Name: fabricating high-viscosity droplets using microfluidic capillary device with phase-inversion co-flow structure
Uploaded: 2018-04-17T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure at JoVE.com

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.

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.</...

<ol>
	<li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Designer+emulsions+using+microfluidics.">Designer emulsions using microfluidics.</a> Mater. Today. 11, 18-27 (2008).</li><li>Park, J. I., Saffari, A., Kumar, S., G&#252;nther, A., Kumacheva, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+synthesis+of+polymer+and+inorganic+particulate+materials.">Microfluidic synthesis of polymer and inorganic particulate materials.</a> Annu. Rev. Mater. Res. 40, 415-443 (2010).</li><li>Heath, J. R., Ribas, A., Mischel, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-cell+analysis+tools+for+drug+discovery+and+development.">Single-cell analysis tools for drug discovery and development.</a> Nat. Rev. Drug Discovery. 15, 204-216 (2016).</li><li>Murphy, S. V., Atala, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+Bioprinting+of+tissues+and+organs.">3D Bioprinting of tissues and organs.</a> Nat. Biotechnol. 32, 773-785 (2014).</li><li>Du, G., Fang, Q., den Toonder, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidics+for+cell-based+high+throughput+screening+platforms-a+review.">Microfluidics for cell-based high throughput screening platforms-a review.</a> Anal. Chim. Acta. 903, 36-50 (2016).</li><li>Ushikubo, F. Y., Oliveira, D. R. B., Michelon, M., Cunha, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Designing+food+structure+using+microfluidics.">Designing food structure using microfluidics.</a> Food Eng. Rev. 7, 393-416 (2015).</li><li>Xu, J. H., Li, S. W., Tan, J., Wang, Y. J., Luo, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+of+highly+monodisperse+droplet+in+a+T-junction+microfluidic+device.">Preparation of highly monodisperse droplet in a T-junction microfluidic device.</a> AIChE Journal. 52, 3005-3010 (2006).</li><li>van Steijn, V., Kleijn, C. R., Kreutzer, M. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flows+around+confined+bubbles+and+their+importance+in+triggering+pinch-off.">Flows around confined bubbles and their importance in triggering pinch-off.</a> Phys. Rev. Lett. 103, 214501 (2009).</li><li>Utada, A. S., Fernandez-Nieves, A., Stone, H. A., 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=Dripping+to+jetting+transitions+in+coflowing+liquid+streams.">Dripping to jetting transitions in coflowing liquid streams.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 094502 (2007).</li><li>Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+dispersions+using+&amp;#34;flow+focusing&amp;#34;+in+microchannels.">Formation of dispersions using &amp;#34;flow focusing&amp;#34; in microchannels.</a> Appl. phys. lett. 82, 364-366 (2003).</li><li>Utada, A. S., Lorenceau, E., Link, D. R., Kaplan, P. D., Stone, H. A., 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=Monodisperse+double+emulsions+generated+from+a+microcapillary+device.">Monodisperse double emulsions generated from a microcapillary device.</a> Science. 308, 537-541 (2005).</li><li>Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Droplet+microfluidics.">Droplet microfluidics.</a> Lab Chip. 8, 198-220 (2008).</li><li>Nunes, J. K., Tsai, S. S. H., Wan, J., Stone, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dripping+and+jetting+in+microfluidic+multiphase+flows+applied+to+particle+and+fiber+synthesis.">Dripping and jetting in microfluidic multiphase flows applied to particle and fiber synthesis.</a> J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 114002 (2013).</li><li>Cubaud, T., 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=Capillary+threads+and+viscous+droplets+in+square+microchannels.">Capillary threads and viscous droplets in square microchannels.</a> Phys. Fluids. 20, 053302 (2008).</li><li>Shestopalov, I., Tice, J. D., Ismagilov, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-step+synthesis+of+nanoparticles+performed+on+millisecond+time+scale+in+a+microfluidic+droplet-based+system.">Multi-step synthesis of nanoparticles performed on millisecond time scale in a microfluidic droplet-based system.</a> Lab Chip. 4, 316-321 (2004).</li><li>Zheng, B., Roach, L. S., Ismagilov, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Screening+of+protein+crystallization+conditions+on+a+microfluidic+chip+using+nanoliter-size+droplets.">Screening of protein crystallization conditions on a microfluidic chip using nanoliter-size droplets.</a> J. Am. Chem. Soc. 125, 11170-11171 (2003).</li><li>Nie, Z. H., Xu, S. Q., Seo, M., Lewis, P. C., Kumacheva, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+production+of+biopolymer+microcapsules+with+controlled+morphology.">Microfluidic production of biopolymer microcapsules with controlled morphology.</a> J. Am. Chem. Soc. 127, 8058-8063 (2005).</li><li>Abate, A. R., Kutsovsky, M., Seiffert, S., Windbergs, M., Pinto, L. F., Rotem, A., Utada, A. S., 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=Synthesis+of+monodisperse+microparticles+from+non-Newtonian+polymer+solutions+with+microfluidic+devices.">Synthesis of monodisperse microparticles from non-Newtonian polymer solutions with microfluidic devices.</a> Adv. Mater. 23, 1757-1760 (2011).</li><li>Seo, M., Nie, Z., Xu, S., Mok, M., Lewis, P. C., Graham, R., Kumacheva, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+microfluidic+reactors+for+polymer+particles.">Continuous microfluidic reactors for polymer particles.</a> Langmuir. 21, 11614-11622 (2005).</li><li>Duncanson, W. J., Lin, T., Abate, A. R., Seiffert, S., Shah, R. K., 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=Microfluidic+synthesis+of+advanced+microparticles+for+encapsulation+and+controlled+release.">Microfluidic synthesis of advanced microparticles for encapsulation and controlled release.</a> Lab Chip. 12, 2135-2145 (2012).</li><li>Song, H., Chen, D. L., Ismagilov, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reactions+in+droplets+in+microfluidic+channels.">Reactions in droplets in microfluidic channels.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 45, 7336-7356 (2006).</li><li>Chen, H., Zhao, Y., Li, J., Guo, M., Wan, J., Weitz, D. A., Stone, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reactions+in+double+emulsions+by+flow-controlled+coalescence+of+encapsulated+drops.">Reactions in double emulsions by flow-controlled coalescence of encapsulated drops.</a> Lab Chip. 11, 2312-2315 (2011).</li><li>Wang, P., Li, J., Nunes, J., Hao, S., Liu, B., Chen, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Droplet+micro-reactor+for+internal+gelation+to+fabricate+ZrO2+ceramic+microspheres.">Droplet micro-reactor for internal gelation to fabricate ZrO2 ceramic microspheres.</a> J. Am. Ceram. Soc. 100, 41-48 (2017).</li><li>Chen, H., Man, J., Li, Z., Li, 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+generation+of+high-viscosity+droplets+by+surface-controlled+breakup+of+segment+flow.">Microfluidic generation of high-viscosity droplets by surface-controlled breakup of segment flow.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 9, 21059-21064 (2017).</li><li>Man, J., Li, Z., Li, J., Chen, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase+inversion+of+slug+flow+on+step+surface+to+form+high+viscosity+droplets+in+microchannel.">Phase inversion of slug flow on step surface to form high viscosity droplets in microchannel.</a> Appl. Phys. Lett. 110, 181601 (2017).</li></ol>

