JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

שלב-היפוך זרימה ושיתוף התקן הוא הפגין ליצירת monodisperse טיפות צמיגות גבוהה מעל Pas 1, מה שקשה להבין ב מיקרופלואידיקה droplet.

Abstract

הדור של טיפות monodisperse עם צמיגות גבוהה מאז ומתמיד אתגר ב מיקרופלואידיקה droplet. . הנה, נדגים שלב-היפוך זרימה ושיתוף התקן לייצר מדים צמיגות גבוהה טיפות נוזל צמיגות נמוכה. המכשיר נימי microfluidic יש מבנה הזרימה שיתוף משותף עם יציאתו מתחבר צינור רחב יותר. טיפות מאורך של הנוזל צמיגות נמוכה תחילה כמוסות על ידי הנוזל צמיגות גבוהה במבנה זרימה ושיתוף. כמו טיפות צמיגות נמוכה מוארך זורמת דרך היציאה, אשר מטופלת כדי להיות שנרטבו מאת הנוזל צמיגות נמוכה, היפוך פאזה ואז הנגרמת על ידי הדבקה של טיפות צמיגות נמוכה עד לקצה היציאה, כשהתוצאה היא ההופכי עוקבות ומגעים הנוזל צמיגות גבוהה. ניתן לכוונן את הגודל של טיפות צמיגות גבוהה הנובעת על-ידי שינוי יחס קצב זרימת הנוזל נמוך ברמת צמיגות הנוזל צמיגות גבוהה. נדגים מספר דוגמאות טיפוסיות של הדור של טיפות צמיגות גבוהה עם צמיגות עד 11.9 Pas, כגון פתרון גליצרול, מותק, עמילן, פולימר. השיטה מספקת גישה פשוטה ליצירת טיפות צמיגות גבוהה monodisperse, שבו ניתן להשתמש במגוון רחב של יישומים מבוססי-droplet, כגון סינתזה של חומרים, תרופות, תא assay, בביו-הנדסה, מזון הנדסה.

Introduction

הדור של טיפות הופכת טכנולוגיית במגוון רחב של יישומים, כגון תרופות, חומרים סינתזה, bioprinting תלת-ממד, מבחני תא מזון הנדסה1,2,3,4 , 5 , 6. Microfluidic מכשירים עם צומת t7,8, שיתוף זרימה1,9, או התמקדות זרימה10,11 מבנים נמצאים בשימוש נרחב ליצירת monodisperse טיפות אמולסיה יחיד. מבחר של תקופה רציפה צמיגיים יותר יקל על היווצרות של טיפות12, צמיגויות של שני נוזלים רציפה והתפזרו נמצאות בדרך כלל מתחת 0.1 Pas droplet מיקרופלואידיקה13. עם זאת, ביישומים רבים, השלב התפזרו ייתכן צמיגות כמה מאות פעמים גבוה מזה של מים, כגון גליצרול14, פתרונות המכיל חלקיקים15, חלבונים16או פולימרים17 , 18 , 19, בעוד שקשה להשיג monodisperse טיפות ישירות מתוך צמיגות גבוהה נוזלים באורווה מטפטף המשטר11 בהתקנים microfluidic, במיוחד עבור נוזלים עם צמיגות η > 1 Pa·s14 ,17,18,19. יתר על כן, זה היה דיווח13,18 כי שיטות microfluidic טיפוסי droplet היווצרות דורשים נוזלים עם צמיגות נמוכה יחסית, מתח פנים מתונה כדי בצורה אחידה טיפות טפטוף יציב המשטר.

עבור שלב התפזרו עם צמיגות קצת יותר 0.1 Pas גדולה, ישנם מספר גישות אפשריות כדי להקל על היווצרות droplet עם צומת t אופייני, זרימה משותפת או התמקדות זרימה התקנים microfluidic: (1) ירידה צמיגות התפזרו שלב על ידי דילול זה ממס נדיף11,20; (2) להקטין את היחס צמיגות התפזרו אל-רציף לחלוטין על ידי הגדלת צמיגות של1,שלב רציף11; (3) להקטין את קצב הזרימה של שלב התפזרו לערך נמוך ביותר, תוך שמירה על 14,19יחס קצב זרימה רציפה התפזרו גבוהה. עם זאת, גישות אלה אינן מעשיות עבור נוזלים עם צמיגות גבוהה בהרבה, כפי שהם תפחית באופן משמעותי את קצב הייצור תוך העלאת באופן דרמטי את הצריכה של הממס תנודתי או השלב רציפה. ב- addtion, דווח כי מספר פתרונות פולימרים צמיגות גבוהה עם η > 1 Pa·s עדיין לא שברה תוך טיפות עם הגישות הנ ל17,19.

