Name: combining microfluidics and microrheology to determine rheological properties of soft matter during repeated phase transitions
Uploaded: 2018-04-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 38 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Combining Microfluidics and Microrheology to Determine Rheological Properties of Soft Matter during Repeated Phase Transitions at JoVE.com

מימון עבור עבודה זו סופק על ידי את פרוקטר & גמבל ושות' וקרן אמריקאי כימי החברה נפט מחקר (54462-DNI7). וידוע עשוי תורמים אמריקאי כימי החברה נפט מחקר הקרן לתמיכה חלקית של מחקר זה. המחברים רוצה להכיר את ד ר מרקו Caggioni לדיונים מועיל.

1. ייצור של המכשיר Microfluidic
<ol><li>Microfluidic חותמת פבריקציה נוספת. הערה: שלב זה מחייב השימוש בחומרים נדיפים, צריך להיעשות בשכונה fume כימי.<ol>
<li>השתמש בעיצוב המודפס שלילי באותן מידות כמו השקופית זכוכית (75 × 50 מ מ), ערוצי הצבועים בלבן, הרקע בצבע שחור (ראה איור 1). הדפס עיצוב זה בגיליון אצטט ברורה (שקיפות) ברזולוציה של 1200 dpi.</li>
		<li>אם החלק האפל של השקיפות מאפשרת עדיין אור דרך, שכבה התשלילים מספר וציות באמצעות הקלטת צדדית כפולה.</li>
		<li>להפעיל בעוצמה גבוהה אולטרה סגול (UV) מקור אור ולאפשר לו להתחמם לפלט קבוע (כ- 30 דקות). הערה: במשקפי מגן UV לענידה בעת שימוש בעוצמה גבוהה את מקור אור UV.</li>
		<li>מילוי שלושה 150 מ צלחות פטרי עם אצטון, אתנול, מים מזוקקים.</li>
		<li>במקום ריק שקיפות על משטח שטוח קרוב למקור UV תפוקה גבוהה, אבל לא ישירות מתחת UV אור. זה יספק בסיס כדי לפברק את חותמת microfluidic.</li>
		<li>חלוקה לרמות את הפינות של 75 × 50 מ מ זכוכית שקופית במרכז השקיפות ריק שימוש של קבע סמן ומקום ארבע זכוכית מפרידי (כ 30 × 30 × 1 מ מ) פינות המלבן מחולקת לרמות.</li>
		<li>יוצקים כ- 5 מ ל UV שרף תיול לריפוי: ene במרכז קפיציות ולאחר מכן מקם בזהירות 75 x 50 x 1 שקופיות זכוכית מ מ על גבי זכוכית קפיציות, כך הדבק מכוסה לגמרי על ידי השקופית זכוכית עם אין בועות אוויר.</li>
		<li>מניחים את השקיפות שלילי המודפס על גבי השקופית זכוכית ולעבור את כל המרכיבים לעיל (מלמטה למעלה: ריק שקיפות, מפרידי כלי זכוכית UV, זכוכית, ודבק שקף מודפס שלילי) על-ידי גרירת השקיפות ריק בקפידה תחת מקור האור UV.</li>
		<li>לאפשר את האור האולטרה סגול וחובתו השלילי שרף ועל התרופה. הזמן מרפא יכול להיות מותאם כדי לשנות את הגובה של הערוץ. 45 s התרופה זמן תוצאות ב גובה ערוץ 1 מ מ, באמצעות מקור האור שלנו.</li>
		<li>להזיז את הרכיבים הרחק מהמקור UV ולהסיר על שקף מודפס שלילי והחלק זכוכית. השקופית זכוכית עם הערוצים מפוברק דבק UV עכשיו להיות המכונה החותמת microfluidic.</li>
		<li>להתעלם קפיציות שקיפות וזכוכית.</li>
		<li>טובלים את חותמת microfluidic באמבטיה אצטון, ואחריו האמבט אתנול. חזור על שלב זה פעמיים. אצטון לבזות את דבק UV, אז אל תעזוב אצטון בחותמת מ 10 s.</li>
		<li>בעוד אתה מחזיק את החותמת, להטביע את חותמת במים ולהשתמש ספוגית כותנה כדי להסיר את שארית שרף unreacted. אל ישירות תנגב את החלקים נרפא, זה שיהפוך את הערוצים קשה.
</li>
		<li>למקם את החותמת על מגבת נייר, לחזור אל המקור UV במשך לפחות 30 דקות להבטיח ריפוי מלא.</li>
	</ol></li>
	<li>דפוס Polydimethylsiloxane (PDMS)
	<ol>
<li>שופכים 70 גרם של בסיס PDMS לתוך כוס נקי ולהוסיף את הסוכן cross-linking הבסיס יחס משקל של 1:10 crosslinker לבסיס. אלו הן ליצרן מומלץ יחסי. אל תשתמש מיכל הזכוכית.
</li>
		<li>לערבב את מחדש, לבסס ביסודיות עם קדירות מתכת; התערובת צריכה להיות עכורים בגלל בועות אוויר כלואה ברגע כראוי מעורב.</li>
		<li>מכניסים את PDMS ואקום תנור ולמשוך ואקום-PDMS מעורב. לבטל ואקום אם הפתרון מתחילה גלישה מגביע, ולאחר מכן לחדש את אבק אחרי העומס שוככת. הלחץ הכולל בתנור ואקום לא משנה, כמו שואב האבק רק מזרזת את תהליך degassing. להשאיר בבית הבליעה עד כל הבועות פונו מן התערובת (כ- 60 דקות).</li>
		<li>המקום החותמת microfluidic פלסטיק בקוטר 150 מ מ ריק פטרי, ואז מוזגים את PDMS לתוך הפטרי, מכסה לחלוטין את חותמת microfluidic. יוצקים קרוב לפני השטח של הפטרי כדי למזער את בועות רפורמה ב PDMS.</li>
		<li>לכסות הפטרי ומניחים בתנור 55 ° C בלילה כדי לרפא. ברגע נרפא לגמרי, לחתוך את PDMS בדוגמת באמצעות סכין ולהסיר החותמת. שומרים על עודף PDMS לבנות את הממס (פרוטוקול שלב 1.6.3) ואגן PDMS פקקים (פרוטוקול שלב 2.2.1.1).</li>
		<li>באמצעות אגרוף ביופסיה 0.5 מ מ, חותכים חורים מהמיקומים הבאים: אחד בכל פינה, אחד בבית הבליעה היניקה סמוך לקצה של הערוץ, שש בבית הבליעה מדגם סימטרי להציב 60° לגזרים, ואחד במרכז תא הדגימה. כדי להבטיח חורים שמוקם באופן סימטרי להדפיס תבנית בגיליון נייר ומקום תחת תא הדגימה. מאז PDMS ברור, שניתן בקלות לראות היכן החורים צריך להיות ממוקם.</li>
	</ol></li>
	<li>הכנה של פתרון סול-ג'ל ליצירת קירות זכוכית במכשיר microfluidic
	<ol>
<li>צנצנת 100 מ ל, להוסיף 25 מ של 90% אתנול, 25 מ של pH 4 (ז 0.0001) פתרון חומצה הידרוכלורית, 25 מ של 98% tetraethoxysilane ו- 25 מ של 98% methyltriethoxysilane. מקם את הפתרון 100 מ ל, המכונה עכשיו הנוזל preconverted, במיקרוגל חשפו במשך 10 שניות, ואז במקום 80 מעלות צלזיוס למשך הלילה.</li>
	</ol></li>
	<li>התקן הרכבה
	<ol>
<li>מקום שני PDMS עם תבנית של, 75 × 50 × 0.10 מ מ זכוכית שקופיות לתוך הפלזמה מנקה ולהגדיר את השסתום אסידו למצב כבוי.</li>
		<li>להפעיל את משאבת ואקום, המתן דקה אחת לפנות את החדר.</li>
		<li>לשים את השסתום תלת-כיווני זרימה בקר המיקום ולתת תא equilibrate למשך 5 שניות. המיקום בקר זרימה מאפשר קצב זרימה קטן של האוויר נכנס פלזמה מנקה נמוך לשמור את התא הלחץ נמוך. להפעיל את המתג בתדר רדיו (RF) בינוני במשך 40 שניות ולאחר מכן לכבות את המתג RF ומשאבת ואקום.</li>
		<li>מקום 3-דרך המסתם למצב פתוח כדי לחזור לחדר תנאים אטמוספיריים. הסר את השקופית בדוגמת PDMS וזכוכית.</li>
		<li>דבקים בקפידה את PDMS בדוגמת לשקופית זכוכית על ידי לשים את שני המשטחים קשר איש עם רעהו.</li>
		<li>חלות UV לריפוי שרף התפרים סביב בדוגמת PDMS תרופה 5 דקות תחת בעצימות נמוכה אור UV.</li>
	</ol></li>
	<li>ייצור של קירות זכוכית בערוצים microfluidic. הערה: שלב זה להשלימן תוך 30 דקות של טיפול פלזמה, כאשר היא מסתמכת על שינויים משטח PDMS להתרחש במהלך טיפול פלזמה. עובי השכבה יהיה כ- 5-10 מיקרומטר. שלב זה מחייב השימוש בחומרים נדיפים, צריך להיעשות בשכונה fume כימי.<ol>
<li>הגדר פלטה עד 100 ° C ולהכין מזרקים ארבע (שלוש 30 מ"ל ו אחד 3 מ ל) עם מחטים מד 18, כ- 30 ס מ אורך צינורות תרמופלסטיים ברורה.</li>
		<li>למלא שלושה מזרקים 30 מ עם אתנול, כלורופורם ואוויר, בהתאמה. ממלאים מזרק 3 מ ל אחד עם נוזל preconverted (מתוך פרוטוקול שלב 1.3.1.)</li>
		<li>הכנס צינורות תרמופלסטיים ברור באמצעות מחברי נירוסטה לתוך כל החורים PDMS בדוגמת, למעט חור בפינה אחת. החור הזה ישמש בתור כניסת, בעוד כל האחרים יהיו שקעים.</li>
		<li>למלא את המכשיר microfluidic preconverted נוזלים המזרק ולאחר מכן מקם את המכשיר microfluidic בצלחת חם 100 ° C אז הזכוכית התחתונה היא נוגעת פני הכיריים.</li>
		<li>זורמים 3 מ"ל של נוזל preconverted דרך המכשיר microfluidic מעל 10 שניות. עובי קירות הזכוכית מותאמת על ידי שינוי קצב זרימת הנוזל preconverted.</li>
		<li>הסר את ההתקן microfluidic פלטת הבישול. להחליף את המזרק פתרון preconverted עם המזרק באוויר, לדחוף החוצה כל הנוזלים העודפים preconverted.</li>
		<li>להחליף את המזרק באוויר עם המזרק כלורופורם, אט-אט זורמת 15 מ"ל של כלורופורם דרך המכשיר microfluidic. להחליף את המזרק כלורופורם עם המזרק אתנול, אט-אט זורמת 30 מ של אתנול דרך המכשיר microfluidic. שלבים אלה צריך לקחת כ 1 דקות כל אחד.</li>
