Combinazione di microfluidica e Microrheology per determinare le proprietà reologiche dei materiali molli durante le transizioni di fase ripetute

Summary

Dimostriamo la fabbricazione e l’uso di un dispositivo microfluidico che consente più particelle rilevamento misure microrheology per studiare gli effetti reologici ripetute delle transizioni di fase su materia soffice.

Abstract

La microstruttura della materia soffice direttamente urta la proprietà reologiche macroscopiche e può essere modificata da fattori tra cui colloidale riorganizzazione cambiamenti di fase precedente e applicato al taglio. Per determinare la portata di tali modifiche, abbiamo sviluppato un dispositivo microfluidico che consente ripetano transizioni di fase indotte dal cambio della caratterizzazione microrheological e del liquido circostante limitando il taglio sul campione. Questa tecnica è µ²reologia, la combinazione di microfluidica e microrheology. Il dispositivo microfluidico è un disegno di due-strato con i flussi di ingresso simmetrica entrare in una camera del campione che intrappola il campione di gel in posto durante lo scambio di fluidi. Aspirazione possa essere applicati lontano dal pozzetto di misurazione estrarre fluidi nel pozzetto di misurazione. Proprietà reologiche del materiale sono caratterizzati utilizzando particelle più rilevamento microrheology (MPT). In MPT, particelle di sonda fluorescente sono incorporate nel materiale e il moto browniano delle sonde viene registrata utilizzando video microscopia. Il movimento delle particelle viene registrato e viene calcolata la cilindrata media-squared (MSD). il MSD è relativo a proprietà reologiche macroscopiche, utilizzando la relazione di Stokes-Einstein generalizzato. La fase del materiale viene identificato in confronto all’esponente critico relax, determinato mediante sovrapposizione tempo-cura. Misurazioni di un gel colloidale fibroso illustrano l’utilità della tecnica. Questo gel ha una struttura delicata che può essere modificata in modo irreversibile quando viene applicato il taglio. dati di reologia di²µ indicano che il materiale equilibra ripetutamente alle stesse proprietà reologiche dopo ogni transizione di fase, che indica che le transizioni di fase non giochino un ruolo nei cambiamenti microstrutturali. Per determinare il ruolo di shear, campioni possono essere tosati prima dell’iniezione nel nostro dispositivo microfluidico. reologia²µ è una tecnica ampiamente applicabile per la caratterizzazione della materia soffice che permette la determinazione delle proprietà reologiche di microstrutture delicate in un singolo campione durante le transizioni di fase in risposta a cambiamenti ripetuti nella condizioni ambientali circostanti.