ישנם גם מספר עיצובים משופרת של מכשירים microfluidic אשר מציגים את שלב שלישי של נוזל לתוך המערכת, אשר מקלה על הדור של טיפות צמיגות גבוהה. החידושים כוללים: בועות הציג בפני לחתוך חוט jetting טיפות21, נוזל לליווי immiscible עם צמיגות בינונית, הציג את שלב הביניים בין השלב dipsersed מתמשך שלב18, ו microreactors הציג לייצר טיפות צמיגות גבוהה שני מבשרי צמיגות נמוכה21,22,23. עם זאת, כמו אחד יותר נוזלים מעורב בתהליך, המערכת הופך מורכב יותר, המכשירים עובדים בדרך כלל הרבה צר יותר זרימה המשטר מאשר המכשירים אופייני לדור של טיפות אמולסיה יחיד.

כדי ליצור monodisperse טיפות ישירות מנוזל צמיגות גבוהה עם η > 1 Pa·s, השטח שבשליטת שלב-היפוך שיטות כבר חקרו24. כמו הדור של טיפות צמיגות נמוכה יותר מזו של טיפות צמיגות גבוהה12, טיפות מוארך צמיגות נמוכה בשלב רציף צמיגות גבוהה קודם מופקות בעזרת מבנה טיפוסי זרימה משותפת, ואז נפרדנו עקב לשינוי של משטח wettability במורד הזרם של המבנה זרימה ושיתוף. הנוזל צמיגות נמוכה שפורסמו הפוך מכמס את הנוזל צמיגות גבוהה במורד הזרם לתוך טיפות, כך היפוך פאזה הושלמה. על פי מנגנון היפוך פאזה, monodisperse צמיגות גבוהה טיפות ניתן להפיק המבוסס על התקן הזרימה משותף טיפוסי, בזמן היציאה של המכשיר זרימה ושיתוף מטופלים כדי להיות שנרטבו מאת הנוזל צמיגות נמוכה, והוא מחובר אז אל צינור רחב יותר24 ,25.

Protocol

1. הפקת שלב-היפוך זרימה ושיתוף התקן נימי להתבוננות התהליך הדור של טיפות מימית, צמיגות גבוהה בקוטר של ~ 500 μm.

הערה: הצינור החיצוני מרובע המשמש כאן היא לקחת תמונות של התהליך הדור של טיפות צמיגות גבוהה. אם יש צורך לקחת תמונות, גרסה מפושטת של המכשיר יכול להיעשות על פי פרוטוקול שלב 2.

