Fabricação de gotículas de alta viscosidade usando dispositivo capilar microfluídico com estrutura de co-fluxo de inversão de fase

A geração de gotículas está se tornando uma tecnologia-chave em uma variedade de aplicações, tais como a entrega da droga, síntese de materiais, bioprinting 3D, ensaios de célula e comida engenharia^{1,2,3,4 , 5 , 6}. dispositivos microfluídicos com entroncamento^7,8, co^1,9de fluxo, ou fluxo de focagem^10,11 estruturas são amplamente utilizadas para gerar monodisperso gotículas de emulsão simples. Seleção de uma fase contínua mais viscosa irá facilitar a formação de gotículas¹²e as viscosidades de ambos os fluidos, contínuas e dispersas são comumente inferiores a 0,1 Pas em gotículas microfluídica¹³. No entanto, em muitas aplicações, a fase dispersa pode ter uma viscosidade várias centenas de vezes superior da água, tais como o glicerol¹⁴, soluções contendo nanopartículas¹⁵, proteínas¹⁶ou polímeros^{17 , 18 , 19}, apesar de ser difícil conseguir monodisperso gotas diretamente de fluidos de alta viscosidade em um estábulo pingando regime¹¹ em dispositivos microfluídicos, especialmente para os líquidos com uma viscosidade η > 1 Pa · s^{14 ,17,18,19}. Além disso, tem sido relatado^13,18 que métodos microfluidic típico para a formação de gotículas exigem líquidos com uma viscosidade relativamente baixa e moderada tensão interfacial para formar gotículas uniformes em um gotejamento estável regime.

Para uma fase dispersa com uma viscosidade ligeiramente maior do que 0,1 Pas, existem várias abordagens possíveis para facilitar a formação de gotículas com entroncamento típico, co fluxo ou fluxo de focagem microfluidic dispositivos: (1) diminuição da viscosidade do dispersos fase, diluindo-a em um solvente volátil^11,20; (2) diminuir a relação de viscosidade dispersos-para-contínua aumentando a viscosidade da fase contínua^1,11; (3) diminua a taxa de fluxo da fase dispersa a um valor extremamente baixo, mantendo um alto fluxo contínuo de-dispersa taxa relação ^14,19. No entanto, essas abordagens não são práticas para líquidos com viscosidade muito maior, como eles abaixarão significativamente a taxa de produção enquanto a elevar drasticamente o consumo de solvente volátil ou a fase contínua. Além disso, tem sido relatado que algumas soluções de polímero de alta viscosidade com η > 1 Pa · s ainda não quebraram em gotas com abordagens mencionadas acima de^17,19.

Existem também diversos projetos de melhoria de dispositivos microfluídicos que introduzir uma terceira fase de fluido no sistema, que facilita a geração de gotículas de alta viscosidade. As inovações incluem: bolhas introduzidas para cortar um segmento jorrando gotas²¹, um líquido imiscível parentes com viscosidade moderada, introduzido como fase intermediária entre a fase de dipsersed e a fase contínua¹⁸, e microreactors introduzido para gerar gotículas de alta viscosidade de dois precursores de baixa viscosidade^21,22,23. No entanto, como um fluido mais está envolvido no processo, o sistema torna-se mais complicado, e os dispositivos normalmente trabalham em um regime de fluxo muito mais estreito do que os dispositivos típicos para a geração de gotículas de emulsão simples.

Para gerar monodisperso gotas diretamente de um fluido de alta viscosidade com η > 1 Pa · s, métodos de superfície controlada fase-inversão tem sido investigado²⁴. Como a geração de gotículas de baixa viscosidade é muito mais fácil do que as gotas de alta viscosidade¹², alongadas gotículas de baixa viscosidade em uma fase contínua de alta viscosidade são geradas pela primeira vez usando uma estrutura de fluxo típico de co e então terminaram devido para a mudança de superfície molhabilidade a jusante da estrutura de fluxo de co. O fluido de baixa viscosidade lançado inversamente encapsula o fluido de alta viscosidade a jusante em gotas para que a inversão de fase está concluída. De acordo com o mecanismo de inversão de fase, gotículas de alta viscosidade monodisperso podem ser geradas com base em um dispositivo de fluxo típico de co, enquanto a saída do dispositivo co fluxo é tratada para ser molhadas pelo fluido de baixa viscosidade e então conectada a um tubo mais largo^{24 ,25}.