		<li>להחליף את המזרק אתנול עם האוויר מזרק, זרימת האוויר דרך המכשיר microfluidic עד יבש.</li>
	</ol></li>
	<li>יישום של זכוכית תומך ואגן הממס
	<ol>
<li>לחתוך 75 × 10 × 1 מ"מ פיסות זכוכית מ 75 × × 25 1 מ מ זכוכית שקופיות.</li>
		<li>חלות UV לריפוי שרף רצועות זכוכית. מניחים את המכשיר microfluidic על גבי הרצועות, עם הצד PDMS פונה כלפי מעלה. להעביר תחת מקור אור UV בעצימות נמוכה במשך 5 דקות.</li>
		<li>חתך של 30 × 30 מ מ מרובע של PDMS. באמצעות אגרוף ביופסיה, לחתוך חור גדול מספיק כדי לכסות את התא מדגם של 10 מ מ.</li>
		<li>למקם את PDMS מרובע והתקן microfluidic הפלזמה מנקה, ואז לשים את השסתום אסידו למצב כבוי והפעל את משאבת ואקום.</li>
		<li>המתן דקה אחת לפנות את החדר. לשים את השסתום 3-דרך המיקום בקר זרימה ותנו תא equilibrate למשך 5 שניות.</li>
		<li>להפעיל את המתג RF בינוני במשך 40 שניות ולאחר מכן לכבות את מתג RF, משאבת ואקום.</li>
		<li>מקום 3-דרך המסתם למצב פתוח כדי לחזור לחדר תנאים אטמוספיריים.</li>
		<li>להסיר את ההתקן microfluidic ואגן הממס מן החדר פלזמה, מקפידים על ידי פנייה ישירה על המשטחים. הקפד למקם את אגן ממס על החדר מדגם.</li>
	</ol></li>
</ol>2. ממוצע2rheology הליך
<ol><li>
הכנת חומר רך דגימות
	<ol>
<li>חלקיקים בדיקה כביסה<ol>
<li>פיפטה מים ו- 0.5 מיקרומטר הגששים לתוך צינור microcentrifuge ביחס של מים כדי הגששים של 10:1. לערבב ביסודיות באמצעות פיפטה ערבוב ולאחר מכן מקם את הצינור microcentrifuge לתוך microcentrifuge ו ספין ב 4600 x g במשך 10 דקות. הערה: הפתרון בדיקה להשתמש בעבודה זו מתקבלת על תנאי מים עם ריכוז הראשונית של 2.6% מוצקים/אמצעי האחסון, הריכוז הסופי של הגששים שימוש במדגם הוא 0.1% מוצקים/אמצעי האחסון.</li>
			<li>להסיר את צינור microcentrifuge פיפטה החוצה תגובת שיקוע. החלף את תגובת שיקוע DI מים. חזור על צנטריפוגה עבור סכום כולל של שלוש פעמים.</li>
			<li>למקם את צינור microcentrifuge sonicator, sonicate על אש נמוכה במשך 15 דקות להוציא אגרגטים כלשהו.</li>
		</ol>
</li>
		<li>שילוב של הגששים וחומר רך. הערה: עבור הליך זה, ג'ל colloidal שימש את דגימת חומר רך.<ol>
<li>בשקופית 75 × 50 מ מ זכוכית, למדוד 1 מ"ל של חומר מדגם. פיפטה µL 40 של בדיקה פתרון לתוך המרכז של המדגם.</li>
			<li>מקפלים בעדינות את הדגימה עם מרית מתכת עד משולב לחלוטין. סקופ המדגם לתוך צינור microcentrifuge צנטריפוגה-2340 x g 15 s כדי להוציא אוויר כלואה.</li>
			<li>מילוי מזרק 1 מ"ל מצויד עם מחט בקוטר 18, צינורות תרמופלסטיים ברור עם התערובת בדיקה/HCO.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>
מעברי פאזה רצופים המושרה על ידי החלפת נוזלים
	<ol>
<li>מילוי המכשיר microfluidic<ol>
<li>כדי ליצור פקקים PDMS, שימוש עודף PDMS מהשלב פרוטוקול 1.2.5, לחתוך חתך מרובע 5 מ מ של PDMS. באמצעות אגרוף ביופסיה 0.5 מ מ קוטר, לחתוך חור באמצע הדרך לתוך פקק PDMS. הכנס את מחבר פלדת אל-חלד לתוך החור בקוטר 0.5 מ מ.</li>
			<li>להתחבר שלושת הערוצים כניסת פינה וערוץ עודפים שאיבה קאמרית צינורות תרמופלסטיים. לחלוטין למלא את המכשיר עם מים באמצעות מזרק המחובר למכשיר. להבטיח ישנם אין בועות תא הדגימה או בכל הערוצים microfluidic. לחסום את החור פינה הנותרים עם פקקים PDMS.</li>
			<li>האגן הממס אמורה להיות מלאה חלקית מהשלב 2.2.1.2; אם היא לא מלאה, למלא את אגן הממס במים.</li>
			<li>באמצעות המזרק מהשלב פרוטוקול 2.1.2.3, להזריק µL 10 תערובת מדגם/בדיקה דרך ערוץ מרכז לתוך תא הלחץ מדגם µL כ- 2/s ולאחר מכן השתמש פקק PDMS כדי לחסום את הערוץ מרכז בבית הבליעה מדגם.</li>
		</ol>
</li>
		<li>איסוף נתונים microrheological<ol>
<li>פנו את הגדרות המצלמה לאלה ממוטבת כדי למזער את החלקיקים סטטיים ודינמיים מעקב שגיאות, ולאחר מכן לעבור אל המטרה 63 של טבילה במים ×, pipette טיפת מים על גבי העדשה.</li>
			<li>למקם את המכשיר microfluidic על הבמה מיקרוסקופ ולגדל את המטרה עד ממוקד המדגם.</li>
			<li>להשתלט ודיאו תנועה בראונית של הגששים במרווחי זמן מתאימים האורך הכולל של שינוי פאזה. עבור gelation, להמשיך לקחת סרטונים עד בדיקה תנועה הופסק לחלוטין. הערה: אנו אוספים נתונים כל 10 דקות. אם נתחיל עם ניסוי השפלה, הנתונים נאספים עד הגששים לשדר לחלוטין.</li>
		</ol>
</li>
		<li>החלפת נוזלים בבית הבליעה מדגם (זרימת הכבידה, חילופי נוזלים צפיפות נמוכה יותר בנוזלים צפיפות גבוהה יותר)<ol>
<li>הסר את ההתקן microfluidic מן הבמה מיקרוסקופ.</li>
			<li>לשאוב את המים האגן ממס באמצעות פיפטה של העברה ולאחר מכן פיפטה 4 מיליליטר גבוה יותר צפיפות נוזל לתוך האגן הממס.</li>
			<li>להחזיר את המכשיר microfluidic לבמה מיקרוסקופ וחזור לשלב 2.2.2.3</li>
		</ol>
</li>
		<li>החלפת נוזלים בבית הבליעה מדגם (זרימה היניקה, חילופי נוזלים צפיפות גבוהה יותר בנוזלים צפיפות נמוכה)<ol>
<li>להסיר את ההתקן microfluidic מן הבמה מיקרוסקופ ולהסיר את פקק PDMS מן החדר היניקה.</li>
			<li>להוסיף מזרק מצויד עם מחט בקוטר 18, צינורות תרמופלסטיים ברור לערוץ שאיבה קאמרית, לעשוק את המזרק עד מזרק משאבה. הגדר את משאבת מזרק למשוך 1 mL/min.</li>
			<li>להסיר את עודף הסוכן ג'לי באגן הממס ולשטוף שלוש פעמים עם מים על ידי מילוי הכיור הממס suctioning ואז את הנוזל שטיפה.</li>
			<li>בגין שאיבה עם המשאבה מזרק תוך הוספת מים לאגן ממס למשך דקה אחת. אל תתנו את אגן הממס ריק לחלוטין, כמו זה ימשוך אוויר לתוך החדר מדגם.
</li>
			<li>להסיר את המזרק מהמכשיר microfluidic ולהחליף את פקק PDMS על תא היניקה.</li>
			<li>להחזיר את המכשיר microfluidic לבמה מיקרוסקופ ולהמשיך לקחת דגימות</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>המשך נטילת דגימות במרווחי זמן קבועים במהלך השפלה/gelation מחזורי עד השלמת מספר מחזורים הרצוי או שאין מספיק זונדי מדידה.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Mitchell, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidics-downsizing+large-scale+biology.">Microfluidics-downsizing large-scale biology.</a> Nat. Biotech. 19, 717-721 (2001).</li><li>Haber, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidics+in+commercial+applications;+an+industry+perspective.">Microfluidics in commercial applications; an industry perspective.</a> Lab Chip. 6, 1118-1121 (2006).</li><li>Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+origins+and+the+future+of+microfluidics.">The origins and the future of microfluidics.</a> Nature. 442, 368-373 (2006).</li><li>Huang, X., Raghavan, S. R., Terech, P., Weiss, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Distinct+kinetic+pathways+generate+organogel+networks+with+contrasting+fractality+and+thixotropic+properties.">Distinct kinetic pathways generate organogel networks with contrasting fractality and thixotropic properties.</a> J. Am. Chem. Soc. 128, 15341-15352 (2006).</li><li>Larsen, T. H., Schultz, K. M., Furst, E. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogel+microrheology+near+the+liquid-solid+transition.">Hydrogel microrheology near the liquid-solid transition.</a> Korea-Aust. Rheol. J. 20, 165-173 (2008).</li><li>Larsen, T. H., Furst, E. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microrheology+of+the+liquid-solid+transition+during+gelation.">Microrheology of the liquid-solid transition during gelation.</a> Phys. Rev. Lett. 100, 146001 (2008).