  1. מכינים שלושה צינורות זכוכית בגדלים שונים עבור ההרכבה של המכשיר נימי.
    1. קח צינור זכוכית מרובע עם גודל הפנימי של 1.05 מ מ, לחתוך חתיכה של הצינור ~ 4 ס מ אורך. זה יהיה הצינור החיצוני של המכשיר.
    2. קח צינור זכוכית עגול ועם של הקוטר הפנימי (זהות) של 580 μm של הקוטר החיצוני (יתר) של 1 מ מ, לחתוך חתיכה של הצינור ~ 3 ס מ אורך. זה יהיה הצינור האמצעי של המכשיר.
    3. קח צינור זכוכית עגול עם תעודה מזהה = 200 μm ואת יתר = 330 μm, לחתוך חתיכה של הצינור ~ 2 ס מ אורך. זה יהיה הצינור הפנימי של המכשיר.
  2. לשנות את פני השטח wettability של קצה אחד של הצינור האמצעי להיות הידרופובי.
    1. לוקחים בקבוקון זכוכית 1 מ"ל, והוסף 0.3 מיליליטר טריכלורו (octadecyl) silane (פאלו ורדה) לתוך המבחנה זכוכית.
    2. להשתמש ברכבת התחתית התיכון עם תעודת זהות = 580 μm מוכן בשלב פרוטוקול 1.1.2, טובלים קצה אחד של זה לתוך פאלו ורדה בבקבוקון זכוכית עבור ~ 10 s.
    3. תוציאי את הצינור האמצעי, לשטוף את הצינור עם גז חנקן מהקצה ללא טיפול.
  3. הכינו את המחטים על פתחי הכניסה של המכשיר נימי.
    1. קח טיפ בוטה 20 גרם dispensing מחט, לחתוך חריץ עם ~0.5 מ מ x 0.5 מ מ בקצה של ה-hub זכוכית פלסטיק עם להב.
      הערה: את המחט ישמש לים לשלב שמן צמיגות נמוכה.
    2. קח עוד 20 גרם בוטה טיפ מחלק מחט, חותכים שני החריצים על קצה הפלסטיק סכינים סטריליים רכזת. יישר את חריצי שני קו עובר הקוטר של ה-hub סכינים סטריליים.
      הערה: חריץ אחד הוא בגודל של ~0.5 מ מ x 0.5 מ מ, ואילו החריץ השני הוא בגודל של ~1.0 מ מ x 1.0 מ מ. את המחט ישמש לים לשלב מימית צמיגות גבוהה.
    3. קח עוד 20 גרם בוטה טיפ מחלק מחט, חותכים שני החריצים על קצה הפלסטיק סכינים סטריליים רכזת. יישר את חריצי שני קו עובר הקוטר של ה-hub סכינים סטריליים.
      הערה: חריץ אחד הוא בגודל של ~1.5 מ מ x 1.5 מ מ; בעוד החריץ השני הוא בגודל של ~1.0 מ מ x 1.0 מ מ. את המחט ישמש לים לניקוי למטרות.
  4. להרכיב הזכוכית צינורות לפי איור 1A.
    1. אקח את שקופית מזכוכית רגילה 7.62 ס"מ x 2.54 ס"מ בתור המצע של המכשיר נימי.
    2. שמכניסים את נקז חיצוני עם תעודה מזהה = 1.05 מ מ, מוכן בשלב פרוטוקול 1.1.1, בשקופית זכוכית עם ~ 1 ס מ הבלטת ממד מהקצה הקצר של השקופית זכוכית.
    3. להשתמש ברכבת התחתית התיכון עם תעודת זהות = μm 580, מוכן בשלב פרוטוקול 1.2, ולא להוסיף בסוף הצינור האמצעי הידרופובי לתוך הצינור החיצוני מהקצה בשקופית זכוכית ולשמור ~ 1 ס מ של הצינור האמצעי מחוץ הצינור החיצוני.
    4. . קח את הצינור הפנימי עם תעודה מזהה = 200 μm, מוכן בשלב פרוטוקול 1.1.3, ולא להוסיף קצה אחד של באבוב לתוך הצינור האמצעי, ושמור ~ 1 ס"מ באבוב בחוץ באמצע.
    5. להשתמש בדבק אפוקסי לתקן את הצינורות שלוש בעמדה לאורך האמצע של השקופית זכוכית. ואז לחכות ~ 5 דקות או יותר עבור הדבק שבמהלכו לחלוטין.
  5. להרכיב את פתחי הכניסה על המכשיר נימי.
    1. קח את המחט כניסת לשלב נמוך-צמיגות שמן, מוכן בשלב פרוטוקול 1.3.1, והנח הרכזת סכינים סטריליים לכסות את קצה הצינורית הפנימית על המצע, ולאחר מכן השתמש דבק אפוקסי לתקן ה-hub סכינים סטריליים על המצע.
    2. קח את המחט כניסת לשלב מימית צמיגות גבוהה, מוכן בשלב פרוטוקול 1.3.2, והנח הרכזת סכינים סטריליים לכסות את הצומת בין האבוב הצינור האמצעית, ולאחר מכן השתמש דבק אפוקסי לתקן ה-hub סכינים סטריליים על גבי המצע.
    3. . קח את המחט כניסת, מוכן בשלב פרוטוקול 1.3.3, ולתת, לניקוי, הרכזת סכינים סטריליים לכסות את הצומת בין הצינור באמצע הצינור החיצוני, ולאחר מכן השתמש דבק אפוקסי לתקן ה-hub סכינים סטריליים על המצע.
    4. חכה ~ 5 דקות או יותר עבור הדבק שבמהלכו לחלוטין.
    5. להשתמש בדבק אפוקסי לאטום הרכזות סכינים סטריליים של המחטים על המצע.
  6. חכה ~ 30 דקות או יותר עבור הדבק שבמהלכו לחלוטין, ואז המכשיר הוא מוכן לשימוש.

2. לגרום שלב-היפוך, מכשיר נימי זרימה ושיתוף בדיית מימית טיפות צמיגות גבוהה בקוטר של ~ 500 μm.

הערה: המכשיר כאן היא גרסה מפושטת של המכשיר בשלב פרוטוקול 1.

