通过模拟分析新的液滴形成流体结

2017年9月8日

通过经典的液滴形成的液体连接,很难实现可用于制造高度分室微构造的复杂乳液液滴。这些连接具有简单的几何形状,这可能会导致流速控制范围狭窄。为了解决这个问题,一个研究小组设计了一个更复杂的几何形状的振荡微流体结。这个称为蝙蝠翼交界处的连接可以始终产生带有定制成分和封装试剂的均匀且复杂的双乳液液滴。

通过新型的流体连接来改善液滴微型浮雕的领域

液滴微流体可以形成大量均匀,可控和独立的微型液滴。该领域对于始终产生多种乳液特别有用。多乳液液滴可用于形成具有类似细胞的内部结构具有特定排列的微观颗粒,从而可以在不同的生物工程学科中进行编程化学相互作用。

通常,通过在基于微毛细管或基于芯片的微流体设备中使用一系列液滴形成连接来生成多个乳液。尽管它们在液滴微流体中的重要性,但典型的液滴形成连接倾向往往具有简单的几何形状。这些几何形状可能导致一些问题,包括:

  • 顺序乳化机制中的狭窄流速控制范围
  • 有限的空间限制流体界面相互作用的能力有限
  • 液滴多分散性的潜力,就液滴大小的均匀性以及组件和试剂的封装而言

双乳液液滴的图像。
双乳液液滴。Catrin Sohrabi的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 4.0, 通过Wikimedia Commons

为了避免液滴形成的问题,工程师正在寻求设计具有更好的流速控制的连接处,以帮助将液滴形态保持在指定的狭窄范围内,以更精确,更划分的液滴形成。

加的夫大学工程学院应用微流体实验室的研究团队设计了一个分叉的微流体几何形状来解决这些问题。他们的微流体交界处称为蝙蝠翼交界处,利用逐步的乳化机制和精度流截面,形成复杂且高度均匀的双乳液液滴。

蝙蝠翼交界处的几何形状比经典的液滴形成交界处更为复杂。它由两个通过扩展区链接并端到头链接的交叉形相结合。这些交叉点与分叉共享一侧入口,并以扩展出口结束。在液滴形成过程中,该连接的分叉结构振荡了侧面流。连接的结构会影响液滴形成过程,这是由于空间限制在输送上和影响流体相互作用而产生的。

放大的照片显示了蝙蝠翼交界处,这是一个新颖的液体交界处。
蝙蝠翼交界处的特写景观。图片由Jin Li提供。

该液滴形成过程的第一步是生成第一个乳液,形成内部液滴,也称为内核。接下来,蝙蝠翼连接确切地是第一个乳液,形成包裹核心的均匀双乳液液滴。这些液滴最终具有球形形状,此时核心获得了特定的3D排列(取决于特定的乳液形态)。这些液滴可以用作模板,以生成高度分隔的微胶囊和多构想。

通过模拟和实验分析新颖的蝙蝠翼连接点

研究团队使用Microfluidics模块,这是ComsolMultiphysics®软件的附加产品,以研究蝙蝠翼交界处的液滴形成过程。188金宝搏优惠使用该模块,他们能够通过在几何中值表面绘制等速度,音量,速度幅度和压力分布来可视化液滴分解过程。

实验和仿真都表明,蝙蝠翼连接处如何受到三个液滴形成的态度的影响:滴水,挤压和喷射。参与这项研究的研究人员之一金李指出,他们的研究导致了一个重要发现。具体来说,他们发现“蝙蝠翼交界处具有被动的卫星 - 滴滴删除能力,当时它在其挤压方案中起作用。这可以提供更多的单分散输出,而无需进一步筛选副产品(卫星液滴)。”

模拟还可以瞥见蝙蝠翼交界处的分叉侧通道的流动振荡现象。结果表明,从上游和下游分叉流向膨胀区的连续相体积在液滴形成期间急剧变化,从而导致不同的流动模式。结果表明,可以通过调整连续的相流量来控制液滴分解点和大小,从而精确地产生可定义长度的分散相段。