</li><li>Schultz, K. M., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+rheological+screening+to+identify+conditions+of+biomaterial+hydrogelation.">Rapid rheological screening to identify conditions of biomaterial hydrogelation.</a> Soft Matter. 5, 740-742 (2009).</li><li>Switzer, L. H., Klingenberg, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flocculation+in+simulations+of+sheared+fiber+suspensions.">Flocculation in simulations of sheared fiber suspensions.</a> Int. J. Multiph. Flow. 30, 67-87 (2004).</li><li>Wehrman, M. D., Lindberg, S., Schultz, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantifying+the+dynamic+transition+of+hydrogenated+castor+oil+gels+measured+via+multiple+particle+tracking+microrheology.">Quantifying the dynamic transition of hydrogenated castor oil gels measured via multiple particle tracking microrheology.</a> Soft Matter. 12, 6463-6472 (2016).</li><li>Wehrman, M. D., Milstrey, M. J., Lindberg, S., Schultz, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+&#181;2rheology+to+quantify+rheological+properties+during+repeated+reversible+phase+transitions+of+soft+matter.">Using &#181;2rheology to quantify rheological properties during repeated reversible phase transitions of soft matter.</a> Lab Chip. 17, 2085-2094 (2017).</li><li>Wehrman, M. D., Lindberg, S. E., Schultz, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+shear+on+the+structure+and+rheological+properties+of+a+hydrogenated+castor+oil+colloidal+gel+during+dynamic+phase+transitions.">Impact of shear on the structure and rheological properties of a hydrogenated castor oil colloidal gel during dynamic phase transitions.</a> J. Rheol. , (2018).</li><li>Loh, X. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dual-responsive+"reversible+micelles".">Dual-responsive "reversible micelles".</a> J. Appl. Polym. Sci. 127, 992-1000 (2013).</li><li>Kern, F., Zana, R., Candau, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheological+properties+of+semidilute+and+concentrated+aqueous+solutions+of+cetyltrimethylammonium+chloride+in+the+presence+of+sodium+salicylate+and+sodium+chloride.">Rheological properties of semidilute and concentrated aqueous solutions of cetyltrimethylammonium chloride in the presence of sodium salicylate and sodium chloride.</a> Langmuir. 7, 1344-1351 (1991).</li><li>Trappe, V., Prasad, V., Cipelletti, L., Segre, P. N., Weitz, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Jamming+phase+diagram+for+attractive+particles.">Jamming phase diagram for attractive particles.</a> Nature. 411, 772-775 (2001).</li><li>Philipse, A. P., Wierenga, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+density+and+structure+formation+in+gels+and+clusters+of+colloidal+rods+and+fibers.">On the density and structure formation in gels and clusters of colloidal rods and fibers.</a> Langmuir. 14, 49-54 (1998).</li><li>Schultz, K. M., Bayles, A. V., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid,+high+resolution+screening+of+biomaterial+hydrogelators+by+mu2rheology.">Rapid, high resolution screening of biomaterial hydrogelators by mu2rheology.</a> Biomacromolecules. 12, 4178-4182 (2011).</li><li>Crocker, J. C., Grier, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+of+digital+video+microscopy+for+colloidal+studies.">Methods of digital video microscopy for colloidal studies.</a> J. Colloid Interface Sci. 179, 298-310 (1996).</li><li>Mason, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Estimating+the+viscoelastic+moduli+of+complex+fluids+using+the+generalized+Stokes--Einstein+equation.">Estimating the viscoelastic moduli of complex fluids using the generalized Stokes--Einstein equation.</a> Rheol. Actac. 39, 371-378 (2000).</li><li>Mason, T. G., Ganesan, K., van Zanten, J. H., Wirtz, D., Kuo, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+tracking+microrheology+of+complex+fluids.">Particle tracking microrheology of complex fluids.</a> Phys. Rev. Lett. 79, 3282-3285 (1997).</li><li>Mason, T. G., Weitz, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+measurements+of+frequency-dependent+linear+viscoelastic+moduli+of+complex+fluids.">Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids.</a> Phys. Rev. Lett. 74, 1250-1253 (1995).</li><li>Squires, T. M., Mason, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluid+mechanics+of+microrheology.">Fluid mechanics of microrheology.</a> Annu. Rev. Fluid Mech. 42, 413-438 (2010).</li><li>Gittes, F., Schnurr, B., Olmsted, P. D., MacKintosh, F. C., Schmidt, C. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microscopic+viscoelasticity:+shear+moduli+of+soft+materials+determined+from+thermal+fluctuations.">Microscopic viscoelasticity: shear moduli of soft materials determined from thermal fluctuations.</a> Phys. Rev. Lett. 79, 3286-3289 (1997).</li><li>Mai, D. J., Brockman, C., Schroeder, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+systems+for+single+DNA+dynamics.">Microfluidic systems for single DNA dynamics.</a> Soft Matter. 8 (41), 10560-10572 (2012).</li><li>Tanyeri, M., Ranka, M., Sittipolkul, N., Schroeder, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+microfluidic-based+hydrodynamic+trap:+design+and+implementation.">A microfluidic-based hydrodynamic trap: design and implementation.</a> Lab Chip. 11, 1786-1794 (2011).</li><li>Lee, J. S., Dylla-Spears, R., Teclemariam, N. P., Muller, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+four-roll+mill+for+all+flow+types.">Microfluidic four-roll mill for all flow types.</a> Appl. Phys. Lett. 90, 074103 (2007).</li><li>Crocker, J. C., Grier, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+of+digital+video+microscopy+for+colloidal+studies.">Methods of digital video microscopy for colloidal studies.</a> J. Colloid Interface Sci. 179 (1), 298-310 (1996).</li><li>Mason, T. G., Weitz, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+measurements+of+frequency-dependent+linear+viscoelastic+moduli+of+complex+fluids.">Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids.</a> Phys. Rev. Lett. 74 (7), 1250 (1995).</li><li>Schultz, K. M., Furst, E. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-throughput+rheology+in+a+microfluidic+device.">High-throughput rheology in a microfluidic device.</a> Lab on a chip. 11, 3802-3809 (2011).</li><li>Abate, A. R., Lee, D., Do, T., Holtze, C., Weitz, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Glass+coating+for+PDMS+microfluidic+channels+by+sol-gel+methods.">Glass coating for PDMS microfluidic channels by sol-gel methods.</a> Lab Chip. 8, 516-518 (2008).</li><li>Happel, J., Brenner, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Low Reynolds Number Hydrodynamics: with special applications to particulate media. , (1965).</li></ol>

