Fabrication des gouttelettes de haute viscosité à l’aide de dispositif microfluidique à capillaire avec Structure de flux de co-inversion de Phase
Summary
Un dispositif d’écoulement co-inversion de phase est démontré pour produire des gouttelettes de haute viscosité monodispersés au-dessus de 1 Pas, ce qui est difficile à réaliser en microfluidique de gouttelettes.
Abstract
La génération des gouttelettes monodisperses à viscosité élevée a toujours été un défi en microfluidique de gouttelettes. Ici, nous démontrons un dispositif d’écoulement co-inversion de phase pour générer des gouttelettes de haute viscosité uniformes dans un fluide de faible viscosité. Le dispositif microfluidique à capillaire a une structure commune de co débit avec sortie en connexion à un tube plus large. Gouttelettes allongées du fluide basse viscosité sont encapsulés tout d’abord par le fluide de viscosité élevée dans la structure de flux Co. Comme les gouttelettes de faible viscosité allongées traversent la sortie, qui est traitée pour être mouillé par le liquide de faible viscosité, inversion de phase est alors induite par l’adhérence des gouttelettes de faible viscosité jusqu’à l’extrémité de la sortie, qui se traduit par l’inverse ultérieur encapsulation du fluide haute viscosité. La taille des gouttelettes haute viscosité qui en résulte est réglable en changeant le rapport de taux de débit du fluide basse viscosité au liquide de haute viscosité. On démontre plusieurs exemples typiques de la génération des gouttelettes de haute viscosité viscosité jusqu’à 11,9 Pas, comme solution de glycérol, de miel, amidon et polymère. La méthode propose une approche simple et directe pour générer des gouttelettes de haute viscosité monodispersé, qui peuvent être utilisés dans une variété d’applications droplet, telles que la synthèse de matériaux, MEDICAMENTS, méthode de criblage cellulaire, génie biologique et alimentaire de l’ingénierie.
Introduction
La génération des gouttelettes devient une technologie clé dans une variété d’applications, telles que les medicaments, la synthèse de matériaux, bioprinting 3D, essais sur des cellules et génie alimentaire1,2,3,4 , 5 , 6. Dispositifs microfluidiques avec carrefour en t7,8, débit co1,9, ou flux de mise au point des structures de11 10,sont largement utilisés pour générer monodispersés gouttelettes d’émulsion unique. Sélection d’une phase continue plus visqueuse facilitera la formation de gouttelettes12, et les viscosités des deux fluides continus et dispersées sont généralement inférieures Pas 0,1 en gouttelettes microfluidics13. Toutefois, dans de nombreuses applications, la phase dispersée peut-être avoir une viscosité plusieurs cent fois supérieure à celle de l’eau, comme le glycérol14, solutions contenant des nanoparticules15, protéines16ou polymères17 , 18 , 19, bien qu’il soit difficile d’obtenir des gouttelettes monodispersés directement à partir de fluides de viscosité élevée dans une étable dégoulinant régime11 en Dispositifs microfluidiques, surtout pour les fluides de viscosité η > 1 PA.s14 ,17,18,19. En outre, il a été rapporté13,18 que microfluidique typique des méthodes pour la formation de gouttelettes nécessitent des fluides avec une viscosité relativement faible et la tension interfaciale modérée pour former des gouttelettes uniformes dans un écoulement stable régime.
Pour une phase dispersée avec une viscosité légèrement supérieure à 0,1 Pas, il y a plusieurs approches possibles pour faciliter la formation de gouttelettes avec Carrefour typique, co de flux ou flux de mise au point de dispositifs microfluidiques : (1) diminution de la viscosité de la dispersion phase il diluer dans un solvant volatile11,20; (2) réduire le rapport de viscosité dispersés-à-continu en augmentant la viscosité de la phase continue1,11; (3) diminuer le débit de la phase dispersée en une valeur extrêmement faible, tout en gardant un haut débit continu à-dispersées taux ratio 14,19. Cependant, ces approches ne sont pas pratiques pour les fluides avec viscosité beaucoup plus élevée, comme ils seront abaissera considérablement le taux de production tout en augmentant considérablement la consommation de solvant volatil ou la phase continue. En outre, on a signalé que certaines solutions de polymère de haute viscosité η > 1 PA.s encore n’affectaient pas vers le haut en gouttelettes avec les approches susmentionnées de17,19.
Il y a aussi plusieurs amélioration de la conception de dispositifs microfluidiques qui introduisent une troisième phase du fluide dans le système, qui facilite la génération des gouttelettes de haute viscosité. Innovations incluent : bulles introduits pour couper un fil Jet en gouttelettes21, un liquide non miscible chaperonner avec viscosité modérée, présenté comme la phase intermédiaire entre la phase de dipsersed et la phase continue18, et microréacteurs mis en place pour générer des gouttelettes de haute viscosité de deux précurseurs de faible viscosité21,22,23. Cependant, comme un plus fluide est impliqué dans le processus, le système devient plus compliqué, et les appareils travaillent généralement dans un régime d’écoulement beaucoup plus étroit que les dispositifs typiques pour la génération de gouttelettes d’émulsion unique.
Pour générer monodispersés gouttelettes directement depuis un fluide haute viscosité η > 1 PA.s, méthodes de surface contrôlée-inversion de phase ont été enquêté sur24. Comme la génération de gouttelettes de faible viscosité est beaucoup plus facile que celle des gouttelettes de haute viscosité12, des gouttelettes de faible viscosité allongés dans une phase continue haute viscosité sont d’abord générées en utilisant une structure typique de flux Co et puis sont détruits régulière le changement de surface mouillabilité en aval de la structure de flux Co. Le liquide libéré de faible viscosité encapsule inversement le fluide de viscosité élevée en aval en gouttelettes afin que l’inversion de phase est terminée. Selon le mécanisme d’inversion de phase, des gouttelettes de haute viscosité monodispersés peuvent être générés basé sur un dispositif typique de flux Co, alors que la sortie de l’appareil de flux Co est traitée pour être mouillé par le liquide de faible viscosité et ensuite reliée à un tube plus large24 ,,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le dispositif d’écoulement co-inversion de phase fournit une méthode avant simple et rectiligne pour générer des gouttelettes de haute viscosité monodispersés. Cet appareil possède une structure similaire aux périphériques co flux communs, comme la structure des flux de co base se compose d’une chambre à air inséré dans le tube central, la sortie qui est reliée au tube de sortie. Cependant, il y a deux différences principales entre le dispositif de débit co-inversion de phase et dispositif commun de fl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (nos 51420105006 et 51322501). Nous remercions Daniel pour son exposé utile sur les idées de haute viscosité.
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).