振荡的蝙蝠翼交界处的作用。动画提供Jin Li。

研究人员更多地了解了连续相流入率如何通过研究两步乳化方法中两种液滴的形成来影响液滴的形成:

  1. 均匀的单分散核壳形液滴
  2. 分隔双乳液液滴

第一次研究的结果表明,调整连续的相流量速率可以使蝙蝠翼连接处以各种体积比的均匀液滴从均匀的液滴中脱离。此外,使用不同的流入率组合可以使蝙蝠翼连接点形成高度可复制的液滴。至于分室化的双乳液液滴,研究表明,改变连续的相流速还可以帮助精确调整双乳液液滴中的核心数量。

并排图像显示蝙蝠翼交界处的液滴如何形成。
蝙蝠翼交界处的液滴形成。在这里,多个核心封装在双乳液液滴中。图片由Jin Li提供。

继续前进,该团队通过研究将不同类型的核心包装在单个壳相矩阵中的双乳液液滴来了解有关液滴核心的更多信息。为此,研究人员使用了一个带有两个T缝线的系统来创建两个独立和重复的液滴组作为第一乳液。这些液滴的模式由各种流入率组合控制。

为了形成双重乳液,第一乳液是精确切开的,形成然后封装的芯。如上所述,芯的数量取决于连续的相流速。当产生的双乳液段变成球形时,核心将自己重新排列为特定的3D形成。该模式取决于核心的大小和数量以及在第一乳液中的顺序。

实验和模拟为研究人员提供了更好地了解蝙蝠翼交界处不同流入率下的液滴形成机制。研究表明,蝙蝠翼连接可以产生统一的双乳液液滴,以封装不同类型的核心。

对高度分室的微构造进行多物理分析

使用上面提到的双乳液液滴作为模板,研究团队可以制造具有不同功能性的高度分隔的微构造,例如微胶囊和多构想。例如,由此产生的多核微胶囊可以允许多个试剂释放或原位关于外部刺激的化学合成。

带有簇芯的微胶囊图像。
图像显示带有环形芯的微胶囊。

高度分室和实心微胶囊,其中包含多个3D均匀核心。右图像显示“群集核心”,左图显示“环形内核”。液滴由蝙蝠翼交界处产生的双乳液液滴形成。图片由Jin Li提供。

该小组通过使用液体和化学模拟监测化学试剂的浓度变化来分析这种高度分室化构建体中的顺序化学反应。通过此,他们检查了一个13核,可渗透的微胶囊,其中包含活性试剂。顺序链反应中的最后一个反应由于核的几何布置而发生在中心芯中。

还为多核心多型体模拟了相同的顺序化学反应,其中四种构造了含有不同试剂的核心。在这种情况下,研究人员发现核心的双层位置和排列会影响摄政的扩散。当分子在多群中扩散时,这些反应发生。

另一位参与这项研究的研究人员巴罗教授说,这些模拟结果表明:“胶囊内部的组件的结构[发挥]对分子扩散,化学反应,[和]生物学的精确控制的重要作用。”

蝙蝠翼路口的未来应用

通过蝙蝠翼连接点创建的微构造可以用于生物技术和医学等领域的各种潜在的现实应用。

Li和Barrow设想了蝙蝠翼交界处的未来用途。由于这些设备使我们能够始终如一,有效地产生均匀的复杂乳液液滴,因此“可以在需要创建细胞状液滴的不同应用中采用交界处;例如,同时进行大量平行的生物/化学反应,并输出化学工程或合成生物学研究的准确和可重复的数据。”一些特定用途包括药物输送,材料制造,靶向治疗和食品产生。

下一步,研究人员旨在通过对蝙蝠翼设计进行进一步研究来解决其研究的局限性。

了解有关液滴形成和微流体的更多信息


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