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?...

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.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>VitroTubes Glass Tubing</td>
			<td>VitroCom</td>
			<td>8240</td>
			<td>Square - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.4mm, OD=0.8mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VitroTubes Glass Tubing</td>
			<td>VitroCom</td>
			<td>CV2033</td>
			<td>Round - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.2mm, O.D.=0.33mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VitroTubes Glass Tubing</td>
			<td>VitroCom</td>
			<td>CV1017</td>
			<td>Round - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.1mm, O.D.=0.17mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VitroTubes Glass Tubing</td>
			<td>VitroCom</td>
			<td>Q14606</td>
			<td>Square - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=1.05mm+0.1/-0, OD=1.5mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Standard Glass Capillaries</td>
			<td>WPI</td>
			<td>1B100-6</td>
			<td>Round - Glass Tubing, I.D.=0.58mm, O.D.=1.00mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glycerol</td>
			<td>Sinopharm Chemical Reagent Beijing</td>
			<td>10010618</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Paraffin Liquid</td>
			<td>Sinopharm Chemical Reagent Beijing</td>
			<td>30139828</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Poly(vinyl alcohol), PVA-124</td>
			<td>Sinopharm Chemical Reagent Beijing</td>
			<td>30153084</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Span 80</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>85548</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Starch</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S9765</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trichloro(octadecyl)silane</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>104817</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Toluidine Blue O</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>T3260</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Honey</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Chaste tree honey, common food product purchased from supermarket</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DEVCON 5 Minute Epoxy</td>
			<td>ITW&#160;</td>
			<td></td>
			<td>Epoxy glue</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blunt Tip Stainless Steel Dispensing Needles (Luer Lock)</td>
			<td>Suzhou Lanbo Needle, China</td>
			<td>LTA820050</td>
			<td>20G x 1/2&#34;&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tungsten/Carbide Scriber</td>
			<td>Ullman</td>
			<td>1830</td>
			<td>For cutting glass tubing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope Slides</td>
			<td>Sail Brand</td>
			<td>7101</td>
			<td>76.2 mm x 25.4 mm, Thickness 1 - 1.2 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethylene Tubing</td>
			<td>Scientific Commodities</td>
			<td>BB31695-PE/5</td>
			<td>I.D. = 0.86 mm, O.D. = 1.32 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe Pumps</td>
			<td>Longer Pump, China</td>
			<td>LSP01-1A</td>
			<td>3 pumps needed for the experiments</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabricating high-viscosity droplets using microfluidic capillary device with phase-inversion co-flow structure

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.