ישנם אין גילויים לעבודה זו.

המכשיר microfluidic דו שכבתי (איור 1) יכול להתבצע בקלות על ידי טכניקות ייצור microfluidic מתועדת היטב הבאים29. זכוכית תומך מתווספים בתחתית המכשיר כדי להקטין השפעות הרטט על תנועת החללית. השקופית זכוכית הוא דק מאוד (מ מ 0.10) על מנת להתאים את המרחק עבודה של המטרה מיקרוסקופ. זה הו?...

מעברי פאזה בעניין רך יכול לשנות את המבנה בפיגומים, אשר יש השלכות ביציבות עיבוד והאחרון של חומרים1,2,3. אפיון חומרים רכים במהלך מעברי פאזה דינאמי מספק מידע חיוני על הקשר בין התפתחות מבנית ואת מבנה שיווי משקל מאפייני rheological. לדוגמה, מוצרים ושרותים רבים דורשים שינוי פאזה במהלך שימוש על ידי הצרכן. כמו כן, בתהליך הייצור, צעדים עיבוד, כולל דילול, ערבוב, להקנות הטיה המשפיעים על מאפייני rheological של מיקרו הסופי של המוצר. הכרת מאפייני rheological לאורך כל שינוי פאזה מבטיחה כי המוצר מבצע כמתוכנן. בנוסף, אם כוחות לשנות rheology ההתחלתי של החומר בתהליך הייצור, מעברי פאזה יכולות להניב תוצאות בלתי צפויה ולא רצויה, לשנות את הפונקציה המיועד והיעילות. בנקודה קריטית gelation, הגדיר את הנקודה שבה החומר המעברים פתרון של קולואידים ואמולסיות המשויך או פולימרים לרשת ג'ל פורש-לדוגמה, תכונות החומר שינוי דרסטי עם שינויים קלים להתאחדות. כל שינוי המבנה בנקודה קריטית ג'ל יכול להשפיע את המוצר הסופי4. במהלך מעברים אלה דינמי, חומרים רכים יש תכונות מכניות חלש, מדידות משתמשים בטכניקות ניסיוני הקלאסית ניתן תוך מדידת רעש מגבלת5,6,7. לקחת בחשבון זה, טכניקות כגון microrheology, המגלה רגישות בטווח נמוך מודולים (10-3 - 4 הרשות הפלסטינית), נעשה שימוש כדי לאפיין את הג'ל התחלתית חלש במהלך האבולוציה דינמי. כמה חומרים רגישים לשינויים מיקרו בגלל כוחות חיצוניים, אשר מהווה אתגר במהלך האפיון, כמו לכל העברת חומר או נוזל יכול להשפיע על המבנה ובסופו של דבר, את תכונות החומר הסופי. כדי למנוע שינוי של מיקרו גשמי, פיתחנו מכשיר microfluidic שבו אפשר להחליף את הנוזל הסביבה סביב מדגם תוך מזעור הטיה. על ידי החלפת נוזלים לסביבה, שינויים מאפייני rheological מיקרו נמדדים במהלך שלב מעברים עם תרומות מינימלי של הטיה. המכשיר משולבת עם חלקיקים מרובים מעקב microrheology (MPT) בטכניקה הנקראת rheology2ממוצע. טכניקה זו משמשת כדי לכמת תכונות החומר במהלך שלב רצופים שינויים של ג'ל בתגובה כוח נהיגה חיצוני. הטכניקה יומחשו באמצעות ג'ל colloidal סיבי a, שמן קיק מוקשה (HCO)9,10,11.
ג'ל פיגומים יכול לעבור שינויים האגודה דיסוציאציה עקב שלהם לדוגמה הסביבה12,13,14,15. הכוח המניע של gelation והשפלה חומר מסוים, חייב יהיה מותאם עבור כל חומר מעניין. ראולוגיה2ממוצע ניתן לאפיון מערכות ג'ל מגיב לגירויים חיצוניים, כולל רשתות colloidal פולימריים. שינוי ה-pH, לחץ אוסמוטי או ריכוז המלחים הם דוגמאות של הכוחות זה יכול לגרום לשינויים מיקרו גשמי. לדוגמה, HCO עובר מעברי פאזה מבוקרת על-ידי יצירת מעבר צבע על לחץ אוסמוטי. כאשר מדגם ג'ל HCO מרוכז (4 wt % HCO) שקוע במים, כוחות אטרקטיביים בין colloidal חלקיקי להחליש, גורם השפלה. לחלופין, כאשר פתרון שתדללו של HCO (0.125 wt % HCO) הוא יצר קשר עם חומר הידרופיליות (המכונה הסוכן ג'לי, המורכבת בעיקר גליצרין, חומרים פעילי שטח), מושכת כוחות ההחזרה, גורם gelation. מערכת זו ג'ל ישמש כדי להראות את הפעולה של המכשיר ככלי למדידת מעברי פאזה רצופים מדגם יחיד9,10. כדי לאפיין פיגומים ג'ל אלה במהלך מעברים דינמיים, המבנה ג'ל עדין התחלתית-המעבר שלב קריטי, אנו משתמשים MPT לאפיון חומרים אלה עם רזולוציה גבוהה-עתיים.
Microrheology משמשת כדי לקבוע מאפייני ג'ל ומבנה, במיוחד בזמן המעבר הקריטי, של מערך מחומרים קלים, כולל ג'לים colloidal ו פולימריים5,6,9,16. MPT היא טכניקה microrheological פסיבי המשתמשת מיקרוסקופ וידאו לרשומה תנועה בראונית של חלקיקים בדיקה פלורסנט מוטבע בתוך מדגם. מיקומי החלקיקים לאורך קטעי וידאו נחושים בדיוק בתוך 1/10בתאנון השימוש פיקסל קלאסית מעקב אלגוריתמים17,18. ההרכב בממוצע בריבוע אומר הזחה (MSD, (Δr2(t))) מחושבת על פי מסלולי חלקיקים אלה. MSD קשורה תכונות החומר, כגון הציות השרץ, באמצעות יחס סטוקס-איינשטיין מוכללת17,19,20,21,22, 23. המדינה של החומר נקבע על ידי חישוב המדרון לוגריתמי של העקומה MSD כפונקציה של זמן השהיה, α,
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57429/57429eq1.jpg">
כאשר t הוא זמן השהיה ולאחר השוואתו המעריך הקריטיים מרגוע, n. n נקבעת באמצעות זמן-קיור הסופרפוזיציה, מתועדת היטב בטכניקה שונה כדי לנתח נתונים MPT לארסן, פירסט6. על ידי השוואה של n כדי α המדינה של החומר באופן כמותי נקבע. כאשר α > n החומר הוא סול, ומתי α < n החומר הוא ג'ל. העבודות הקודמות יש מאופיין שבמערכת HCO שימוש microrheology כדי לקבוע הרפיה ביקורתי המעריך9. באמצעות מידע זה, נוכל לקבוע בדיוק מתי החומר המעברים של ג'ל סול במהלך ניסוי. בנוסף, ניתן לחשב את הפרמטר הלא-Gaussian, αNG, כדי לקבוע את מידת הטרוגניות מבנית של מערכת,
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57429/57429eq2.jpg">
