Herstellung von hoher Viskosität Tröpfchen mit mikrofluidischen Kapillare Gerät mit Phase-Inversion Co-Flow Struktur

Die Generation der Tröpfchen wird eine Schlüsseltechnologie in einer Vielzahl von Anwendungen, z. B. Drug-Delivery, Materialsynthese, 3D Bioprinting, Zelle Assays und Food engineering^{1,2,3,4 , 5 , 6}. Co fließen mikrofluidischen Geräte mit t-Kreuzung^7,8,^1,9, oder Fluss-Fokussierung^10,11 Strukturen sind weit verbreitet, Monodisperse zu generieren einzigen Emulsion Tröpfchen. Auswahl von viskoser dauerphase erleichtert die Bildung von Tröpfchen¹², und die Viskosität der kontinuierlichen und verteilten Flüssigkeiten sind häufig unter 0,1 Pas in Tröpfchen Mikrofluidik¹³. Jedoch kann in vielen Anwendungen die dispersen Phase eine Viskosität mehrere hundert Mal höher als die des Wassers, wie Glycerin¹⁴, Lösungen mit Nanopartikeln¹⁵, Proteine¹⁶oder Polymere¹⁷ haben ^{, 18 , 19}, es ist zwar schwierig, Monodisperse Tropfen direkt von hochviskosen Flüssigkeiten in einem Stall tropft Regime¹¹ in mikrofluidischen Geräten, insbesondere für Flüssigkeiten mit einer Viskosität η > 1 Pa·s^{14 zu erreichen ,17,18,19}. Darüber hinaus wurde berichteten^13,18 , dass typische mikrofluidischen Methoden zur Tropfenbildung Flüssigkeiten mit relativ niedrigen Viskosität und moderate Grenzflächenspannung einheitliche Tröpfchen in einer stabilen tropfenden bilden erfordern Regime.

Für dispergierte Phase mit einer Viskosität etwas größer als 0,1 Pas, gibt es mehrere mögliche Ansätze zur Erleichterung der Tropfenbildung mit typischen t-Kreuzung, Co-Flow oder Flow-Fokussierung mikrofluidischen Geräte: (1) Abnahme der Viskosität der dispersen Phase in eine flüchtige Lösungsmittel^11,20verdünnen; (2) verringern Sie das Verhältnis verteilt, kontinuierliche Viskosität durch die Erhöhung der Viskosität der kontinuierlichen Phase^1,11; (3) verringern Sie die Durchflussmenge der dispersen Phase auf einen extrem niedrigen Wert, wobei ein hoher kontinuierlicher zerstreut Flow Rate Verhältnis ^14,19. Diese Ansätze sind jedoch nicht für Flüssigkeiten mit viel höherer Viskosität, praktisch, wie sie die Produktionsrate deutlich senken werden, während dramatisch erhöhen den Verbrauch das flüchtige Lösungsmittel oder die kontinuierliche Phase. Darüber hinaus wurde berichtet, dass einige hohe Viskosität Polymerlösungen mit η > 1 Pa·s noch nicht in Tröpfchen mit^17,19genannten Ansätze brechen oben.

Es gibt auch mehrere verbesserte Designs von mikrofluidischen Geräten, die eine dritte Phase der Flüssigkeit in das System einzuführen, die die Erzeugung von hoher Viskosität Tröpfchen erleichtert. Innovationen gehören: Bläschen eingeführt, um eine sprühvolumen Fadenabschneiden in Tröpfchen²¹, eine nicht mischbaren Geschäftsplanungen Flüssigkeit mit moderaten Viskosität, als die mittlere Phase zwischen der Dipsersed-Phase und der kontinuierlichen Phase¹⁸, eingeführt und Mikroreaktoren eingeführt, um hochviskose Tröpfchen aus zwei dünnflüssigen Vorstufen^21,22,23zu generieren. Jedoch wie ein flüssiger beteiligt ist, das System wird immer komplizierter und die Geräte funktionieren in der Regel in einem viel engeren Fluss Regime als die typische Geräte zur Erzeugung von einzelnen Emulsion Tröpfchen.

Monodisperse generieren, die Tropfen direkt aus eine hochviskose Flüssigkeit mit η > 1 Pa·s, Oberfläche-kontrollierten Phase-Inversion Methoden wurden untersucht,²⁴. Wie die Generation von dünnflüssigen Tröpfchen viel einfacher als die von hoher Viskosität Tröpfchen¹², längliche dünnflüssiges Tröpfchen in einer kontinuierlichen Phase hoher Viskosität entstehen zunächst mit einer typischen Co-Flow-Struktur, und dann sind Due abgewrackt zur Veränderung der Oberfläche Benetzbarkeit flussabwärts der Co-Flow Struktur. Das freigegebene dünnflüssiges Fluid kapselt umgekehrt die nachgelagerte hochviskose Flüssigkeit in Tröpfchen so dass Phase Inversion abgeschlossen ist. Nach der Phase Inversion Mechanismus können Monodisperse hochviskose Tröpfchen erzeugt werden, basierend auf einem typischen Co-Flow-Gerät während die Ausfahrt von der Co-Flow-Gerät behandelt, um durch die niedrigviskose Flüssigkeit benetzt werden und dann mit einem größeren Rohr^{24 verbunden ist ,25}.