Name: fabricating high-viscosity droplets using microfluidic capillary device with phase-inversion co-flow structure
Uploaded: 2018-04-17T14:00:00
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Este trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias naturales de China (núms. 51420105006 y 51322501). Agradecemos a Daniel por su útil discusión sobre las ideas de alta viscosidad.

1. producir un dispositivo capilar Co flujo de inversión de fase para observar el proceso de generación de gotas acuosas, de gran viscosidad de ~ 500 μm de diámetro.
Nota: El tubo cuadrado exterior utilizado aquí es para tomar imágenes del proceso de generación de las gotas de alta viscosidad. Si no hay necesidad para tomar imágenes, una versión simplificada del dispositivo se puede hacer según el paso de protocolo 2.
<ol><li>
Prepare tres tubos de vidrio de diferentes tama...

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	<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. 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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>

El dispositivo de flujo Co inversión fase proporciona un método simple y recta hacia adelante para generar gotas de alta viscosidad monodispersa. Este dispositivo tiene una estructura similar a los dispositivos comunes de flujo Co, como la estructura de flujo de trabajo básico consiste en un tubo interno insertado en el tubo medio, la salida que está conectada a la tubería de salida. Sin embargo, hay dos diferencias principales entre la fase inversión flujo Co dispositivo y dispositivo de flujo de trabajo común pa...

La generación de gotas se está convirtiendo en una tecnología clave en una variedad de aplicaciones, tales como el suministro de medicamentos, síntesis de materiales, bioprinting 3D, estudios de células y alimentos ingeniería1,2,3,4 , 5 , 6. dispositivos microfluídicos con cruce7,8, co fluyen1,9, o10,enfoque de flujo11 estructuras son ampliamente utilizadas para generar monodispersa gotas de una emulsión. Selección de una fase continua más viscoso facilitará la formación de gotas12, y las viscosidades de los líquidos continuados y dispersos son comúnmente por debajo de 0,1 Pas en gotita microfluídica13. Sin embargo, en muchas aplicaciones, la fase dispersa puede tener una viscosidad varios cientos de veces mayor que la del agua, como glicerol14, soluciones que contengan nanopartículas15, proteínas16o17 de polímeros , 18 , 19, aunque es difícil lograr monodispersa gotitas de fluidos de alta viscosidad en un establo goteo régimen11 en dispositivos microfluídicos, especialmente para los fluidos con viscosidad η > 1 Pa·s14 ,17,18,19. Además, ha sido reportado13,18 que microfluídicos típicos métodos para la formación de gotas requieren líquidos con una viscosidad relativamente baja y moderada tensión interfacial para formar gotitas de uniforme en un goteo estable régimen.
Para una fase dispersa con una viscosidad ligeramente superior a 0,1 Pas, hay varios enfoques posibles para facilitar la formación de gotas con cruce típico, flujo Co o dispositivos microfluídicos enfoque flujo: (1) disminución de la viscosidad de la dispersión fase mediante la dilución en un solvente volátil11,20; (2) disminuir la relación dispersa-a-continuo de la viscosidad al aumentar la viscosidad de la fase continua1,11; (3) disminuir la tasa de flujo de la fase dispersa a un valor extremadamente bajo, manteniendo un flujo continuo de dispersión alta tasa cociente 14,19. Sin embargo, estos métodos no son prácticos para líquidos con una viscosidad mucho más alta, reducirá significativamente el ritmo de producción aumentando dramáticamente el consumo de solventes volátiles o la fase continua. Además, se ha divulgado que algunas soluciones de polímero de alta viscosidad η > 1 Pa·s todavía no se rompió para arriba en gotas con los enfoques mencionados17,19.
También hay varios diseños mejorados de dispositivos microfluídicos que introducir una tercera fase de fluido en el sistema, que facilita la generación de gotas de alta viscosidad. Las innovaciones incluyen: burbujas para cortar un hilo que echa en chorro en gotas21, un líquido inmiscible ataviado con una viscosidad moderada, como la fase media entre la fase de dipsersed y la fase continua18, y microreactores para generar gotas de alta viscosidad a partir de dos precursores de baja viscosidad21,22,23. Sin embargo, como un líquido más está implicado en el proceso, el sistema se vuelve más complicado, y los dispositivos funcionan generalmente en un régimen de flujo mucho más estrecho que los dispositivos típicos para la generación de gotas de emulsión simple.
Generar monodispersa gotas directamente en un fluido de alta viscosidad η > 1 Pa·s, métodos de inversión de fase controlada de superficie han sido investigados24. Como la generación de gotitas de baja viscosidad es mucho más fácil que el de gran viscosidad gotas12, alargadas gotas de baja viscosidad en una fase continua de alta viscosidad se generan por primera vez con una estructura de flujo de trabajo típico y entonces se dividen debido al cambio de mojabilidad superficial aguas abajo de la estructura de flujo de trabajo. El fluido de baja viscosidad lanzado inversamente encapsula el fluido de alta viscosidad abajo en gotitas para que la inversión de fase se ha completado. Según el mecanismo de inversión de fase, se pueden generar gotas de alta viscosidad monodispersa basado en un dispositivo de flujo de trabajo típico, mientras que la salida del dispositivo Co flujo es tratada para ser mojadas por el líquido de baja viscosidad y luego conectada a un tubo más ancho24 ,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

La generación de gotitas monodispersa con de gran viscosidad ha sido siempre un desafío en microfluídica de gota. Aquí, demostramos un dispositivo Co flujo de inversión de fase para generar gotas uniformes de alta viscosidad en un fluido de baja viscosidad. El dispositivo de microfluidos capilar tiene una estructura común de flujo Co con su salida que se conecta a un tubo más ancho. Alargado las gotitas del fluido de baja viscosidad primero están encapsuladas por el líquido viscoso de la estructura de flujo de Co. Como las gotas alargadas de baja viscosidad fluyen a través de la salida, que se trata de ser mojada por el líquido de baja viscosidad, inversión de fase entonces es inducida por la adherencia de las gotas de baja viscosidad hasta la punta de la salida, que da como resultado la inversa posterior encapsulación del fluido viscoso. El tamaño de las gotas de alta viscosidad resultantes puede ajustarse cambiando la proporción de la tasa de flujo del fluido de baja viscosidad al líquido viscoso. Muestran varios ejemplos típicos de la generación de gotas de alta viscosidad con una viscosidad hasta 11,9 Pas, tales como solución de glicerina, miel, almidón y polímero. El método proporciona un enfoque sencillo para generar gotas de alta viscosidad monodispersa, que pueden ser utilizadas en una variedad de aplicaciones basadas en la gota, como síntesis de materiales, el suministro de medicamentos, análisis de la célula, bioingeniería y alimentos de la ingeniería.

Un dispositivo de microfluidos capilar con una inversión de fase, estructura del flujo de co fue diseñado para generar monodispersa acuoso gotitas de alta viscosidad, como se muestra en la figura 1A. En la figura 1, la fase acuosa de alta viscosidad fue glicerol, que tiene una viscosidad ηw = 1,4 Pas; la fase de aceite de baja viscosidad es parafina líquida, que tiene una viscosidad ηo...

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

Fabricación de gotas de alta viscosidad usando dispositivos capilares microfluídicos con estructura de flujo de co inversión de fase

Un dispositivo de flujo Co inversión de fase se demuestra para generar gotas de alta viscosidad monodispersa sobre 1 Pas, que es difícil de realizar en microfluídica de gota.

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

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