  1. להכין שני צינורות זכוכית עם גדלים שונים ההרכבה של המכשיר נימי.
    1. קח צינור זכוכית עגול עם תעודה מזהה = 580 μm ואת יתר = 1 מ מ, לחתוך חתיכה של הצינור עם ~ 3 ס מ אורך. זה יהיה הצינור האמצעי של המכשיר.
    2. קח צינור זכוכית עגול עם תעודה מזהה = 200 μm ואת יתר = 330 μm, לחתוך חתיכה של הצינור עם ~ 2 ס מ אורך. זה יהיה הצינור הפנימי של המכשיר.
  2. לשנות את פני השטח wettability של קצה אחד של הצינור האמצעי להיות הידרופובי.
    1. הוסף mL 0.3 של פאלו ורדה לתוך בקבוקון זכוכית 1 מ"ל.
    2. להשתמש ברכבת התחתית התיכון עם תעודת זהות = μm 580, מוכן בשלב פרוטוקול 2.1.1, וטבול את קצה אחד של זה לתוך פאלו ורדה בבקבוקון זכוכית עבור ~ 10 s.
    3. תוציאי את הצינור באמצע, ואז לשטוף את הצינור עם גז חנקן מהקצה ללא טיפול.
  3. הכינו את המחטים על פתחי הכניסה של המכשיר נימי.
    1. להכין טיפ בוטה 20 גרם dispensing המחט, אשר ישמש כניסת לשלב שמן צמיגות נמוכה. . ואז, לחתוך חריץ של ~0.5 מ מ x 0.5 מ מ עם סכין בקצה של ה-hub זכוכית פלסטיק.
    2. קח עוד 20 גרם בוטה טיפ מחלק מחט, חותכים שני החריצים על קצה הפלסטיק סכינים סטריליים רכזת. יישר את חריצי שני קו עובר הקוטר של ה-hub סכינים סטריליים.
      הערה: חריץ אחד הוא בגודל של ~0.5 מ מ x 0.5 מ מ, ואילו החריץ השני הוא בגודל של ~1.0 מ מ x 1.0 מ מ. את המחט השני ישמש לים לשלב מימית צמיגות גבוהה.
  4. להרכיב הזכוכית צינורות לפי איור 1A .
    1. אקח את שקופית מזכוכית רגילה 7.62 ס"מ x 2.54 ס"מ בתור המצע של המכשיר נימי.
    2. שמכניסים את נקז התיכון עם תעודת זהות = μm 580, מוכן בשלב פרוטוקול 2.2, בשקופית זכוכית עם תום הידרופובי הבלטת ממד ~ 1 ס מ מהקצה הקצר של השקופית זכוכית.
    3. . קח את הצינור הפנימי עם תעודה מזהה = 200 μm, מוכן בשלב פרוטוקול 2.1.2, ולא להוסיף קצה אחד של באבוב לתוך הצינור האמצעי מהקצה לא מטופל בשקופית זכוכית ולשמור ~ 1 ס מ באבוב בחוץ באמצע.
    4. השתמש דבק אפוקסי כדי לתקן את שני צינורות בעמדות לאורך האמצע של השקופית זכוכית.
    5. חכו הדבק שבמהלכו לגמרי ~ 5 דקות או יותר.
  5. להרכיב את פתחי הכניסה על המכשיר נימי.
    1. קח את המחט כניסת לשלב נמוך-צמיגות שמן, מוכן בשלב פרוטוקול 2.3.1, והנח הרכזת סכינים סטריליים לכסות את קצה הצינורית הפנימית על המצע, ולאחר מכן השתמש דבק אפוקסי לתקן ה-hub סכינים סטריליים על המצע.
    2. קח את המחט כניסת לשלב מימית צמיגות גבוהה, מוכן בשלב פרוטוקול 2.3.2, והנח הרכזת סכינים סטריליים לכסות את הצומת בין האבוב הצינור האמצעית, ולאחר מכן השתמש דבק אפוקסי לתקן ה-hub סכינים סטריליים על המצע.
      הערה: הקצה השני של הצינור האמצעי הוא השקע של המכשיר.
    3. חכה ~ 5 דקות או יותר עבור הדבק שבמהלכו לחלוטין.
    4. להשתמש בדבק אפוקסי לאטום הרכזות סכינים סטריליים של המחטים על המצע.
  6. חכה ~ 30 דקות או יותר עבור הדבק שבמהלכו לחלוטין.
  7. חבר את הקצה חינם של הצינור האמצעי עם לאורך צינור עודפים, כלומר., צינורות פוליאתילן עם תעודה מזהה = 0.86 מ"מ ו ~ 20 מ"מ אורך.
    הערה: דפורמציה קלה של הצנרת החיצונית יבטיח את החותם של החיבור, כך דבק לא נדרשת כאן. לאורך צינור עודפים משמש צינור חיצוני רחב יותר עבור היפוך פאזה. בנקודה זו, ההתקן הוא מוכן לשימוש.