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?...

Watch this Scientific Journal Video about Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure at JoVE.com

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

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

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

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

The overall goal of this procedure is to generate monodispersed high-viscosity droplets with viscosities above one pascal seconds and a low viscosity continuous phase via phase-inversion in a simple co-flow microfluidic device. This method can solve the key problem in the droplet microfluidics field about manipulation of inherently high-viscosity fluids such as high glycerol polymer solutions and nanoparticle suspensions. The main advantage of this technique is that it initially generates low-viscosity droplets which are easier to form and control than high-viscosity droplets.The subsequent phasing version to generate high-viscosity droplets is induced when the low-viscosity droplets flow from the exit of a co-flow structure. Demonstrating the procedure will be Mr.Zhongnan Li, a graduate student from Tsinghua University. To begin preparing the device, use a tungsten carbide scriber to cut a three centimeter length of a round glass tube with an inner and outer diameter of 580 micrometers and one millimeter respectively.This will form the middle tube of the device. To make the inner tube of the device, cut a two centimeter length of a round glass tube with an inner and outer diameter of 200 and 330 micrometers respectively. Place one milliliter of ODTS in a 1.5 milliliter centrifuge tube.Immerse one end of the middle tube in the ODTS for 10 seconds. Then flush the tube with nitrogen gas from the untreated end until the tube is dry. Next, use a blade to cut a 0.5 millimeter by 0.5 millimeter notch.On the edge of the plastic Luer hub of a 20 gauge half-inch blunt needle, cut a 0.5 millimeter by 0.5 millimeter notch and a one millimeter by one millimeter notch directly across from each other on the hub of a second needle. Then place the middle tube lengthwise on a standard glass microscope slide with the hydrophobic ODTS-coated end extending about one centimeter passed the narrow end of the slide. Insert the inner tube into the untreated end of the middle tube leaving about one centimeter of the inner tube outside the middle tube.Use epoxy to fix the tubes in place along the center line of the slide. For better performance, adjust the position of the inner tube to be approximately concentrate to the middle tube. Once the epoxy has set, place the singly-notched needle over the end of the inner tube so that the tube fits in the notch.Fix the needle in place with epoxy to form the low-viscosity oil inlet. Then fix the double-notched needle over the junction between the inner and middle tubes to form the high-viscosity aqueous solution inlet. Use epoxy to seal the needle hubs both around the tubes and to the glass substrate.To ensure that the high-viscosity inlet needle sits firmly on the substrate, fit the middle tube into the big notch and the inner tube into the small notch. After the epoxy has dried, fit a 20 millimeter length of polyethylene tubing with an inner diameter of 0.86 millimeter over the hydrophobic end of the middle tube to complete the device. To begin the process, draw 0.8 milliliters of glycerol tinted with blue dye into a one milliliter syringe.Draw 0.8 milliliters of light paraffin oil into a second one milliliter syringe. Connect the glycerol syringe to the high-viscosity aqueous solution inlet of the device via polyethylene tubing with an inner diameter of 0.86 millimeters. Connect the liquid paraffin syringe to the low-viscosity oil inlet.Mount both syringes on syringe pumps. Then use a two-finger clamp and a lab stand to fix the device vertically over a 35 millimeter Petri dish. Adjust the device position so that the end of the outlet tubing is about two millimeters above the bottom of the dish.Pour enough liquid paraffin into the Petri dish to just immerse the device outlet. Add the same quantity of liquid paraffin to a second 35 millimeter Petri dish. Set the glycerol syringe pump flow rate to two microliters per minute.Set the liquid paraffin syringe pump flow rate to six microliters per minute. Run both pumps to begin generating the glycerol droplets. Monitor the droplet generation with a camera if desired.Wait about one minute for the glycerol and liquid paraffin flows to stabilize sufficiently to form uniform glycerol droplets. Then exchange the Petri dish under the device outlet for the second liquid paraffin-filled dish to collect the uniform droplets. Monodispersed glycerol droplets were generated by phase-inversion co-flow devices with middle tubes having diameters of either 200 or 500 micrometers.Monodispersed droplets were also generated from other high-viscosity fluids including honey, a starch solution, and a polyvinyl alcohol solution. Glycerol droplets generated by the 500 micrometer device with oil and glycerol flow rates of 30 and 10 microliters per minute respectively had an average diameter of 521 micrometers. Glycerol droplets generated by the 200 micrometer device at the same flow rates had an average diameter of 212 micrometers.The size of the glycerol droplets was found to change with variations in the ratio of the oil flow rate to the glycerol flow rate. Increasing the oil flow rate while holding the glycerol flow rate constant resulted in a decrease in particle size. After watching this video, you should have a good understanding of how to make monodispersed high-viscosity droplets with a phase-inversion co-flow device.In contrast to common co-flow devices, you do not need to taper the inner glass capillary to a sharp tip to make the phase-inversion co-flow device. The phase-inversion co-flow device can be used to generate high-viscosity droplets with dynamic viscosities of up to 12 pascal seconds. Once mastered, this technique can be done in 30 minutes if it is performed properly.