איפה תנועת החלקיקים מימדי בכיוון x , Δx(t). באמצעות MPT, ניתן לאפיין שינוי חד-פאזי, אך על ידי אפיון חומרים עם MPT התקן microfluidic, אנחנו מסוגלים לתפעל את סביבתו נוזלים ולאסוף נתונים של מעברים שלב מספר על מדגם יחיד ג'ל.
זה מכשיר microfluidic נועדה לחקור את המעברים הקריטיים של מדגם יחיד ג'ל זה עובר שינויים שלב בתגובה לשינויים בסביבה נוזלית שמסביב. המכשיר בורסות נוזלים המקיפים את הדגימה כאשר הוא גם במדינה ג'ל או סול על ידי נעילת המדגם במקום לזירוז מעבר שלב תוך מזעור הטיה. אגן הממס ממוקם ישירות מעל תא הדגימה, אשר מחוברים באמצעות שישה ערוצים כניסת מפוזרים באופן סימטרי. סימטריה זו מאפשרת חילופי נוזלים מאגן הממס לבין תא הדגימה תוך יצירת לחץ שווה סביב המדגם, נעילתה במקום. היו מספר מחקרים להשתמש בשיטה זו עבור חלקיק בודד ו- DNA השמנה, אך עבודה זו משנה את עוצמת הקול ממולקולות יחיד כדי דגימות המהווים כ 10 µL24,25,26. עיצוב ייחודי זה מאפשר גם אפיון microrheological בזמן אמת במהלך שלב מעברים.
ממוצע2rheology היא טכניקה חזקה הרלוונטיים מערכות רבות חומר רך. בטכניקה המתוארת במאמר זה תוכנן עבור colloidal ג'לים, אך זה ניתן בקלות להתאים חומרים אחרים כגון פולימר או פתרונות micellar. בטכניקה זו, נוכל לקבוע לא רק כיצד מעברי פאזה משפיעים על תכונות החומר של שיווי משקל, אך שלבי עיבוד גם כמה שונה שנמשך השפעות על ההתפתחות rheological של החומר ואת המבנה בפיגומים הסופי, מאפיינים.

<table><tbody><tr><td>150 x 15 mm Petri Dish</td><td>Corning, Inc.</td><td>351058</td><td></td></tr><tr><td>75 x 50 x 0.15 mm glass slide</td><td>Fisher Scientific</td><td>Custom</td><td></td></tr><tr><td>75 x 50 x 1.0 mm glass slide</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-550-C</td><td></td></tr><tr><td>75 x 25 x 1.0 mm glass Slide</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-550-A3</td><td></td></tr><tr><td>22 x 22 Glass cover slips</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-542-B</td><td></td></tr><tr><td>Acetone, 99.5%</td><td>VWR Analytical</td><td>67-64-1</td><td></td></tr><tr><td>Low intensity UV source</td><td>UVP</td><td>UVL-56</td><td></td></tr><tr><td>Chloroform, 99.9%</td><td>Fisher Chemical</td><td>C298-500</td><td></td></tr><tr><td>Cotton Swabs</td><td>Q-tips</td><td>83289205</td><td></td></tr><tr><td>Ethanol, 90%</td><td>Fisher Chemical</td><td>A962-4</td><td></td></tr><tr><td>Fluoresbrite&amp;reg; YG Carboxylate Microspheres 0.50&amp;micro;m</td><td>Polysciences, Inc.&amp;nbsp;</td><td>15700-10</td><td></td></tr><tr><td>High-Intensity UV Lamp</td><td>Spectroline Corp.</td><td>SB-100P</td><td></td></tr><tr><td>Hot plate</td><td>Corning, Inc.</td><td>PC-420</td><td></td></tr><tr><td>Hydrochloric Acid, 6N</td><td>Ricca Chemical Company</td><td>3750-32</td><td></td></tr><tr><td>Methyltriethyoxysilane, 98%</td><td>Acros Organics</td><td>174622500</td><td></td></tr><tr><td>Microcentrifuge</td><td>Eppendorf</td><td>5424</td><td></td></tr><tr><td>Plasma cleaner</td><td>Harrick Plasma, Inc.</td><td>PDC-32G</td><td></td></tr><tr><td>Polydimethylsiloxane (PDMS)</td><td>Robert McKwown Company</td><td>2065622</td><td></td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>Branson, Emerson Electric</td><td>1800</td><td></td></tr><tr><td>Steel connectors, ID 0.023 inch</td><td>New England Small Tube Corp.</td><td>Custom</td><td></td></tr><tr><td>Tetraethoxysilane, 98%</td><td>Alfa Aesar</td><td>A14965</td><td></td></tr><tr><td>Thiol-ene Resin (UV curable)</td><td>Norland Products, Inc.&amp;nbsp;</td><td>NOA81</td><td></td></tr><tr><td>Transparency</td><td>Staples Inc.&amp;nbsp;</td><td>21828</td><td></td></tr><tr><td>Tygon tubing, ID 1/32 inch</td><td>McMaster-Carr</td><td>E-3603</td><td></td></tr><tr><td>Vacuum oven</td><td>Fisher Scientific</td><td>282A</td><td></td></tr><tr><td>Biopsy punch 8 mm</td><td>World Precision Instruments</td><td>504535</td><td></td></tr><tr><td>Bioposy punch 0.5 mm</td><td>World Precision Instruments</td><td>504528</td><td></td></tr><tr><td>Syringe, 30 mL</td><td>BD</td><td>309659</td><td></td></tr><tr><td>Syringe, 3 mL</td><td>BD</td><td>309651</td><td></td></tr><tr><td>Needle, 18 gauge</td><td>BD</td><td>305195</td><td></td></tr><tr><td>Microcentrifuge tube, 1.5 mL</td><td>Eppendorf</td><td>22-36-320-4</td><td></td></tr><tr><td>High-speed Camera</td><td>Vision Research</td><td>Miro M120&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Microscope</td><td>Carl Zeiss AG</td><td>Zeiss Observer, Z1</td><td></td></tr><tr><td>Syringe pump</td><td>New Era Pump Systems</td><td>NE-300</td><td></td></tr><tr><td>Hydrogenated castor oil</td><td>Procter &amp;amp; Gamble</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Af&amp;iacute;cio MP 6002 Printer</td><td>Ricoh Company, Ltd.</td><td>415877</td><td></td></tr></tbody></table>