3. יוצרים שלב-היפוך זרימה ושיתוף התקן נימי להתבוננות התהליך הדור של טיפות צמיגות גבוהה מימית בקוטר של ~ 200 μm.

הערה: המכשיר כאן היא גרסה מוקטנת של ההתקן של פרוטוקול שלב 1 כדי להפוך טיפות קטנות יותר.

  1. מכינים שלושה צינורות זכוכית בגדלים שונים עבור ההרכבה של המכשיר נימי.
    1. קח צינור זכוכית מרובע עם תעודה מזהה = 400 μm, לחתוך חתיכה של הצינור ~ 4 ס מ אורך, אשר יהיה הצינור החיצוני של המכשיר.
    2. קח צינור זכוכית עגול עם תעודה מזהה = 200 μm ואת יתר = 330 μm, לחתוך חתיכה של הצינור ~ 3 ס מ אורך, אשר יהיה הצינור האמצעי של המכשיר.
    3. קח צינור זכוכית עגול עם תעודה מזהה = 100 μm ו יתר = 170 μm, לחתוך חתיכה של הצינור ~ 2 ס מ אורך, אשר יהיה הצינור הפנימי של המכשיר.
  2. לשנות את פני השטח wettability של קצה אחד של הצינור האמצעי להיות הידרופובי.
    1. לוקחים בקבוקון זכוכית 1 מ"ל, והוסף 0.3 מ של פאלו ורדה לתוך המבחנה זכוכית.
    2. להשתמש ברכבת התחתית התיכון עם תעודת זהות = 200 μm, מוכן בשלב פרוטוקול 3.1.2, וטבול את קצה אחד של זה לתוך פאלו ורדה בבקבוקון זכוכית עבור ~ 10 s.
    3. תוציאי את הצינור באמצע, ואז לשטוף את הצינור עם גז חנקן מהקצה ללא טיפול.
  3. הכינו את המחטים על פתחי הכניסה של המכשיר נימי.
    1. להכין טיפ בוטה 20 גרם dispensing המחט, אשר ישמש כניסת לשלב שמן צמיגות נמוכה. לאחר מכן, עם להב, לחתוך חריץ ~0.2 מ מ x 0.2 מ מ בקצה של ה-hub זכוכית פלסטיק.
    2. להכין עוד 20 גרם בוטה טיפ מחלק מחט, וחותכים את שני החריצים על הקצה של ה-hub זכוכית פלסטיק. יישר את חריצי שני קו עובר הקוטר של ה-hub סכינים סטריליים.
      הערה: חריץ אחד הוא בגודל של ~0.2 מ מ x 0.2 מ מ, ואילו החריץ השני הוא בגודל של ~0.4 מ מ x 0.4 מ מ. את המחט השני ישמש לים לשלב מימית צמיגות גבוהה.
    3. קח עוד 20 גרם בוטה טיפ מחלק מחט, חותכים שני החריצים על קצה הפלסטיק סכינים סטריליים רכזת. שני החריצים מיושרות קו עובר הקוטר של ה-hub סכינים סטריליים.
      הערה: חריץ אחד הוא בגודל של ~0.8 מ מ x 0.8 מ"מ, ואילו החריץ השני הוא בגודל של ~0.4 מ מ x 0.4 מ מ. את המחט השלישי ישמש מעין שקע בחופו לניקוי למטרות.
  4. בצע את שלבים פרוטוקול 1.4-1.6 לסיים את המכשיר, באמצעות צינורות זכוכית שהוכנו בשלב פרוטוקול 3.1 במקום אלה מוכנים בשלב פרוטוקול 1.1 ושימוש את המחטים מוכן בשלב פרוטוקול 3.3 במקום אלו שהוכנו בשלב פרוטוקול 1.3.

4. התבוננות הדור של גליצרול טיפות של שמן פראפין

הערה: לקחת את תמונות המוצגים דמויות 1B - D, להשתמש בהתקן מוכן בשלב פרוטוקול 1; לקחת תמונות המוצגות באיור3, להשתמש בהתקן מוכן פרוטוקול בשלב 3.

