Faz-inversiyon ortak akış yapısıyla mikrosıvısal kapiller aygıtı kullanarak yüksek viskozite damlacıkları imalatı
Summary
Bir faz-inversiyon iş akışı aygıt monodisperse yüksek viskozite damlacıkları damlacık havacilik fark etmek zordur 1 Pas, yukarıda oluşturmak için gösterilmiştir.
Abstract
Monodisperse damlacıkları yüksek viskozite ile nesil damlacık havacilik mücadelesine hep. Burada, bir düşük viskozite akışkan Tekdüzen yüksek viskozite damlacıkları üretmek için bir faz-inversiyon ortak akış aygıtı gösterir. Mikrosıvısal kapiller cihaz için daha geniş bir tüp bağlama onun çıkış ile ortak bir iş akışı yapısı vardır. Düşük viskozite akışkan uzun damlacıkları ilk iş akışı yapısındaki yüksek viskozite akışkan tarafından saklanmış. Uzun düşük viskozite damlacıkları tarafından düşük viskozite akışkan sualtındaki için tedavi edilir, çıkış çıktıkça faz inversiyon sonra düşük viskozite damlacıkları sonraki ters sonuçlar çıkış ucuna yapışma tarafından indüklenen olduğu yüksek viskozite akışkan encapsulation. Sonuç yüksek viskozite damlacıkları boyutunu yüksek viskozite akışkan düşük viskozite akışkan akış oranı oranını değiştirerek ayarlanabilir. Biz yüksek viskozite damlacıkları ile bir viskozite 11.9 Pas, gliserol, bal, nişasta ve polimer çözüm gibi kadar nesil birkaç tipik örnekler göstermektedir. Yöntem malzeme sentezi, ilaç dağıtım, hücre tahlil, Biyomühendislik ve gıda gibi damlacık tabanlı uygulamaları çeşitli kullanılabilir monodisperse yüksek viskozite damlacıkları üretmek için basit ve kolay bir yaklaşım sağlar Mühendislik.
Introduction
Damlacıkları nesil bir anahtar teknoloji uygulamaları, ilaç dağıtım, malzeme sentezi, 3D bioprinting, hücre deneyleri ve Gıda Mühendisliği1,2,3,4 gibi çeşitli hale geliyor , 5 , 6. mikrosıvısal cihazlar ile paraleldir7,8, ortak akış1,9veya10,11 yapıları akışı odaklanarak, monodisperse üretmek için yaygın olarak kullanılır Tek emülsiyon damlacıkları. Seçimi daha viskoz sürekli aşaması damlacıkları12oluşumu kolaylaştıracak ve sürekli ve dağınık sıvıları viskozite sık damlacık havacilik13‘ te 0.1 Pas aşağıdadır. Ancak, birçok uygulama içinde dağınık faz bir viskozite birkaç yüz kat daha fazla su, gliserol14gibi nano tanecikleri15, proteinler16veya17 polimerler içeren çözümler olabilir , 18 , o doğrudan doğruya–dan yüksek viskoziteli sıvıları rejimi11 mikrosıvısal cihazlarý, özellikle sıvı viskozitesi η > 1 Pa·s14 ile’damlama istikrarlı bir monodisperse damlacıkları başarmak zor olmakla birlikte 19, ,17,18,19. Ayrıca, tipik mikrosıvısal yöntemleri damlacık oluşumu için nispeten düşük viskozite ve istikrarlı bir damlama Tekdüzen damlacıkları oluşturmak için orta interfacial gerilim sıvıları gerektirir bildirilen13,18 olmuştur rejimi.
0.1 Pas biraz daha büyük bir viskozite ile dağınık bir aşamada damlacık oluşumu tipik paraleldir, iş akışı veya akışı odaklanarak mikrosıvısal aygıtlarıyla kolaylaştırmak için çeşitli olası yaklaşım vardır: (1) azalma dağınık viskozite Aşama bir uçucu solvent11,20dakika sonra sulandrarak tarafından; (2) dağınık-için-sürekli viskozite oranı sürekli aşama1,11viskozite artırarak azaltmak; (3) debisi yüksek dağınık sürekli akış hızı oranı 14,19tutarken dağınık aşaması son derece düşük değeri azaltın. Ancak, onlar önemli ölçüde önemli ölçüde uçucu solvent veya sürekli aşama tüketiminin yetiştirme süre üretim hızı düşürür gibi bu yaklaşımlar ile çok daha yüksek viskozite, sıvılar için pratik değildir. Ek, bazı yüksek viskozite polimer çözümler η > 1 Pa·s hala damlacıkları17,19bahsedilen yaklaşımlarla ayrıldınız değil ki rapor edildi.
Ayrıca sıvı üçüncü aşaması yüksek viskozite damlacıkları nesil kolaylaştırır sistemi tanıtmak mikrosıvısal cihazlar birkaç gelişmiş tasarımları vardır. Yenilikler şunlardır: damlacıkları21, ılımlı viskozite dipsersed faz ve sürekli aşama18arasında orta faz olarak tanıttı, bir immiscible eşlik sıvıyla jeti bir iş parçacığı kesmek için tanıttı kabarcıklar ve microreactors iki düşük viskozite öncüleri21,22,23yüksek viskozite damlacıkları üretmek için tanıttı. Ancak, bir daha fazla sıvı sürece dahil gibi sistemi daha karmaşık hale gelir ve aygıtların genellikle normal aygıtları daha bir çok dar bir akış rejim tek emülsiyon damlacıkları üretimi için çalıştığını.
Doğrudan doğruya–dan η > 1 Pa·s, yüzey kontrollü faz-inversiyon yöntemleri ile bir yüksek viskozite sıvı damlacıkları olmuştur monodisperse oluşturmak için24araştırıldı. Düşük viskozite damlacıkları nesil yüksek viskozite damlacıkları12daha kolay olduğu için uzun düşük viskozite damlacıkları bir yüksek viskozite sürekli aşamasında ilk tipik iş akışı yapısını kullanarak oluşturulur ve sonra nedeniyle ayrılır yüzey wettability aşağı iş akışı yapısının değişim için. Böylece faz ters çevirme tamamlandıktan yayımlanan düşük viskozite akışkan aşağı akım yüksek viskozite sıvı damlacıkları ters saklar. İş akışı cihazın çıkış tarafından düşük viskozite akışkan sualtındaki tedavi ve daha geniş bir tüp24 bağlı iken bir tipik iş akışı aygıtta dayalı monodisperse yüksek viskozite damlacıkları faz ters çevirme mekanizması göre oluşturulabilir ,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
Faz-inversiyon iş akışı aygıt monodisperse yüksek viskozite damlacıkları üretmek için basit ve düz ileri bir yöntem sağlar. Temel iş akışı yapısı olan teknelerin çıkış boru için bağlı orta tüp takılı bir iç tüp oluşur gibi bu cihaz ortak iş akışı cihazlar, benzer bir yapısı vardır. Ancak, yüksek viskozite damlacıkları nesil viskozitesi η > 1 Pa·s ile faz-inversiyon ortak akış aygıtı ile ortak iş akışı aygıt arasındaki iki ana fark vardır.
<p class="jove_…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı Çin tarafından (NOS 51420105006 ve 51322501) destek verdi. Daniel yüksek viskozite fikirler yararlı onun tartışma için teşekkür ediyoruz.
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).
