Изготовления капель высокой вязкости, используя Microfluidic капиллярного устройства с фазы инверсии потока со структурой
Summary
Устройство совместно потока инверсии фазы продемонстрировал сформировать капельки высокой вязкости монодисперсных выше 1 ССА, который трудно реализовать в капли микрофлюидика.
Abstract
Поколение монодисперсных капель с высокой вязкостью всегда был вызов в микрофлюидика капли. Здесь мы демонстрируем фазы инверсии Сопредседатель потока устройства для создания единой капли высокой вязкости в низкой вязкость жидкости. Microfluidic капиллярного устройство имеет общую структуру совместного потока с его выходом, подключение к широкой трубки. Удлиненные капельки низкой вязкость жидкости сначала инкапсулированные высокой вязкости жидкости в структуре совместного потока. Как удлиненные капельки низкой вязкости потока через выход, который обрабатывается смоченных низкой вязкость жидкости, инверсии фазы затем индуцируется прилипание капелек низкой вязкостью до кончика выхода, что приводит к последующей обратной Инкапсуляция высокой вязкости жидкости. Размер результирующей капель высокой вязкости может корректироваться путем изменения соотношения скорость потока низкой вязкость жидкости к высокой вязкости жидкости. Мы продемонстрировать несколько типичных примеров поколения высокой вязкости капель с вязкостью до 11,9 Pas, как глицерин, мед, крахмал и полимерные решение. Этот метод обеспечивает простой и прямой подход к генерации монодисперсных высокой вязкости капельки, которые могут быть использованы в различных капелька-приложений на основе, например синтеза материалов, Доставка лекарств, assay клетки, биоинженерии и продовольствия Машиностроение.
Introduction
Поколение капли становится ключевой технологией в различных приложений, таких как Доставка лекарств, материалов синтез, 3D подложке, клеток и продовольствия инженерных1,2,3,4 , 5 , 6. Microfluidic приборы с т-образного7,8, совместно поток1,9, или поток упор10,11 структуры широко используются для создания монодисперсных один эмульсии капельки. Выбор более вязкой непрерывной фазой будет способствовать формированию капель12, и вязкости непрерывной и рассеянных жидкости, обычно ниже 0,1 ПА в капли микрофлюидика13. Однако во многих приложениях, дисперсной фазы может иметь вязкость несколько сотен раз выше, чем у воды, например глицерина14, растворов, содержащих наночастицы15, белки16или полимеры17 , 18 , 19, хотя это трудно добиться монодисперсных капли прямо из высокой вязкости жидкостей в стабильной капает11 режим в microfluidic приборы, особенно для жидкостей с вязкостью η > 1 ПА·с14 ,17,18,19. Кроме того он был сообщил13,18 что типичный microfluidic методы для формирования капли требуют жидкости с относительно низкой вязкости и умеренной поверхностное натяжение для формирования единой капли в стабильной капает режим.
Для дисперсной фазы с вязкостью немного больше, чем 0,1 ПА, существует несколько возможных подходов для облегчения формирования капли с типичной т-образного перекрестка, Сопредседатель потока или потока упором microfluidic приборы: (1) снижение вязкости дисперсной Фаза путем разбавления в летучих растворителей11,20; (2) уменьшить коэффициент разошлись к непрерывное вязкость, увеличив вязкость непрерывной фазой1,11; (3) уменьшите расход дисперсной фазы чрезвычайно низкое значение, сохраняя непрерывный разогнали потока скорость соотношение 14,19. Однако эти подходы не практичным для жидкостей с гораздо более высокой вязкостью, как они будут значительно снизить темпы производства резко повышая потребление летучих растворителей или непрерывной фазой. В дополнение сообщалось, что некоторые решения высокой вязкости полимера с η > 1 ПА·с до сих пор не нарушал на капельки с подходами, упомянутые выше17,19.
Есть также несколько улучшение конструкции microfluidic устройств, которые ввести третий этап жидкости в систему, которая облегчает поколения капель высокой вязкости. Инновации включают: пузыри, познакомил нарезать смывающий потока капельки21, несмешивающихся chaperoning жидкости с умеренной вязкости, представил как средний участок между dipsersed фазы и непрерывной фазой18, и микрореакторы, представил для создания высокой вязкости капельки из двух маловязкие прекурсоров21,22,–23. Однако как один больше жидкости участвует в процессе, система становится более сложной, и устройства обычно работают в гораздо короче режима потока, чем типичный устройства для генерации одного эмульсии капельки.
Для создания монодисперсных капельки непосредственно из высокой вязкости жидкости с η > 1 ПА·с, контролируемой поверхности фаза инверсии методы были расследованы24. Поколение низкой вязкости капельки гораздо проще, чем высоковязкое капель12, удлиненные маловязкие капельки в непрерывной фазе высокой вязкости сначала создаются с использованием типичного потока со структуры, а затем разбиты должного для изменения поверхности смачиваемости вниз по течению структуры совместного потока. Выпущенные низкой вязкость жидкости обратно инкапсулирует течению высокой вязкости жидкости в капельки так что инверсии фазы завершения. Согласно механизму инверсии фазы монодисперсных высокой вязкости капельки могут быть созданы на основании типичной Сопредседатель потока устройства, в то время как выход устройства совместно потока угощали смоченных низкой вязкость жидкости, а затем подключен к широкой трубки24 ,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
Фаза инверсии Сопредседатель потока устройство обеспечивает простой и прямой вперед метод для создания монодисперсных высокой вязкости капельки. Это устройство имеет аналогичную структуру общего совместного потока устройства, как структура основных совместно потока состоит из вну?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Фонд национального естественных наук Китая (№ 51420105006 и 51322501). Мы благодарим Даниэля за его полезным обсуждение идеи высокой вязкости.
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).
