Fabriceren van dikvloeibaar druppels Microfluidic capillaire apparaat met fase-omkering co flow structuur
Summary
Een fase-omkering co stroom apparaat blijkt voor het genereren van monodispers dikvloeibaar druppels boven 1 Pas, die moeilijk is te realiseren in druppel microfluidics.
Abstract
De generatie van monodispers druppels met hoge viscositeit is altijd een uitdaging in druppel microfluidics geweest. Wij tonen hier, een fase-omkering co stroom apparaat voor het genereren van uniform dikvloeibaar druppels in de vloeistof van een lage viscositeit. Het microfluidic capillaire apparaat heeft een gemeenschappelijke co stroom structuur met een afslag verbinden met een bredere buis. Verlengde druppeltjes van de lage viscositeit vloeistof zijn eerste ingekapseld door de dikvloeibaar vloeistof in de stroom van de co-structuur. Zoals de verlengde lage viscositeit druppels stroom door de uitgang, die wordt getrakteerd op door de lage viscositeit vloeistof worden bevochtigd, wordt fase inversie vervolgens veroorzaakt door de hechting van de lage viscositeit druppels naar het uiteinde van de uitrit, wat in de daaropvolgende inverse resulteert inkapseling van de vloeistof dikvloeibaar. De grootte van de resulterende dikvloeibaar druppels kan worden aangepast door het veranderen van de stroom tarief verhouding van de lage viscositeit vloeistof naar de dikvloeibaar vloeistof. We tonen verschillende typische voorbeelden van de generatie van dikvloeibaar druppels met een viscositeit tot 11.9 Pas, zoals de oplossing van glycerol, honing en zetmeel polymeer. De methode biedt een eenvoudige en ongecompliceerde benadering voor het genereren van monodispers dikvloeibaar druppels, die kunnen worden gebruikt in een verscheidenheid van druppel-gebaseerde toepassingen, zoals materialen synthese, drug delivery, cel assay, studierichtingen Bio-ingenieur, en voedsel Engineering.
Introduction
De generatie van de druppels wordt steeds een sleuteltechnologie in een verscheidenheid van toepassingen, zoals drug delivery, materialen synthese, 3D bioprinting, cellen, en voedsel engineering1,2,3,4 , 5 , 6. Microfluidic apparaten met de t-splitsing7,8, vloeien samen1,9, of stroom-focusing10,11 structuren worden veel gebruikt voor het genereren van monodispers enkele emulsie druppels. Selectie van een meer viskeuze continue fase vergemakkelijkt de vorming van druppels12en de viscositeit van de continue en verspreide vloeistoffen zijn gewoonlijk onder 0.1 Pas in druppel microfluidics13. Echter in vele toepassingen wellicht de verspreide fase een viscositeit verschillende honderd keer hoger dan die van water, zoals glycerol14, oplossingen met nanodeeltjes15, eiwitten16of polymeren17 , 18 , 19, terwijl het is moeilijk te bereiken monodispers druppels rechtstreeks vanuit dikvloeibaar vloeistoffen in een stal druipend regime11 in microfluidic apparaten, met name voor vloeistoffen met een viscositeit van η > 1 Pa·s14 ,17,18,19. Bovendien is het gerapporteerde13,18 , dat typische microfluidic methoden voor druppel vorming vereisen vloeistoffen met een relatief lage viscositeit en matige Interfaciale spanning om te vormen van uniforme druppels in een stabiele druip regime.
Voor een verspreide fase met een iets groter dan 0.1 Pas viscositeit, zijn er verschillende mogelijke benaderingen om de vorming van de druppel met typische t-splitsing, co debiet of flow-focusing microfluidic apparaten: (1) daling van de viscositeit van de verspreide fase door verdunning van het in een vluchtige oplosmiddelen11,20; (2) verlagen de verhouding verspreid-naar-continu viscositeit door verhoging van de viscositeit van de continue fase1,11; (3) het verlagen van het debiet van de verspreide fase tot een uiterst lage waarde, terwijl het houden van een hoge continu aan-verspreide stroom tarief verhouding 14,19. Deze benaderingen zijn echter niet praktisch voor vloeistoffen met veel hogere viscositeit, zoals ze zal de productieomvang aanzienlijk lager terwijl drastisch verhogen van de consumptie van de vluchtige oplosmiddelen of door de continue fase. Ter addtion, werd er gemeld dat sommige hoge viscositeit Polymeeroplossingen met η > 1 Pa·s nog niet in druppeltjes met de benaderingen die bovengenoemde17,19 breken deed.
Er zijn ook verschillende verbeterde ontwerpen van microfluidic-apparaten die een derde fase van de vloeistof in het systeem, dat de generatie van dikvloeibaar druppels vergemakkelijkt introduceren. Innovaties zijn: bubbels ingevoerd om een jetting draad in druppeltjes21, een onmengbare chaperoning vloeistof met matige viscositeit, geïntroduceerd als de middelste fase tussen de fase van de dipsersed en de continue fase18, gesneden en microreactors ingevoerd voor het genereren van dikvloeibaar druppels van twee lage viscositeit precursoren21,–22,23. Echter als een meer vloeistof bij het proces betrokken is, het systeem wordt ingewikkelder, en de apparaten werken meestal in een veel smaller flow-regime dan de typische apparaten voor de generatie van één emulsie druppels.
Onderzocht24voor het genereren van monodispers druppels rechtstreeks vanuit een dikvloeibaar vloeistof met η > 1 Pa·s, oppervlakte-gecontroleerde fase-omkering methoden geweest. Als de generatie van lage viscositeit druppels veel gemakkelijker dan is dat van dikvloeibaar druppels12, langwerpige lage viscositeit druppels in een dikvloeibaar continue fase zijn eerst gegenereerd met behulp van de structuur van een typische co stroom en dan einddatum zijn opgedeeld met de wijziging van oppervlakte bevochtigbaarheid stroomafwaarts van de co stroom structuur. De downstream dikvloeibaar vloeistof de vloeistof lage viscositeit vrijgegeven omgekeerd ingekapseld in druppeltjes zodat fase inversie is voltooid. Volgens de fase inversie mechanisme, kunnen monodispers dikvloeibaar druppels worden gegenereerd op basis van een typische co stroom apparaat, terwijl de uitgang van het apparaat co stroom is behandeld door de lage viscositeit vloeistof worden bevochtigd en vervolgens op een bredere buis24 aangesloten ,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
De fase-omkering co stroom apparaat biedt een eenvoudige en ongecompliceerde forward, methode voor het genereren van monodispers dikvloeibaar druppels. Dit apparaat heeft een vergelijkbare structuur met gemeenschappelijke co stroom apparaten, zoals de co basisstappen structuur uit een binnenband ingevoegd in de middelste buis bestaat, de uitgang van die is aangesloten op de uitlaat slang. Er zijn echter twee belangrijkste verschillen tussen de fase-omkering co stroom apparaat en de gemeenschappelijke co stroom apparaat v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de National Natural Science Foundation of China (nrs. 51420105006 en 51322501). Wij danken Daniel voor zijn nuttige discussie over de hoge viscositeit ideeën.
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).
