schultz, K. M. Using µ2rheology to quantify rheological properties during repeated reversible phase transitions of soft matter. Lab Chip. 17, 2085-2094 (2017).
- Wehrman, M. D., Lindberg, S. E., Schultz, K. M. Impact of shear on the structure and rheological properties of a hydrogenated castor oil colloidal gel during dynamic phase transitions. J. Rheol. , (2018).
- Loh, X. J. Dual-responsive “reversible micelles”. J. Appl. Polym. Sci. 127, 992-1000 (2013).
- Kern, F., Zana, R., Candau, S. J. Rheological properties of semidilute and concentrated aqueous solutions of cetyltrimethylammonium chloride in the presence of sodium salicylate and sodium chloride. Langmuir. 7, 1344-1351 (1991).
- Trappe, V., Prasad, V., Cipelletti, L., Segre, P. N., Weitz, D. A. Jamming phase diagram for attractive particles. Nature. 411, 772-775 (2001).
- Philipse, A. P., Wierenga, A. M. On the density and structure formation in gels and clusters of colloidal rods and fibers. Langmuir. 14, 49-54 (1998).
- Schultz, K. M., Bayles, A. V., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. Rapid, high resolution screening of biomaterial hydrogelators by mu2rheology. Biomacromolecules. 12, 4178-4182 (2011).
- Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179, 298-310 (1996).
- Mason, T. G. Estimating the viscoelastic moduli of complex fluids using the generalized Stokes–Einstein equation. Rheol. Actac. 39, 371-378 (2000).
- Mason, T. G., Ganesan, K., van Zanten, J. H., Wirtz, D., Kuo, S. C. Particle tracking microrheology of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 79, 3282-3285 (1997).
- Mason, T. G., Weitz, D. A. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 74, 1250-1253 (1995).
- Squires, T. M., Mason, T. G. Fluid mechanics of microrheology. Annu. Rev. Fluid Mech. 42, 413-438 (2010).
- Gittes, F., Schnurr, B., Olmsted, P. D., MacKintosh, F. C., Schmidt, C. F. Microscopic viscoelasticity: shear moduli of soft materials determined from thermal fluctuations. Phys. Rev. Lett. 79, 3286-3289 (1997).
- Mai, D. J., Brockman, C., Schroeder, C. M. Microfluidic systems for single DNA dynamics. Soft Matter. 8 (41), 10560-10572 (2012).
- Tanyeri, M., Ranka, M., Sittipolkul, N., Schroeder, C. M. A microfluidic-based hydrodynamic trap: design and implementation. Lab Chip. 11, 1786-1794 (2011).
- Lee, J. S., Dylla-Spears, R., Teclemariam, N. P., Muller, S. J. Microfluidic four-roll mill for all flow types. Appl. Phys. Lett. 90, 074103 (2007).
- Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179 (1), 298-310 (1996).
- Mason, T. G., Weitz, D. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 74 (7), 1250 (1995).
- Schultz, K. M., Furst, E. M. High-throughput rheology in a microfluidic device. Lab on a chip. 11, 3802-3809 (2011).
- Abate, A. R., Lee, D., Do, T., Holtze, C., Weitz, D. A. Glass coating for PDMS microfluidic channels by sol-gel methods. Lab Chip. 8, 516-518 (2008).
- Happel, J., Brenner, H. . Low Reynolds Number Hydrodynamics: with special applications to particulate media. , (1965).