Introduction

Transizioni di fase in materia soffice possono modificare la struttura dell’impalcatura, che ha implicazioni nella stabilità finale ed elaborazione del materiale^1,2,3. La caratterizzazione dei materiali molli durante le transizioni di fase dinamica fornisce informazioni essenziali circa il rapporto tra evoluzione strutturale e struttura di equilibrio e proprietà reologiche. Ad esempio, molti prodotti home care richiedono un cambiamento di fase durante l’uso dei consumatori. Inoltre, durante la produzione, fasi di lavorazione, tra cui la diluizione e miscelazione, può impartire shear che interessano le proprietà reologiche e microstruttura finale del prodotto. Comprendere le proprietà reologiche durante un cambiamento di fase assicura che il prodotto funzioni come progettato. Inoltre, se le forze alterano la partenza reologia del materiale durante la produzione, transizioni di fase possono produrre risultati inattesi e indesiderati, cambiando la destinazione d’uso prevista e l’efficacia. Al punto critico di gelificazione, definito come il punto dove il materiale transizioni da una soluzione di polimeri o di colloidi associati a una rete di gel campione-spanning, proprietà del materiale cambiano drasticamente con lievi modifiche all’associazione. Qualsiasi modifica alla struttura al punto critico gel può influire il prodotto finale⁴. Durante queste transizioni dinamiche, materiali morbidi hanno deboli proprietà meccaniche e misure che utilizzano tecniche sperimentali classiche possono essere all’interno la misura rumore limite^5,6,7. Per tenere conto di questo, tecniche quali microrheology, che è sensibile nella gamma moduli basso (10^-3 – 4 Pa), sono utilizzati per caratterizzare il gel incipiente debole durante l’evoluzione dinamica. Alcuni materiali sono sensibili ai cambiamenti nella microstruttura a causa di forze esterne, che presenta una sfida durante la caratterizzazione, come trasferimenti di materiale o di fluido possono influenzare la struttura e, in definitiva, la proprietà del materiale finale. Per evitare di alterare la microstruttura del materiale, abbiamo sviluppato un dispositivo microfluidico che possa scambiarsi il fluido ambientale intorno ad un campionamento riducendo al taglio. Scambiando l’ambiente fluido, cambiamenti nella microstruttura e proprietà reologiche sono misurati durante le transizioni di fase con il minimo contributo di taglio. Il dispositivo è combinato con più particelle microrheology (MPT) di rilevamento in una tecnica chiamata µ²reologia. Questa tecnica viene utilizzata per quantificare le proprietà del materiale cambiamenti di fase consecutivi di un gel in risposta a una forza esterna. Viene illustrata la tecnica utilizzando un fibroso gel colloidale, olio di ricino idrogenato (HCO)^9,10,11.

Impalcature di gel possono subire modifiche in associazione e dissociazione a causa del loro campione ambiente^12,13,14,15. La forza trainante di gelificazione e di degradazione sono materiali specifici e devono essere adattati per ogni materiale di interesse. reologia²µ può essere utilizzata per caratterizzare sistemi di gel che rispondono agli stimoli esterni, comprese le reti colloidale e polimeriche. Alterare il pH, pressione osmotica o concentrazione salina sono esempi di scacciare le forze che possono indurre cambiamenti nella microstruttura del materiale. Ad esempio, HCO subisce le transizioni di fase controllata mediante la creazione di un gradiente di pressione osmotica. Quando un campione di gel concentrato HCO (4 wt % HCO) è immerso in acqua, indeboliscono le forze attraenti fra particelle colloidali, degrado. In alternativa, quando una soluzione diluita di HCO (0,125 wt % HCO) è a contatto con un materiale idrofilo (indicato come agente gelificante e composto per lo più glicerina e tensioattivo), l’attraente forze ritorno, causando la gelificazione. Questo sistema gel serviranno per mostrare il funzionamento del dispositivo come uno strumento per la misurazione di transizioni di fase consecutivi su un singolo campione^9,10. Per caratterizzare queste impalcature di gel durante transizioni dinamiche e la struttura di gel delicato incipiente alla transizione di fase critica, usiamo MPT per caratterizzare questi materiali con alta risoluzione spazio-temporale.

Microrheology viene utilizzato per determinare le proprietà del gel e la struttura, soprattutto alla transizione critica, di una matrice di materiali morbidi, tra cui gel colloidale e polimerici^5,6,9,16. MPT è una tecnica di microrheological passiva che utilizza video microscopia per registrare il moto browniano delle particelle di sonda fluorescente incorporato all’interno di un campione. Le posizioni delle particelle in tutto i video sono precisamente determinate all’interno di 1/10^th di un pixel usando algoritmi^17,18di rilevamento classica. L’ensemble ha stato in media cilindrata media-squared (MSD, (Δr²(t))) viene calcolato da queste traiettorie delle particelle. il MSD è relativo alle proprietà del materiale, quali la conformità di creep, utilizzando la relazione di Stokes-Einstein generalizzato^{17,19,20,21,22, 23}. Lo stato del materiale è determinato calcolando la pendenza della curva in MSD logaritmica in funzione del tempo di ritardo, α,