  1. להכין פתרונות כדי לשמש את הניסוי.
    1. גליצרול כמו השלב מימית צמיגות גבוהה ושימוש להוסיף 0.5 w.t.% טולדין O כחול לצבוע את זה כחול.
    2. שתשמש לשלב נמוך-צמיגות שמן פראפין, ולהוסיף 1% וויליאם תומאס אורך 80 בתוכו כמו חומרים פעילי שטח.
  2. להכין 3 מזרקים 1 מ"ל שלוש משאבות מזרק.
    הערה: שלושה מזרקים עבור נוזלים המבושלות פרוטוקול שלב 4.1: אחד עבור הזרקת גליצרול את צמיגות גבוהה, מוכן בשלב פרוטוקול 4.1.1, ושני האחרים על הזרקת פרפין נוזלי צמיגות נמוכה, מוכן בשלב פרוטוקול 4.1.2, בהתאמה.
    1. לחבר את המזרק המכיל גליצרול לים כדי הצינור האמצעי.
    2. חבר אחד המזרק המכיל שמן פראפין לים באבוב, בזמן חיבור השני לים לניקוי למטרות.
  3. למקם את המכשיר מוכן בשלב פרוטוקול 1 במיקרוסקופ הפוכה, מניחים חתיכת Kimwipe מתחת לשקע של הצינור החיצוני כדי לספוג את הנוזלים דלף.
    התראה: אל תתנו את דליפת נוזלים מחוץ לאזור Kimwipe.
  4. להגדיר את המחירים זרימה של משאבות מזרק.
    הערה: השתמש המשאבה המזרק מחובר הצינור החיצוני לניקוי למטרות כאשר יש לכודים הבועות או טיפות סביב היציאה של הצינור האמצעי. שתעזוב את המשאבה עצר.
    1. הגדר את קצב הזרימה של גליצרול מזריק את הצינור האמצעי של Qw = μL 10/min.
    2. הגדר את קצב הזרימה של שמן פראפין מזריק את הצינור הפנימי של Qo = μL 30/min.
    3. להפעיל את המשאבות שני כדי ליצור גליצרול טיפות.
  5. חכו ~0.5 דקות עד התייצבו על תזרימי, טיפות גליצרול נוצרים בצורה אחידה על היציאות של הצינור האמצעי. . אז, לקחת סרטי וידאו או תמונות של תהליך יצירת droplet.
    הערה: תמונות בדמויות 1B-C ניתן לקחת באמצעות המכשיר מוכן בשלב פרוטוקול 1, בעוד תמונות ב איור 3A ניתן לקחת באמצעות המכשיר מוכן פרוטוקול בשלב 3. להפסיק את כל המשאבות ברגע קטעי וידאו או תמונות נלקחים, את המכשיר את המיקרוסקופ מיד.
  6. . התכוננו לאסוף את טיפות צמיגות גבוהה...
    1. המקום המכשיר במישור אנכי עם השקע הצביע למטה, ושים צלחת פטרי מתחת לשקע. השתמש הקלטת כדי לתקן את המכשיר עם השקע ~ 2 מ מ מעל החלק התחתון של הפטרי.
    2. יוצקים פרפין נוזלי מוכן בשלב פרוטוקול 4.1.2 לתוך הפטרי, רק לטבול בשקע של המכשיר.
  7. להפעיל שתי מזרק משאבות שוב ב Qw = 10 μL/min ו- Qo = μL 30/min, ולאסוף את טיפות גליצרול בצלוחית הפטרי.
    הערה: רגע ~ 1 דקות עד התייצבו על תזרימי טיפות גליצרול נוצרים בצורה אחידה על היציאות של הצינור החיצוני, הדימוי של טיפות בצלוחית הפטרי ניתן לקחת, כפי שמוצג באיור 1D עבור ההתקן המבושלות פרוטוקול 1 , או דמות 3B עבור ההתקן מוכן פרוטוקול בשלב 3.

5. ייצור ואוסף את טיפות גליצרול בפרפין נוזלי עם המכשיר פשוטה מוכן בשלב 2.

הערה: זהו לקחת תמונות של טיפות גליצרול שנוצר תחת יחס קצב זרימה שונים של Qo/Q,w, ומדידת המתאימה גודל וריאציה של טיפות עבור נקודות הנתונים באיור2.