combining microfluidics and microrheology to determine rheological properties of soft matter during repeated phase transitions

מיקרו מחומר רך ישירות משפיעה על מאפייני rheological מאקרוסקופית והוא ניתן לשינוי על-ידי גורמים שונים, לרבות שחלוף colloidal במהלך השלב הקודם שינויים ומוחלים הטיה. כדי לקבוע את היקף השינויים הללו, פיתחנו מכשיר microfluidic מאפשר חזר על מעברי פאזה המושרה על ידי חילופי האפיון של נוזלים ושל microrheological שמסביב תוך הגבלת הטיה על הדגימה. טכניקה זו היא ממוצע2rheology, השילוב של מיקרופלואידיקה ו- microrheology. המכשיר microfluidic הוא עיצוב דו שכבתי עם כניסת סימטרי נחלים הזנת תא מדגם זה לוכד את הדגימה ג'ל במקום במהלך החלפת נוזלים. ניתן להחיל שאיבה רחוק מן החדר מדגם למשוך נוזלים אל החדר הדגימה. מאפייני rheological גשמי מאופיינים באמצעות חלקיקים מרובים מעקב microrheology (MPT). MPT, חלקיקים בדיקה פלורסנט מוטמעים בתוך החומר, תנועה בראונית של הגששים נרשם באמצעות מיקרוסקופ וידאו. מעקב אחר תנועת החלקיקים, העקירה אומר בריבוע (MSD) מחושבת. MSD קשורה מאקרוסקופית מאפייני rheological, באמצעות היחס סטוקס-איינשטיין מוכללת. השלב של החומר מזוהה על ידי השוואה כדי המעריך הקריטיים מרגוע, באמצעות עקרון הסופרפוזיציה זמן-קיור. מדידות של ג'ל colloidal סיביים ממחישים את התועלת של הטכניקה. התכשיר יש מבנה עדין שניתן לשינוי בלתי הפיך הטיה מוחל. ממוצע2rheology הנתונים מראה כי החומר שוב ושוב equilibrates על מאפייני rheological אותו לאחר כל מעבר פאזה, המציין כי מעברי פאזה לא לשחק תפקיד לשינויים microstructural. כדי לקבוע את התפקיד של הטיה, דגימות יכול הטייה לפני זריקה לתוך המכשיר microfluidic שלנו. ממוצע2rheology היא טכניקה החלים נרחב עבור אפיון החומר רך המאפשר קביעת מאפייני rheological מזערים עדין דגימה בודדת במהלך שלב מעברים בתגובה לשינויים חוזרות ונשנות תנאי הסביבה שמסביב.

מכשיר microfluidic דו שכבתי בנוי עם PDMS (איור 1א, ב), אשר הוא בדוגמת על בול microfluidic. העיצוב של החותמת מוצג באיור 1c. הגדרת הניסוי לקוי יכול לגרום הן שגיאות זורם microrheology ו- microfluidic פסיבית במהלך סביב החלפת נוזלים (איור 2). ...

Watch this Scientific Journal Video about Combining Microfluidics and Microrheology to Determine Rheological Properties of Soft Matter during Repeated Phase Transitions at JoVE.com

Combining Microfluidics and Microrheology to Determine Rheological Properties of Soft Matter during Repeated Phase Transitions

נדגים את ייצור ושימוש של מכשיר microfluidic המאפשר מספר החלקיקים מעקב מדידות microrheology לחקור את ההשפעות rheological של מעברים שלב חוזרות ונשנות בעניין רך.

שילוב מיקרופלואידיקה Microrheology כדי לקבוע מאפייני Rheological מחומר רך במהלך שלב חוזרות מעברים

The microstructure of soft matter directly impacts macroscopic rheological properties and can be changed by factors including colloidal rearrangement ...

combining-microfluidics-microrheology-to-determine-rheological

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Physics

Engineering

Unit 1

Temperature and Heat

SCIENTISTS IN ACTION

7.8K Views.  Lehigh University. נדגים את ייצור ושימוש של מכשיר microfluidic המאפשר מספר החלקיקים מעקב מדידות microrheology לחקור את ההשפעות rheological של מעברים שלב חוזרות ונשנות בעניין רך.

Video: Combining Microfluidics and Microrheology to Determine Rheological Properties of Soft Matter during Repeated Phase Transitions

Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is presented. The SANS shear cell consists of a concentric cylinder Couette geometry that is sealed and rotating about a horizontal axis so that the vorticity direction of the flow field is aligned with the neutron beam enabling scattering from the 1-2 plane of shear (velocity-velocity gradient, respectively). This approach is an advance over previous shear cell sample environments as there is a strong coupling between the bulk rheology and microstructural features in the 1-2 plane of shear. Flow-instabilities, such as shear banding, can also be studied by spatially resolved measurements. This is accomplished in this sample environment by using a narrow aperture for the neutron beam and scanning along the velocity gradient direction. Time resolved experiments, such as flow start-ups and large amplitude oscillatory shear flow are also possible by synchronization of the shear motion and time-resolved detection of scattered neutrons. Representative results using the methods outlined here demonstrate the useful nature of spatial resolution for measuring the microstructure of a wormlike micelle solution that exhibits shear banding, a phenomenon that can only be investigated by resolving the structure along the velocity gradient direction. Finally, potential improvements to the current design are discussed along with suggestions for supplementary experiments as motivation for future experiments on a broad range of complex fluids in a variety of shear motions.

A shear cell is developed for small-angle neutron scattering measurements in the velocity-velocity gradient plane of shear and is used to characterize complex fluids. Spatially resolved measurements in the velocity gradient direction are possible for studying shear-banding materials. Applications include investigations of colloidal dispersions, polymer solutions, and self-assembled structures.

מדידת חומר מיקרו תחת זרם באמצעות 1-2 מטוס זרימה קטן זווית ניוטרון פיזור

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is ...

Synthesis of Poly(N-isopropylacrylamide) Janus Microhydrogels for Anisotropic Thermo-responsiveness and Organophilic/Hydrophilic Loading Capability

Janus microparticles are compartmentalized particles with differing molecular structures and/or functionality on each of their two sides. Because of this unique property, Janus microparticles have been recognized as a new class of materials, thereby attracting a great deal of attention from various research fields. The versatility of these microparticles has been exemplified through their uses as building blocks for self-assembly, electrically responsive actuators, emulsifiers for painting and cosmetics, and carriers for drug delivery. This study introduces a detailed protocol that explicitly describes a synthetic method for designing novel Janus microhydrogels composed of a single base material, poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm). Janus microdroplets are firstly generated via a hydrodynamic focusing microfluidic device (HFMD) based on the separation of a supersaturated aqueous NIPAAm monomer solution and subsequently polymerized through exposure to UV irradiation. The resulting Janus microhydrogels were found to be entirely composed of the same base material, featured an easily identifiable compartmentalized morphology, and exhibited anisotropic thermo-responsiveness and organophilic/hydrophilic loading capability. We believe that the proposed method introduces a novel hydrogel platform with the potential for advanced synthesis of multi-functional Janus microhydrogels.