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Chemistry

Liquids, Solids, and Intermolecular Forces

SCIENTISTS IN ACTION

Fabricating Nanogaps by Nanoskiving

בודה Nanogaps ידי Nanoskiving

There are several methods of fabricating nanogaps with controlled spacings, but the precise control over the sub-nanometer spacing between two ...

Structure and Coordination Determination of Peptide-metal Complexes Using 1D and 2D 1H NMR

Structure and Coordination Determination of Peptide-metal Complexes Using 1D and 2D 1H NMR

Copper (I) binding by metallochaperone transport proteins prevents copper oxidation and release of the toxic ions that may participate in harmful redox ...

Capillary Electrophoresis to Monitor Peptide Grafting onto Chitosan Films in Real Time

אלקטרופורזה הנימים לפקח פפטיד האריך על Chitosan סרטים בזמן אמת

Free-solution capillary electrophoresis (CE) separates analytes, generally charged compounds in solution through the application of an electric field. ...

Using Capillary Electrophoresis to Quantify Organic Acids from Plant Tissue: A Test Case Examining Coffea arabica Seeds

Using Capillary Electrophoresis to Quantify Organic Acids from Plant Tissue: A Test Case Examining Coffea arabica Seeds

באמצעות אלקטרופורזה נימים לכמת חומצות אורגניות מרקמות צמח: מקרה מבחן בחינה<em&gt; קפה ערביקה</em&gt; זרעים

Carboxylic acids are organic acids containing one or more terminal carboxyl (COOH) functional groups. Short chain carboxylic acids (SCCAs; carboxylic ...

Monitoring the Effects of Illumination on the Structure of Conjugated Polymer Gels Using Neutron Scattering

פיקוח על ההשפעות של תאורה על המבנה של פולימר מצומדת ג'לים באמצעות פיזור נייטרון

We demonstrate a protocol to effectively monitor the gelation process of a high concentration solution of conjugated polymer both in the presence and ...

Preparation of Hollow Polystyrene Particles and Microcapsules by Radical Polymerization of Janus Droplets Consisting of Hydrocarbon and Fluorocarbon Oils

הכנה של חלקיקים פוליסטירן חלול מהמיקרו קפסולות מאת פלמור הרדיקלית של ג'אנוס טיפות של פחמימנים, שמנים Fluorocarbon

In this article, we have demonstrated a method for producing hollow particles and microcapsules using oil droplets consisting of hydrocarbon oil (styrene) ...

Probing the Structure and Dynamics of Interfacial Water with Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy

חיטוט את המבנה ואת הדינמיקה של מים פנים עם סריקה מיקרוסקופ מינהור וספקטרוסקופיה

Water/solid interfaces are ubiquitous and play a key role in many environmental, biophysical, and technological processes. Resolving the internal ...

Synthesis and Structure Determination of &#181;-Conotoxin PIIIA Isomers with Different Disulfide Connectivities

סינתזה וקביעת מבנה ממוצע-Conotoxin Isomers PIIIA עם Connectivities דיסולפידי שונים

Peptides with a high number of cysteines are usually influenced regarding the three-dimensional structure by their disulfide connectivity. It is thus ...

Large-scale Top-down Proteomics Using Capillary Zone Electrophoresis Tandem Mass Spectrometry

בקנה מידה גדול פרוטאומיקס מלמעלה למטה באמצעות ספקטרומטר מסה של טנדם אלקטרופורזה של אזור נים

Capillary zone electrophoresis-electrospray ionization-tandem mass spectrometry (CZE-ESI-MS/MS) has been recognized as a useful tool for top-down ...

High-throughput and Comprehensive Drug Surveillance Using Multisegment Injection-Capillary Electrophoresis-Mass Spectrometry

מעקב סמים תפוקה גבוהה ומקיף באמצעות ספקטרומטר מסה אלקטרופורזה הזרקה-נימי Multisegment

New analytical methods are urgently needed to enable high-throughput, yet comprehensive drug screening, given an alarming opioid and prescription drug ...