dove t è il tempo di ritardo e confrontandolo con l’esponente critico relax, n. n viene determinato utilizzando la sovrapposizione tempo-cura, una tecnica ben documentata che è stata modificata per analizzare i dati MPT di Larsen e Furst⁶. Tramite il confronto di n per α lo stato del materiale è determinato quantitativamente. Quando α > n il materiale è un sol e quando α < n il materiale è un gel. Il lavoro precedente ha caratterizzato il sistema HCO usando microrheology per determinare l’ esponente critico relax⁹. Utilizzando queste informazioni, determinare con precisione quando il materiale passa da un gel a un sol durante un esperimento. Inoltre, il parametro di non-gaussiano, α_NG, può essere calcolato a determinare il grado di eterogeneità strutturale di un sistema,

dove Δx(t) è il movimento delle particelle unidimensionale nella direzione x . Utilizzando MPT, noi possiamo caratterizzare una transizione di fase singola, ma di caratterizzazione di materiali con MPT in un dispositivo di microfluidica, siamo in grado di manipolare l’ambiente circostante fluido e raccogliere dati di diverse transizioni di fase su un campione di gel unico.

Questo dispositivo microfluidico è destinato per studiare le transizioni critiche di un campione unico gel che subisce cambiamenti di fase in risposta ai cambiamenti nell’ambiente fluido circostante. Il dispositivo scambia liquido che circonda il campione quando sia allo stato di gel o sol è bloccando il campione in grado di indurre una transizione di fase, riducendo al minimo taglio. Un bacino di solvente si trova direttamente di sopra del pozzetto, che sono collegate da sei canali di adduzione simmetricamente distanziati. Questa simmetria consente lo scambio di liquido dal bacino del solvente per la camera del campione durante la creazione di uguale pressione intorno al campione, bloccandola. Ci sono stati diversi studi che utilizzano questa tecnica per singola particella e intrappolamento del DNA, ma questo lavoro di scale il volume da singole molecole a campioni che sono circa 10 µ l^24,25,26. Questo design unico consente inoltre la caratterizzazione di microrheological in tempo reale durante le transizioni di fase.

reologia²µ è una tecnica robusta che è applicabile a molti sistemi di materia soffice. La tecnica descritta in questo documento è stata progettata per gel colloidale, ma può essere facilmente adattato ad altri materiali come polimero o soluzioni micellari. Con questa tecnica, determiniamo non solo come transizioni di fase influenzano le proprietà del materiale di equilibrio, ma anche come diverse fasi possono avere effetti sull’evoluzione reologica del materiale e la struttura finale dell’impalcatura duraturi e Proprietà.

Protocol

1. fabbricazione del dispositivo microfluidico Fabbricazione di timbro di microfluidica.Nota: Questo passaggio richiede l’uso di materiali volatili e dovrebbe essere fatto in una cappa chimica. Utilizzare un disegno stampato negativo con le stesse dimensioni come il vetrino (75 × 50 mm), il bianco colorato di canali, e lo sfondo di colore nero (Vedi Figura 1). Stampare questo disegno su un foglio di acetato trasparente (trasparenza) con una risoluzione…

Representative Results

Un dispositivo microfluidico a due strati è costruito con PDMS (Figura 1a, b), che è modellato su un francobollo di microfluidica. Il design del bollo è mostrato in Figura 1c. Installazione sperimentale errata può provocare sia in errori nei flussi di microrheology e microfluidica passivi durante che circondano scambio fluido (Figura 2). Esempi di setup speriment…

Discussion

Il dispositivo di due-strato microfluidica (Figura 1) può essere facilmente fatta seguente ben documentato microfluidici fabbricazione tecniche²⁹. Sostegni di vetro vengono aggiunte alla parte inferiore del dispositivo per diminuire gli effetti vibrazionali il movimento della sonda. Il vetrino è molto sottile (0,10 mm) al fine di accogliere la distanza di lavoro l’obiettivo del microscopio. Questo rende il dispositivo suscettibile di piccole vibrazioni nell’edificio…

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