Synthesis of PolyN-isopropylacrylamide Janus Microhydrogels for Anisotropic Thermo-responsiveness and Organophilic/Hydrophilic Loading Capability

We present a protocol to synthesize Janus microhydrogels composed entirely of the same base material, poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm), with a clearly compartmentalized structure base on the phase separation of a supersaturated NIPAAm monomer solution. The synthesized Janus microhydrogels show unique properties such as anisotropic thermo-responsiveness and organophilic/hydrophilic loading capability.

סינתזה של פולי (<em&gt; N</em&gt; -isopropylacrylamide) יאנוס Microhydrogels בשל חוסר תגובה Thermo אניזוטרופי ו Organophilic / טוען הידרופיליות יכולת

Janus microparticles are compartmentalized particles with differing molecular structures and/or functionality on each of their two sides. Because of this ...

Chemistry

Microfluidic Mixers for Studying Protein Folding

The process by which a protein folds into its native conformation is highly relevant to biology and human health yet still poorly understood. One reason for this is that folding takes place over a wide range of timescales, from nanoseconds to seconds or longer, depending on the protein1. Conventional stopped-flow mixers have allowed measurement of folding kinetics starting at about 1 ms. We have recently developed a microfluidic mixer that dilutes denaturant ~100-fold in ~8 &mu;s2. Unlike a stopped-flow mixer, this mixer operates in the laminar flow regime in which turbulence does not occur. The absence of turbulence allows precise numeric simulation of all flows within the mixer with excellent agreement to experiment3-4.
Laminar flow is achieved for Reynolds numbers Re &le;100. For aqueous solutions, this requires micron scale geometries. We use a hard substrate, such as silicon or fused silica, to make channels 5-10 &mu;m wide and 10 &mu;m deep (See Figure 1). The smallest dimensions, at the entrance to the mixing region, are on the order of 1 &mu;m in size. The chip is sealed with a thin glass or fused silica coverslip for optical access. Typical total linear flow rates are ~1 m/s, yielding Re~10, but the protein consumption is only ~0.5 nL/s or 1.8 &mu;L/hr. Protein concentration depends on the detection method: For tryptophan fluorescence the typical concentration is 100 &mu;M (for 1 Trp/protein) and for FRET the typical concentration is ~100 nM.
The folding process is initiated by rapid dilution of denaturant from 6 M to 0.06 M guanidine hydrochloride. The protein in high denaturant flows down a central channel and is met on either side at the mixing region by buffer without denaturant moving ~100 times faster (see Figure 2). This geometry causes rapid constriction of the protein flow into a narrow jet ~100 nm wide. Diffusion of the light denaturant molecules is very rapid, while diffusion of the heavy protein molecules is much slower, diffusing less than 1 &mu;m in 1 ms. The difference in diffusion constant of the denaturant and the protein results in rapid dilution of the denaturant from the protein stream, reducing the effective concentration of the denaturant around the protein. The protein jet flows at a constant rate down the observation channel and fluorescence of the protein during folding can be observed using a scanning confocal microscope5.

In this work we explain the fabrication and use of a microfluidic mixer capable of mixing two solutions in ~8 &mu;s. We also demonstrate the use of these mixers with spectroscopic detection using UV fluorescence and fluorescence resonance energy transfer (FRET).

מערבלים microfluidic ללימוד קיפול חלבונים

The process by which a protein folds into its native conformation is highly relevant to biology and human health yet still poorly understood. One reason ...

Bioengineering

Phase Diagram Characterization Using Magnetic Beads as Liquid Carriers

Magnetic beads with ~1.9 &#181;m average diameter were used to transport microliter volumes of liquids between contiguous liquid segments with a tube for the purpose of investigating phase change of those liquid segments. The magnetic beads were externally controlled using a magnet, allowing for the beads to bridge the air valve between the adjacent liquid segments. A hydrophobic coating was applied to the inner surface of the tube to enhance the separation between two liquid segments. The applied magnetic field formed an aggregate cluster of magnetic beads, capturing a certain liquid amount within the cluster that is referred to as carry-over volume. A fluorescent dye was added to one liquid segment, followed by a series of liquid transfers, which then changed the fluorescence intensity in the neighboring liquid segment. Based on the numerical analysis of the measured fluorescence intensity change, the carry-over volume per mass of magnetic beads has been found to be ~2 to 3 &#181;l/mg. This small amount of liquid allowed for the use of comparatively small liquid segments of a couple hundred microliters, enhancing the feasibility of the device for a lab-in-tube approach. This technique of applying small compositional variation in a liquid volume was applied to analyzing the binary phase diagram between water and the surfactant C12E5 (pentaethylene glycol monododecyl ether), leading to quicker analysis with smaller sample volumes than conventional methods.

Here, we present a protocol to investigate multi-component phase diagrams using externally controlled magnetic beads as liquid carriers in a lab-in-tube approach. This approach can aid in applications that seek to gather further information on phase change in complex liquid systems.

שלב תרשים אפיון באמצעות חרוזים מגנטיים כדיסקים נוזליים

Magnetic beads with ~1.9 &#181;m average diameter were used to transport microliter volumes of liquids between contiguous liquid segments with a tube for ...

Dielectric RheoSANS &#8212; Simultaneous Interrogation of Impedance, Rheology and Small Angle Neutron Scattering of Complex Fluids

A procedure for the operation of a new dielectric RheoSANS instrument capable of simultaneous interrogation of the electrical, mechanical and microstructural properties of complex fluids is presented. The instrument consists of a Couette geometry contained within a modified forced convection oven mounted on a commercial rheometer. This instrument is available for use on the small angle neutron scattering (SANS) beamlines at the National Institute of Standards and Technology (NIST) Center for Neutron Research (NCNR). The Couette geometry is machined to be transparent to neutrons and provides for measurement of the electrical properties and microstructural properties of a sample confined between titanium cylinders while the sample undergoes arbitrary deformation. Synchronization of these measurements is enabled through the use of a customizable program that monitors and controls the execution of predetermined experimental protocols. Described here is a protocol to perform a flow sweep experiment where the shear rate is logarithmically stepped from a maximum value to a minimum value holding at each step for a specified period of time while frequency dependent dielectric measurements are made. Representative results are shown from a sample consisting of a gel composed of carbon black aggregates dispersed in propylene carbonate. As the gel undergoes steady shear, the carbon black network is mechanically deformed, which causes an initial decrease in conductivity associated with the breaking of bonds comprising the carbon black network. However, at higher shear rates, the conductivity recovers associated with the onset of shear thickening. Overall, these results demonstrate the utility of the simultaneous measurement of the rheo-electro-microstructural properties of these suspensions using the dielectric RheoSANS geometry.

Here, we present a procedure for the measurement of simultaneous impedance, rheology and neutron scattering from soft matter materials under shear flow.

RheoSANS דיאלקטרי - חקירת סימולטני של עכבה, Rheology וקטנים זווית ניוטרון פיזור של נוזלים מורכבים

A procedure for the operation of a new dielectric RheoSANS instrument capable of simultaneous interrogation of the electrical, mechanical and ...

Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure

The generation of monodisperse droplets with high viscosity has always been a challenge in droplet microfluidics. Here, we demonstrate a phase-inversion co-flow device to generate uniform high-viscosity droplets in a low-viscosity fluid. The microfluidic capillary device has a common co-flow structure with its exit connecting to a wider tube. Elongated droplets of the low-viscosity fluid are first encapsulated by the high-viscosity fluid in the co-flow structure. As the elongated low-viscosity droplets flow through the exit, which is treated to be wetted by the low-viscosity fluid, phase inversion is then induced by the adhesion of the low viscosity droplets to the tip of the exit, which results in the subsequent inverse encapsulation of the high-viscosity fluid. The size of the resultant high-viscosity droplets can be adjusted by changing the flow rate ratio of the low-viscosity fluid to the high-viscosity fluid. We demonstrate several typical examples of the generation of high-viscosity droplets with a viscosity up to 11.9 Pas, such as glycerol, honey, starch, and polymer solution. The method provides a simple and straightforward approach to generate monodisperse high-viscosity droplets, which may be used in a variety of droplet-based applications, such as materials synthesis, drug delivery, cell assay, bioengineering, and food engineering.