  1. להכין פתרונות כדי לשמש את הניסוי על-ידי ביצוע שלב פרוטוקול 4.1.
  2. להכין שני מזרקים 1 מ"ל שתי משאבות מזרק.
    הערה: שני מזרקים עבור נוזלים המבושלות פרוטוקול שלב 4.1: אחד עבור הזרקת גליצרול צמיגות גבוהה, לקראת שלב פרוטוקול 4.1.1, והשני הזרקת פרפין נוזלי צמיגות נמוכה, מוכן בשלב פרוטוקול 4.1.2, בהתאמה.
    1. לחבר את המזרק המכיל 0.8 מ ל גליצרול לים כדי הצינור האמצעי.
    2. לחבר את המזרק המכיל 0.8 מ ל שמן פראפין לים באבוב.
  3. . התכוננו לאסוף את טיפות צמיגות גבוהה...
    1. המקום המכשיר במישור אנכי עם השקע הצביע למטה והניח 35 מ מ פטרי מתחת לשקע. השתמש הקלטת כדי לתקן את המכשיר עם השקע ~ 2 מ מ מעל החלק התחתון של הפטרי.
    2. יוצקים פרפין נוזלי מוכן בשלב פרוטוקול 4.1.2 לתוך הפטרי, רק לטבול בשקע של המכשיר.
  4. להגדיר את המחירים זרימה של משאבות מזרק.
    הערה: עבור כל יחס קצב זרימה איור 2, לתקן את קצב הזרימה של גליצרול Qw = 2 μL/דקה, תוך הגדלת קצב הזרימה של פרפין נוזלי Qo לערכים שונים בהתאם יחס קצב הזרימה הנדרש של Q o/Qw. עבור כל יחס קצב זרימה, לחכות ~ 1 דקות עד התייצבו על תזרימי, גליצרול אחיד טיפות נאספים בצלוחית הפטרי, אז תמונות של טיפות.
    1. הגדר את קצב הזרימה של גליצרול מוזרק לתוך הצינור האמצעי של Qw = μL 2/min.
    2. הגדר את קצב הזרימה של פרפין נוזלי מוזרק לתוך הצינור הפנימי של Qo = μL 6/min.
    3. להפעיל את המשאבות שני כדי ליצור גליצרול טיפות.
      הערה: תהליך הדור טיפות ניתן ישירות לצפות במצלמת הטלפון הסלולרי, או מצלמה דיגיטלית רכוב על גבי חצובה.
  5. המתן ~ 1 דקות עד תזרימי התייצבו, ולשנות את צלחת פטרי חדש לאיסוף טיפות גליצרול אחיד.

6. מפיקים אחרים טיפות צמיגות גבוהה של שמן פראפין באמצעות המכשיר שלב-היפוך זרימה ושיתוף.

הערה: זה לתמונות באיור4. כל שלב נמוך-צמיגות שמן המשמש בניסויים הוא אותו הדבר כמו בשימוש פרוטוקול שלב 4.1.2

  1. השתמש דבש טהור כמו השלב מימית צמיגות גבוהה עבור איור 4A.
  2. להכין פתרון עמילן w.t.% 6 איור 4B.
    התראה: שימוש בקבוק זכוכית בטמפרטורה גבוהה המתאים מדיה וכובע בטמפרטורות גבוהות. ללבוש כפפות חום עמיד.
    1. להוסיף 47 גר' מים בבקבוק 100 מ ל זכוכית מדיה ולשים בר מערבבים הבקבוק.
    2. . שים את הבקבוק בתוך אמבט מים והגדר את הטמפרטורה 100 מעלות צלזיוס.
    3. להוסיף 3 גר' אבקת עמילן לתוך מים חמים לאחר האמבט מים מגיע ל- 100 מעלות צלזיוס.
    4. מכסה את הפקק של הבקבוק, להמשיך לערבב עבור ~ 4 h עד הפתרון ברור.
    5. המתן עד הפתרון יירגע לטמפרטורת החדר לפני השימוש.
  3. להכין 10 w.t.% פתרון PVA-124 איור 4C.
    התראה: שימוש בקבוק זכוכית בטמפרטורה גבוהה המתאים מדיה וכובע בטמפרטורות גבוהות. ללבוש כפפות חום עמיד.
    1. להוסיף 45 גרם מים בבקבוק 100 מ ל זכוכית מדיה ולשים בר מערבבים הבקבוק.
    2. . שים את הבקבוק בתוך אמבט מים והגדר את הטמפרטורה 70 מעלות צלזיוס.
    3. להוסיף 5 גר' אבקה PVA-124 לתוך הבקבוק לאחר האמבט מים מגיע ל- 70 מעלות צלזיוס.
    4. מכסה את הפקק של הבקבוק, להמשיך לערבב עבור ~ 1 h עד הפתרון ברור.
    5. המתן עד הפתרון יירגע לטמפרטורת החדר לפני השימוש.
  4. צור צמיגות גבוהה טיפות של שמן פראפין.
    1. בצע את שלב פרוטוקול 5 באמצעות נוזלים צמיגות גבוהה מוכן בשלב 6.1-6.3, במקום גליצרול פרוטוקול בשלב 5.
    2. השתמש בהגדרות קצב זרימה של Qw = 1 μL/min ו- Qo = μL 5/min עבור איור 4.

