Dispositivos a base de vidrio para generar gotas y emulsiones

Summary

Aquí, se presenta un protocolo para fabricar dispositivos microfluídicos a base de vidrio utilizados para generar emulsiones altamente monodispersas con tamaño de gota controlado.

Abstract

En este manuscrito, se describen tres protocolos paso a paso diferentes para generar gotas de emulsión altamente monodispersas utilizando microfluídica a base de vidrio. El primer dispositivo está diseñado para la generación de gotas simples impulsadas por la gravedad. El segundo dispositivo está diseñado para generar gotas de emulsión en un esquema de coflujo. El tercer dispositivo es una extensión del dispositivo de coflujo con la adición de un tercer líquido que actúa como un suelo eléctrico, permitiendo la formación de gotas electrificadas que posteriormente se descargan. En esta configuración, dos de los tres líquidos tienen una conductividad eléctrica apreciable. El tercer líquido media entre estos dos y es un dieléctrico. Una diferencia de voltaje aplicada entre los dos líquidos conductores crea un campo eléctrico que se acopla con las tensiones hidrodinámicas de los líquidos que fluyen, afectando el proceso de formación de chorros y caídas. La adición del campo eléctrico proporciona un camino para generar gotas más pequeñas que en los dispositivos de coflujo simples y para generar partículas y fibras con una amplia gama de tamaños.

Introduction

La generación controlada de gotas en la micra y nanoescala con una distribución de tamaño estrecha es una tarea desafiante. Estas gotas son de interés para la ingeniería de materiales blandos con muchas aplicaciones en ciencia y tecnología ^1,2,3,4,5,6.

Los dispositivos más comunes para la alta tasa de producción de gotas son los mezcladores⁷ y los emulsionadores de ultrasonido⁸. Estos métodos son simples y de bajo costo, pero generalmente resultan en gotas polidispersas con una amplia gama de tamaños. Por lo tanto, se requieren pasos adicionales para producir muestras monodispersas. Los dispositivos microfluídicos se pueden diseñar de manera diferente para proporcionar una forma eficiente de formación de caídas. Además, los caudales generalmente bajos involucrados (es decir, el bajo número de Reynolds) permiten un gran control sobre el flujo de fluido.

Mientras que los dispositivos microfluídicos se fabrican comúnmente utilizando técnicas litográficas con poli(dimetil) siloxano (PDMS), este manuscrito se centra en dispositivos capilares a base de vidrio. Los dispositivos PDMS generalmente se eligen por su capacidad para diseñar patrones de canal complejos y por su escalabilidad. Los dispositivos de vidrio, por el contrario, son rígidos y tienen una mayor resistencia a los solventes que sus contrapartes PDMS. Adicionalmente, el vidrio puede ser modificado para cambiar su humectabilidad, lo que permite controlar la generación de emulsiones complejas. Ser capaz de tratar de forma independiente las paredes de la boquilla y el canal permite la formación de gotas de manera controlada y reproducible, al tiempo que garantiza la estabilidad de las emulsiones resultantes si las gotas tocaran las paredes⁹; de lo contrario, las gotas pueden fusionarse y acumularse en la pared. Otra diferencia entre estos dos tipos de dispositivos es que en los dispositivos basados en vidrio, el flujo es tridimensional, mientras que es plano en los dispositivos PDMS convencionales. Este hecho minimiza el contacto de la gota con las paredes del canal para que la influencia de las líneas de contacto pueda descuidarse¹⁰, protegiendo así la estabilidad de múltiples gotas de emulsión.

Figura 1: Diferentes configuraciones de dispositivos microfluídicos. Bocetos de (A) una unión en T, (B) un dispositivo de coflujo y (C) un dispositivo de enfoque de flujo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Hay tres geometrías principales utilizadas, a saber, la unión T¹¹, el enfoque de flujo^12,13 y el flujo de coflujo¹⁴. En la geometría de la unión T, la fase dispersa contenida en el canal intersecta perpendicularmente el canal principal que alberga la fase continua. La tensión de cizallamiento ejercida por la fase continua rompe el líquido disperso entrante dando lugar a caídas. Las gotas generadas están limitadas en menor tamaño por las dimensiones del canal principal¹¹. En la geometría de enfoque de flujo, los dos fluidos son forzados a través de un pequeño orificio que se encuentra frente al tubo de inyección. El resultado es la formación de un chorro, que es mucho más pequeño que el tubo de inyección^12,13. Finalmente, la geometría de coflujo tiene una configuración caracterizada por el flujo coaxial de dos fluidos inmiscibles¹⁴. En general, el goteo y el chorro se pueden observar dependiendo de las condiciones de operación. El régimen de goteo se produce a caudales bajos y las gotas resultantes son muy monodispersas y tienen un diámetro proporcional al tamaño de la punta. El inconveniente es su baja frecuencia de producción. El régimen de chorro ocurre a tasas de flujo más altas en comparación con el régimen de goteo. En este caso, el diámetro de la gota es directamente proporcional al diámetro del chorro, que puede ser mucho menor que el diámetro de la punta en las condiciones adecuadas.

Una alternativa a estos enfoques hidrodinámicos se basa en el uso adicional de fuerzas eléctricas. El electrospray es una técnica muy conocida y ampliamente utilizada para generar gotitas. Se basa en el principio de que un líquido con una conductividad eléctrica finita se deformará en presencia de un campo eléctrico fuerte. El líquido eventualmente adoptará una forma cónica resultante del equilibrio entre las tensiones eléctricas y de tensión superficial¹⁵. El proceso comienza con el campo eléctrico induciendo una corriente eléctrica en el líquido que hace que las cargas se acumulen en la superficie. La presencia del campo eléctrico da como resultado una fuerza eléctrica sobre estas cargas, que arrastra el líquido a lo largo, alargando el menisco en la dirección del campo. Bajo diferentes condiciones, el menisco puede arrojar las gotas cargadas o puede emitir uno o varios chorros que luego se rompen en gotas¹⁵. Aunque estos métodos microfluídicos asistidos eléctricamente permiten naturalmente la generación de pequeñas gotas, sufren de una falta de funcionamiento en estado estacionario que comprometa la monodispersidad de la emulsión. Las gotas cargadas resultantes tienden a descargarse en las paredes de confinamiento y / o en cualquier lugar del dispositivo donde el potencial eléctrico sea menor que el voltaje externo impuesto. Así, el menisco electrificado se vuelve inestable, emitiendo finalmente gotas de forma caótica y provocando su producción descontrolada y pérdida de monodispersidad.

En el electroflujo, las tensiones eléctricas e hidrodinámicas se acoplan en un dispositivo microfluídico de cofluido¹⁶ similar al utilizado para generar emulsiones dobles¹². Dos características principales permiten que el electroflujo tenga éxito en alcanzar un régimen de emisión en estado estacionario: (i) la fase dispersa se expulsa a otro líquido viscoso de coflujo, y (ii) el uso de un contraelectrodo líquido o tierra. Tener un líquido exterior que fluye ha demostrado cambiar las propiedades geométricas del proceso de emisión de^{gotas 17}. El contraelectrodo líquido permite la descarga y extracción de las gotas resultantes, asegurando la generación de gotas en estado estacionario. Además, al explotar el equilibrio de las fuerzas eléctricas e hidrodinámicas, los tamaños de gota resultantes pueden variar potencialmente dentro de un rango más amplio que los tamaños que pueden ser cubiertos por cualquiera de las técnicas mencionadas anteriormente.

Este protocolo de video detallado está destinado a ayudar a los nuevos profesionales en el uso y fabricación de microfluídica a base de vidrio.

Protocol

1. Hacer gotas simples Para hacer gotas simples, use una base de vidrio hecha con un portaobjetos de microscopio (76.2 mm x 25.4 mm) para construir el dispositivo. Esto permite un fácil transporte y visualización de los líquidos a través del vidrio. Use un capilar de vidrio redondo para la punta. Para este protocolo, utilice capilares redondos de 1 mm de diámetro (fácilmente disponibles en una amplia gama de tamaños). Para hacer una punta con el diámetro deseado, tire …

Representative Results

En este manuscrito, se han diseñado tres dispositivos diferentes para generar gotas. Hemos generado gotas con un tamaño de (3.29 ± 0.08) mm (Figura 4B) y (1.75 ± 0.04) mm (Figura 4C) utilizando el dispositivo descrito en el paso 1. Las gotas de emulsión se pueden generar utilizando el coflujo y los dispositivos de electroflujo. Para este último, mostramos el goteo en la Figura 9, mientras que los modos de chorro de cono y azot…

Discussion

El protocolo para fabricar tres dispositivos diferentes basados en vidrio se ha descrito anteriormente. En el caso del dispositivo para generar gotas simples, el caudal y las propiedades del líquido son cruciales para generar gotas de manera controlada. Las gotas se formarán en la punta en el régimen de goteo, o al final del chorro en el régimen de chorro. La transición del goteo al chorro está parametrizada por el número de Weber adimensional, We²³. Este número representa la relación ent…

Materials

2-[methoxy(polyethyleneoxy)6-9propyl] trimethoxysilane.	Gelest	SIM6492.7
Ceramic tile	Sutter	CTS
Ethylene glycol	Fisher	BP230	These can be found at other companies like Sigma-Aldrich
Hexane	Sigma- Aldrich	34859	Available in other vendors
ITW Polymers Adhesives Devcon 5 Minute Epoxy Adhesive 25 mL Dev-Tube	Ellsworth adhesives	470740
Microforge	Narishige	MF 830
Micropipette puller	Sutter	P97
Microscope slides	Fisher	12-544-1	Available in other vendors
Needle 20 Gauge, .0255" ID, .0355" OD, 1/2" Long	McMaster	75165A677
SDS	Sigma-aldrich	428015	Surfactant
Silicone oil	Clearco	PSF-10cSt	The catalog number correspond to the 10cSt viscosity oil. Different viscosity oils can be found at this company
Span 80	Fisher	S0060500G	non-ionic surfactant
Square glass capillary 2mm ID (borosillicate 300 or 600 mm long)	VitroCom	S 102
Standard Glass Capillaries, 6 in., 2 / 1.12 OD/ID	World Precision instruments	1B200-6	These can be found at other companies like Sutter or Vitrocom
Syringe pump	Chemyx	FUSION 100-X	This model has a good quality/price ratio
Syringes (it will depend on the compatibility with the liquids)	Fisher		Catalog number will depend on the size
Trimethoxy(octyl)silane	Sigma- Aldrich	376221	Available in other vendors
Tubing ( it will depend on the compatibility with the liquids)	Scientific commodities	BB3165-PE/5	This reference is for polyethylene micro tubing. The size fits the needle size listed here