A phase-inversion co-flow device is demonstrated to generate monodisperse high-viscosity droplets above 1 Pas, which is difficult to realize in droplet microfluidics.

בדיית טיפות צמיגות גבוהה באמצעות המכשיר נימי Microfluidic עם שלב-היפוך זרימה ושיתוף מבנה

The generation of monodisperse droplets with high viscosity has always been a challenge in droplet microfluidics. Here, we demonstrate a phase-inversion ...

Controlled Microfluidic Environment for Dynamic Investigation of Red Blood Cell Aggregation

Blood, as a non-Newtonian biofluid, represents the focus of numerous studies in the hemorheology field. Blood constituents include red blood cells, white blood cells and platelets that are suspended in blood plasma. Due to the abundance of the RBCs (40% to 45% of the blood volume), their behavior dictates the rheological behavior of blood especially in the microcirculation. At very low shear rates, RBCs are seen to assemble and form entities called aggregates, which causes the non-Newtonian behavior of blood. It is important to understand the conditions of the aggregates formation to comprehend the blood rheology in microcirculation. The protocol described here details the experimental procedure to determine quantitatively the RBC aggregates in microcirculation under constant shear rate, based on image processing. For this purpose, RBC-suspensions are tested and analyzed in 120 x 60 &#181;m poly-dimethyl-siloxane (PDMS) microchannels. The RBC-suspensions are entrained using a second fluid in order to obtain a linear velocity profile within the blood layer and thus achieve a wide range of constant shear rates. The shear rate is determined using a micro Particle Image Velocimetry (&#181;PIV) system, while RBC aggregates are visualized using a high speed camera. The videos captured of the RBC aggregates are analyzed using image processing techniques in order to determine the aggregate sizes based on the images intensities.

The protocol described details an experimental procedure to quantify Red Blood Cell (RBC) aggregates under a controlled and constant shear rate, based on image processing techniques. The goal of this protocol is to relate RBC aggregate sizes to the corresponding shear rate in a controlled microfluidic environment.

סביבת Microfluidic מבוקרת לדינמית חקירה של צבירת תאי דם האדום

Blood, as a non-Newtonian biofluid, represents the focus of numerous studies in the hemorheology field. Blood constituents include red blood cells, white ...

Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren system is constructed from a Hoffman modulation contrast microscope, which provides easy access to the rear focal plane of the objective lens, by removing the slit plate and replacing the modulator with a knife-edge. The working principle of microscale schlieren technique relies on detecting light deflection caused by variation of refractive index1-3. The deflected light either escapes or is obstructed by the knife-edge to produce a bright or a dark band, respectively. If the refractive index of the mixture varies linearly with its composition, the local change in light intensity in the image plane is proportional to the concentration gradient normal to the optical axis. The micro-schlieren image gives a two-dimensional projection of the disturbed light produced by three-dimensional inhomogeneity.
To accomplish quantitative analysis, we describe a calibration procedure that mixes two fluids in a T-microchannel. We carry out a numerical simulation to obtain the concentration gradient in the T-microchannel that correlates closely with the corresponding micro-schlieren image. By comparison, a relationship between the grayscale readouts of the micro-schlieren image and the concentration gradients presented in a microfluidic device is established. Using this relationship, we are able to analyze the mixing inhomogeneity from associate micro-schlieren image and demonstrate the capability of microscale schlieren technique with measurements in a microfluidic oscillator4. For optically transparent fluids, microscale schlieren technique is an attractive diagnostic tool to provide instantaneous full-field information that retains the three-dimensional features of the mixing process.

Herein, we describe a procedure that employs microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. Through calibration, distribution of concentration gradient can be derived from the micro-schlieren image.

ניתוח inhomogeneity ערבוב במכשיר microfluidic על ידי טכניקת microscale Schlieren

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren ...

In Situ Mapping of the Mechanical Properties of Biofilms by Particle-tracking Microrheology

Bacterial cells are able to form surface-attached biofilm communities known as biofilms by encasing themselves in extracellular polymeric substances (EPS). The EPS serves as a physical and protective scaffold that houses the bacterial cells and consists of a variety of materials that includes proteins, exopolysaccharides and DNA. The composition of the EPS may change, which remodels the mechanic properties of the biofilm to further develop or support alternative biofilm structures, such as streamers, as a response to environmental cues. Despite this, there are little quantitative descriptions on how EPS components contribute to the mechanical properties and function of biofilms. Rheology, the study of the flow of matter, is of particular relevance to biofilms as many biofilms grow in flow conditions and are constantly exposed to shear stress. It also provides measurement and insight on the spreading of the biofilm on a surface. Here, particle-tracking microrheology is used to examine the viscoelasticity and effective crosslinking roles of different matrix components in various parts of the biofilm during development. This approach allows researchers to measure mechanic properties of biofilms at the micro-scale, which might provide useful information for controlling and engineering biofilms.

In Situ Mapping of the Mechanical Properties of Biofilms by Particle-tracking Microrheology

Particle-tracking microrheology investigates the viscoelasticity of materials. Here, the technique is used to determine the viscoelasticity, creep compliance and effective crosslinking roles of different matrix components of a bacterial biofilm. The matrix consists of polymeric substances secreted by the bacteria and its components determine biofilm structure and mechanical properties.

במיפוי באתרו של התכונות מכניות של Biofilms ידי Microrheology מעקב חלקיקים

Bacterial cells are able to form surface-attached biofilm communities known as biofilms by encasing themselves in extracellular polymeric substances ...

High-Contrast and Fast Photorheological Switching of a Twist-Bend Nematic Liquid Crystal

Smart viscoelastic materials that respond to specific stimuli are one of the most attractive classes of materials important to future technologies, such as on-demand switchable adhesion technologies, actuators, molecular clutches, and nano-/microscopic mass transporters. Recently it was found that through a special solid-liquid transition, rheological properties can exhibit significant changes, thus providing suitable smart viscoelastic materials. However, designing materials with such a property is complex, and forward and backward switching times are usually long. Therefore, it is important to explore new working mechanisms to realize solid-liquid transitions, shorten the switching time, and enhance the contrast of rheological properties during switching. Here, a light-induced crystal-liquid phase transition is observed, which is characterized by means of polarizing light microscopy (POM), photorheometry, photo-differential scanning calorimetry (photo-DSC), and X-ray diffraction (XRD). The light-induced crystal-liquid phase transition presents key features such as (1) fast switching of crystal-liquid phases for both forward and backward reactions and (2) a high contrast ratio of viscoelasticity. In the characterization, POM is advantageous in offering information on the spatial distribution of LC molecule orientations, determining the type of liquid crystalline phases appearing in the material, and studying the orientation of LCs. Photorheometry allows measurement of a material&#8217;s rheological properties under light stimuli and can reveal the photorheological switching properties of materials. Photo-DSC is a technique to investigate thermodynamic information of materials in darkness and under light irradiation. Lastly, XRD allows studying of microscopic structures of materials. The goal of this article is to clearly present how to prepare and measure the discussed properties of a photorheological material.

This protocol demonstrates the preparation of a photorheological material that exhibits a solid phase, various liquid crystalline phases, and an isotropic liquid phase by increasing temperature. Presented here are methods for measuring the structure-viscoelasticity relationship of the material.

לעומת זאת, מיתוג החלפת כיפוף מהיר של גביש נוזלי

Smart viscoelastic materials that respond to specific stimuli are one of the most attractive classes of materials important to future technologies, such ...