תוצאות

מכשיר נימי microfluidic עם שלב-היפוך, מבנה הזרימה שיתוף תוכנן לייצר טיפות צמיגות גבוהה מימית monodisperse, כפי שמוצג באיור 1A. איור 1, השלב מימית צמיגות גבוהה היה גליצרול, שבו יש צמיגות ηw = 1.4 Pas; השלב נמוך-צמיגות שמן היה שמן פראפין, שבו יש צמיגו?...

Discussion

שלב-היפוך זרימה ושיתוף המכשיר מספק שיטה פשוטה וישר קדימה לייצר טיפות צמיגות גבוהה monodisperse. המכשיר הזה יש מבנה דומה להתקני זרימה ושיתוף נפוצים, כמו מבנה בסיסי תזרים משותף מורכב של אבוב מוכנס בצינור האמצעי, היציאה אשר מחובר לשקע אבובים. עם זאת, ישנם שני הבדלים עיקריים בין שלב-היפוך זרימה ושית?...

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי נבחרת מדעי הטבע קרן של סין (' קט ' 51420105006 ו- 51322501). אנו מודים דניאל לדיון מועיל שלו על הרעיונות צמיגות גבוהה.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
VitroTubes Glass TubingVitroCom8240Square - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.4mm, OD=0.8mm
VitroTubes Glass TubingVitroComCV2033Round - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.2mm, O.D.=0.33mm
VitroTubes Glass TubingVitroComCV1017Round - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.1mm, O.D.=0.17mm
VitroTubes Glass TubingVitroComQ14606Square - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=1.05mm+0.1/-0, OD=1.5mm
Standard Glass CapillariesWPI1B100-6Round - Glass Tubing, I.D.=0.58mm, O.D.=1.00mm
GlycerolSinopharm Chemical Reagent Beijing10010618
Paraffin LiquidSinopharm Chemical Reagent Beijing30139828
Poly(vinyl alcohol), PVA-124Sinopharm Chemical Reagent Beijing30153084
Span 80Sigma-Aldrich85548
StarchSigma-AldrichS9765
Trichloro(octadecyl)silaneSigma-Aldrich104817
Toluidine Blue OSigma-AldrichT3260
HoneyChaste tree honey, common food product purchased from supermarket
DEVCON 5 Minute EpoxyITW Epoxy glue
Blunt Tip Stainless Steel Dispensing Needles (Luer Lock)Suzhou Lanbo Needle, ChinaLTA82005020G x 1/2" 
Tungsten/Carbide ScriberUllman1830For cutting glass tubing
Microscope SlidesSail Brand710176.2 mm x 25.4 mm, Thickness 1 - 1.2 mm
Polyethylene TubingScientific CommoditiesBB31695-PE/5I.D. = 0.86 mm, O.D. = 1.32 mm
Syringe PumpsLonger Pump, ChinaLSP01-1A3 pumps needed for the experiments

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Murphy, S. V., Atala, A. 3D Bioprinting of tissues and organs. Nat. Biotechnol. 32, 773-785 (2014).
  5. 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).
  6. Ushikubo, F. Y., Oliveira, D. R. B., Michelon, M., Cunha, R. L. Designing food structure using microfluidics. Food Eng. Rev. 7, 393-416 (2015).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using "flow focusing" in microchannels. Appl. phys. lett. 82, 364-366 (2003).
  11. 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).
  12. Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab Chip. 8, 198-220 (2008).
  13. 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).
  14. Cubaud, T., Mason, T. G. Capillary threads and viscous droplets in square microchannels. Phys. Fluids. 20, 053302 (2008).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Song, H., Chen, D. L., Ismagilov, R. F. Reactions in droplets in microfluidic channels. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 7336-7356 (2006).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

134Wettability

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved