一步法合成芯片上微流体的混合胶囊使用水相系统
Sneha Daradmare,
Kim Jae Seong
•拉赫曼Ganguly
(李- 化学工程与应用化学,忠南国立大学,Yuseong-gu、韩国
水凝胶胶囊由传统油质乳液合成系统是生物医学的更少的首选应用程序由于油和表面活性剂的使用。一个水相系统(atp),它允许water-in-water乳液的形成,是一个绿色的替代,因此一直探索在生物医学领域中的应用。在此,我们报告的合成水凝胶胶囊使用设置组成的气动阀与atp集成微流控系统。在这种安排,首先,气动阀促进液滴的生成一个水系统即海藻酸钠(SA)含有葡聚糖溶液进入另一个阶段包括聚乙二醇水溶液。目前的方法允许好控制液滴生成优化气动阀的压力和流速的核心和中间阶段。微流体装置内混合胶囊的合成主要是通过面对面的界面络合进行聚合电解质,壳聚糖与SA通过静电相互作用。界面复杂SA和壳聚糖水凝胶胶囊收集通过解决收集方法,保证了混合胶囊的形状的保留。as-synthesized液滴的形态特性和混合胶囊进行通过光学显微镜。水凝胶胶囊显示良好的磁性颗粒封装能力。尽管本研究主要集中在合成部分,我们预计,该方法将使封装内的细胞混合胶囊以及提高细胞粘附表面的水凝胶胶囊因此,这些水凝胶胶囊可以找到生物医学工程的强大的应用程序。
1介绍
一个水相系统(atp)是一个非混相水性溶液系统,形成了两种不同的溶质时,聚合物,或高浓度的盐溶解在水媒体(Albertsson 1970)。atp的传统目的使用它们在各种生物和非生物的分离和净化材料(Ferreira-Faria et al ., 2020;阿西斯et al ., 2021)。后来,在20世纪,研究者们已经开始利用atp在微流体系统的实用程序来生成water-in-water (w / w)乳液液滴(崔et al ., 2007;Ziemecka et al ., 2011;Shum et al ., 2012;损害et al ., 2017)。然而,使用atp在微流控系统的主要挑战是两个水相之间的超低界面表面张力导致不稳定的液滴形成(Sauret et al ., 2012;Azizian et al ., 2019;Beldengrun et al ., 2020)。但是,最近的调查显示很多方面例如,被动和主动方法稳定液滴在微流体设备(曹国伟et al ., 2020;Daradmare et al ., 2022)。成功的一代的w / w液滴在微流体设备提供了一个很好的机会来利用这些统一尺度液滴在各种应用程序中,如生物主机,反应堆,在生物材料的合成和模板(曹国伟et al ., 2020)。不管怎样,这些w / w乳液液滴的稳定仍具有挑战性。
有趣的是,研究人员尝试几个策略w / w乳液液滴的稳定,防止液滴聚结(曹国伟et al ., 2020;Daradmare et al ., 2022)。大部分的策略,如使用定制的高分子聚合物和合成不同种类的胶粒曾大量atp乳化稳定w / w乳液液滴(Buzza说et al ., 2013;蜂窝et al ., 2017;小仲马et al ., 2021)。然而,近年来,利用聚电解质(PE)络合(压电)水水界面一直在唯一的选择使用微流体设备稳定w / w液滴形成的水凝胶胶囊(损害et al ., 2016;马et al ., 2016)。在这种情况下,两个PEs分散在一个或另一个阶段,例如,在一个水相PE1 (droplet-forming阶段)和PE2在另一个水相(连续相),满足在液滴界面的形成液滴微流控装置内,形成一个健壮的固体外壳通过有吸引力的静电相互作用。
水凝胶胶囊(生物相容性)的最重要的功能是封装和控制释放化学敏感试剂的应用在各个领域包括医药活性物的靶向药物输送和活细胞封装与应用程序从微生物的基本研究人造器官的发展(损害et al ., 2016)。几种经典的方式被用来制备水凝胶胶囊(列出了过去几年Perro et al ., 2022)。其中大部分在油水媒体使用的化学反应或物理交互。试剂如油和/或表面活性剂可以降低水凝胶胶囊的生物相容性,并有可能有毒的交互封装细胞或蛋白质,或其他生物实体(损害et al ., 2016;Zhang et al ., 2016)。因此,微流控装置通过PEC-based稳定技术提供了一种有前途的方法来统一尺度水凝胶胶囊的制造。这种方法提供了几个优势包括快速络合,不同的材料选择、和可伸缩的单步处理(损害et al ., 2017)。PE / PE水凝胶胶囊有灵活和弹性膜,可以支持压力差异,就是明证皱纹和扩大渗透胁迫的能力。聚电解质复合层也渗透,使化学交换之间的内部和外部的微胶囊。最后,这些胶囊是stimuli-responsive;静电相互作用可以使用外部刺激如pH、离子强度调制(损害et al ., 2017)。当这些水凝胶胶囊形式由atp,系统提供了一些额外的优点,如提供非常有利的环境敏感的生物或化学货物。此外,不需要额外的清洗步骤,所以货物可以加载到乳液模板的时候PEC-based胶囊的制造。这个功能是非常可取的加载昂贵的药品试剂,因为降低试剂消耗(纳et al ., 2020)。
我们所知,这个日期,只有fingerful工作研究了佩奇在微流控装置的制造使用atp (Zhang et al ., 2016;邹et al ., 2019;刘et al ., 2020;纳et al ., 2020;王et al ., 2020)。张等人报道的制造PEC-based胶囊使用atp液滴生成在一个玻璃毛细管微流控装置。他们用聚电解质微胶囊(PEMCs)的封装和释放蛋白(Zhang et al ., 2016)。最近,邹等人使用相同的平台玻璃毛细管微流控设备以及机械波发生器,并添加二氧化硅纳米粒子生成PEC-based胶囊壳材料。他们报道成功的封装和释放的胰蛋白酶酶(邹et al ., 2019)。此外,气动valve-integrated微流体装置是用来制造PEC-based胶囊,提供一个健壮的平台工程师人类胰岛瀑样(刘et al ., 2020;王et al ., 2020)。同年,纳等人伪造磁PEMCs使用ATPS-integrated微流体设备(纳et al ., 2020)。
我们的工作由以前的作品灵感和动机,而导致的思想从这些之前报道平台的集成为一代PEC-based胶囊(Zhang et al ., 2016;邹et al ., 2019;刘et al ., 2020;纳et al ., 2020;王et al ., 2020)。然而,开发新的平台集成的基础上收集方法的手稿。在我们的工作中,我们提出一个一步芯片上的微流体混合胶囊的制造方法使用一个水相系统(atp)是基于两个电荷相反的界面络合PEs:聚阳离子壳聚糖和聚阴离子的海藻酸钠(SA)。在本研究中,我们采用气动阀产生w / w滴。我们发现等因素的压力阀,和流率的核心和中间阶段优化w / w液滴的大小。进一步,我们比较传统的垂直管收集与解决方法收集方法收集纯属捏造胶囊,发现沉降收集方法包括生成的控释胶囊内的微流控芯片从底部出口保持他们的常规尺寸。我们观察到的流量核心阶段影响胶囊的大小。我们还演示了胶囊封装磁性粒子的能力。
2材料和方法
2.1材料
右旋糖酐(500 kDa,阿尔法蛇丘),挂钩(20 kDa,西格玛奥德里奇),海藻酸钠(250 cps,西格玛奥德里奇),壳聚糖(> 400 cps,西格玛奥德里奇),冰醋酸(≥99%,西格玛奥德里奇),氢氧化钠(95%,金化学制药有限公司),异硫氰酸荧光素异构体1 (FITC, 90%,西格玛奥德里奇)、氧化铁、铁2O3纳米颗粒(< 50 nm平均大小,西格玛奥德里奇)被用于水凝胶胶囊的合成的过程。西格玛奥德里奇,磷酸氢二钠(99%),磷酸氢钾(99%,西格玛奥德里奇),氯化钠(99.5%,西格玛奥德里奇),氯化钾(99%,Duksan制药有限公司)被用来准备PBS的解决方案。聚二甲硅氧烷和固化剂(Sylgard 184、道康宁、MI、美国),和光刻胶(Microchem集团SU-8 3035年,牛顿,MA)被用于微流控芯片的制造。甲醇(90%,Samchun纯化工有限公司)和去离子水作为溶剂使用。所有的试剂都是作为收到。
2.2微流控装置的制造
微流控芯片是通过一个标准的软光刻技术制造的方法(张成泽et al ., 2016;金et al ., 2021)。所需支出的微流体装置是由使用AutoCAD软件。此外,主模(有图案的硅片)所需的高度是由光刻方法使用SU-8 3035光刻胶(张成泽et al ., 2016;金et al ., 2021)。PDMS预聚物和固化剂10:1的重量比混合,在室温下用真空泵脱气消除气泡。均匀的混合物被倒在主模和热固化在65°C 12 h对流烤箱,形成结构底部的治愈PDMS表(PDMS副本)。结构化的PDMS副本小心地剥掉了模具在不损害结构。结构化的进口和出口端口PDMS复制品是由打孔的活检穿孔直径(ɸ)0.75毫米和1.5毫米,分别。当我们收集了混合胶囊通过解决集合的方法,对于本系统,出口港2毫米ɸ载玻片上使用玻璃钻孔机(KITECH设备,Sherline模型,2010;美国)。随后,结构化的PDMS副本的进口和出口端口绑定了一个普通的PDMS板(垂直管收集方法),和结构化PDMS副本只有入口端口绑定了一载玻片出口(结算收集方法)氧等离子体处理后大约1 - 2分钟,然后结合微流体装置一直在烤箱100°C至少2小时稳定键的强度。
最终的尺寸制作微流控通道如下;微流体通道的高度是100±5.4µm。此外,气动阀的长度和宽度是800±7.87µm和200±3.45µm,分别可以控制液滴的生成。进气通道的宽度,出口通道和蛇形通道100±2.13µm和200±3.10µm,分别。
2.3制造混合胶囊
ATPS-integrated微流控系统是由两个聚合物解决方案,15 wt %葡聚糖(敏捷)和17 wt %挂钩是溶解在去离子水。核心阶段由不同数量的SA是溶解在15 wt %敏捷的解决方案形成不同浓度的核心流程解决方案。中间阶段是17的纯溶液wt %挂钩。不同数量的壳聚糖溶解在17 wt %挂钩方案,pH值调整到5了醋酸形成均匀的壳聚糖溶液不同浓度的壳流解决方案。解决方案的核心,中产和壳阶段加载在注射器(KOVAX、韩国)和注入的水湾微流体装置通过使用注射器泵(超博士,美国哈佛装置)。气动阀位于附近的第一个flow-focusing结挤压并打开(一个开关周期)的主要通道的帮助下承运人氮气导致液滴的生成在一个开关周期的结束。提供的氮气压力调节器控制的气动阀是衡量。切换周期的周期是1.0赫兹实验并保持不变。我们确定了正弦信号的形状。然后后,液滴产生的气动阀进行向第二flow-focusing结在中间阶段的帮助下滴满足壳流导致胶囊的制造。 At the second flow-focusing junction, the electrostatic complexation between oppositely charged PEs, SA, and chitosan occurred. The as-fabricated capsules were collected in the collection chamber containing PBS solution and characterized using an inverted microscope (TE-2000U, Nikon, Japan) equipped with a high-resolution CCD camera (Coolsnap cf, Photomaterials, AZ, United States). The software ImagePro (Media Cybernetics, MD, United States) was used to obtain images. The size of the capsules was measured using ImageJ (NIH, National Institutes of Health, MD, United States).
2.4 FITC标记的壳聚糖的合成
确认络合的界面混合胶囊,选择FITC标记壳聚糖。壳聚糖与FITC标记的发生接合的主组胺的FITC的壳聚糖与异硫氰酸酯组(Sharma et al ., 2012)。根据文献报道(FITC-labeled壳聚糖制备刘et al ., 2020;王et al ., 2020)。短暂,0.5 g壳聚糖溶解在解决50毫升乙酸(0.1 M)。50毫升甲醇被添加到均匀的壳聚糖溶液紧随其后的25毫升甲醇含FITC(2毫克/毫升)。混合解决方案是在室温下搅拌3 h在黑暗中。反应后,0.2 M氢氧化钠溶液添加到最终混合溶液pH值,直到达到9获得FITC -壳聚糖的降水。FITC-chitosan沉淀离心后收集(LABOGENE 2236 r, LS工业系统、韩国)在4°C 15000转10分钟。免费FITC被反复洗涤分离甲醇/水的混合物(7:3体积比)和离心机,直到没有荧光的上层清液中检测出。FITC -壳聚糖当时使用透析袋透析(截止MW = 6 - 8 kD,光谱实验室,Inc .)、美国)对去离子水在黑暗中3天每天用新鲜的去离子水的交换。的透析FITC-chitosan冻干在冷冻干燥器(EYELA fdu - 2200,东京Rikakikai有限公司有限公司、日本)约3天获得干粉。此外,干粉FITC-chitosan用于后续的实验。
3结果与讨论
3.1个atp液滴微流控的设计和操作平台
微流体装置的设计包括三个入口,一个气动阀,两个flow-focusing连接,一个是液滴生成和另一个是制造的胶囊和蛇形通道提供了更多的时间胶囊进行界面络合形成强大坚实的接口,然后与一个出口胶囊收集中可以看到图1一个。在现在的工作中,SA /敏捷,挂钩,挂钩和壳聚糖/解决方案为核心,中间,和壳牌阶段解决方案。过去,因为超低界面张力之间水水阶段,研究人员尝试active-microfluidic方法涉及使用外部扰动生成水滴(曹国伟et al ., 2020;Daradmare et al ., 2022)。气动阀,将机械能转化为表面能部分解决的局限性超低界面张力之间水水阶段(王et al ., 2020)。一个气动阀压缩并定期打开微通道的核心阶段当承运人氮气的阀的微通道,激活液滴的生成周期的最后一个完整的阀门。这些atp液滴作为模板胶囊的制造。胶囊的制备主要是基于PEs的界面络合,带负电荷的SA和带正电荷的壳聚糖。具体来说,atp液滴生成包含SA在第一个flow-focusing结然后进行至第二flow-focusing结在那他们会见包含壳聚糖壳阶段。由于浓度梯度,SA和壳聚糖从液滴分散,和壳牌阶段,分别对中间相形成络合通过静电相互作用(邹et al ., 2019;刘et al ., 2020;王et al ., 2020)。观察到水凝胶胶囊立即膨胀是因为水吸收的微胶囊壳结构完好无损时当他们转移到PBS介质(大小可以相比图1 b)。
图1。(一)示意图说明无油all-aqueous-phase液滴微流控系统平台来制备水凝胶胶囊通过界面之间的络合电荷相反聚合电解质(B)突出相应的数码照片和光学显微镜图像不同部分的微流控芯片,纯属捏造水凝胶胶囊。
3.2可控代atp滴
图2提出了一种相图显示了不同流政权的广泛流率的核心阶段(Q核心)和毛细管数(基于Q中间(Ca)中间)。进行这项研究,15 wt %敏捷,和17 wt %挂钩方案作为核心和中间阶段,分别。气动阀在0.35 MPa的压力是用于生成水滴在第一个flow-focusing结。我们观察到三种典型流动模式不稳定的液滴,等结单分散液滴,形如连续流动。光学显微镜图像代表了三个不同的流动制度flow-focusing连接如图所示图2一个。我们可以看到图2 a, B相图主要是分为三个流程制度:喷射,滴,伸长。喷射是水滴的政权,破坏发生的细长的线程核心阶段由于Rayleigh-Plateau不稳定导致多分散的液滴(Kumar et al ., 2020)。滴政权收益率滴flow-focusing结高度单分散的液滴生成过程中最希望政权控制液滴的大小。一个伸长的政权的连续线状核心阶段流动在中间阶段(金正日et al ., 2018)。
图2。W / W液滴生成在微流控装置上。(一)光学显微镜图像的不同流政权期间观察到的液滴生成flow-focusing结,和(B)相图绘制的函数Q核心和毛细管数(基于Q中间(Ca)中间喷射等)显示不同的流动制度滴,伸长。气动阀在0.35 MPa的压力被用于所有的实验。
流在flow-focusing结的形成主要是由一个力平衡粘性压力和表面张力之间的压力(金正日et al ., 2018)。因此,无量纲数Ca(Ca =µU/γ)形成,U(U =问中间/一个,在那里,一个是横截面面积微流体通道)的速度中间阶段,µ表示中间相的粘度(35±1.98 cP),由Brookfield流变仪测量(RC,美国)γ代表了界面张力(40±4.34μn / m)之间的核心和中间阶段的界面张力计测量(Attension,美国),总的来说,Ca是由不同的问中间。相图在理解很重要滴一代,策划各种流速的核心阶段(0.03 - -0.2μL /分钟)的函数不同的Ca中间从0.0025到0.176不等。这是观察到,喷射和滴政权出现在低流率的核心阶段广泛的Ca中间所示图2。喷射政权是0.03 <问核心< 0.2μL /分钟和0.0025 < Ca中间< 0.176。然而,单分散的w / w液滴生成只在有限的政权。首先从喷射过渡到滴政权发生在Ca中间≈0.018问核心= 0.03μL /分钟。在这个政权,剪切力从中间相生成的核心阶段,使液滴生成统一的大小(Sattari et al ., 2021)。问的上限核心和Ca中间对滴一代0.2μL /分钟和0.7,分别。此外,第二从滴过渡到伸长政权被观察到。伸长政权出现在高Q核心(≥0.2μL /分钟)广泛的Ca中间。在这个政权,粘性力的中产阶段的核心阶段表面不足以克服界面张力,由于,两相流相互平行而不会导致液滴生成(Venkateshwarlu et al ., 2021)。因此,低问核心和Ca中间推荐生成w / w液滴在微流控装置上。
3.3的影响操作参数对液滴的生成
各种操作参数的影响阀的压力和流速等的核心和中间阶段系统地探讨了液滴的一代所示图3。在这项研究中,15 wt %敏捷的解决方案的核心阶段,和17 wt %挂钩方案作为一个中间阶段被用来生成w / w液滴在微流控装置上。正如上面所讨论的2.3节中,w / w液滴生成气动阀,因此,气动阀的压力被认为是最重要的关键参数。图3一介绍了光学显微镜(OM)图像捕获flow-focusing结的微流体装置,阀门的压力变化,从0到0.4 MPa典型流量的核心(0.03μL /分钟),中等(0.2μL /分钟)阶段。这是观察到的核心阶段形成一个连续的线程在中间阶段没有形成液滴没有气动阀(0 MPa)。这证实了气动阀在液滴的生成中起着重要的作用。当阀门开启和应用压力增加到0.25 MPa,导致低扰动由于微通道的部分挤压开放(阀切换周期)导致的形成一个喜欢结构或波浪之间的接口两个阶段。然而,w / w飞机没有断成一滴一滴的在这个压力。随着压力增加到0.35 MPa,由于一个完整的挤压和微通道的打开,w / w飞机开始分解为液滴大小一致的61.30±3.51µm flow-focusing结附近。进一步增加到0.4 MPa的压力,单分散液滴的相对规模较小(56.00±2.11µm)形成flow-focusing结。然而,所不同的是不重要的并没有太多不同之处阀压力。进一步提高阀的压力超过0.4 MPa(更具体地说,0.45 MPa)导致脱胶的微流控芯片从载玻片。基于我们的系统调查的影响阀压力滴一代,0.35 MPa的压力被认为是优化阀压力和被用于进一步的实验和调查。
图3。液滴生成快照;的影响不同的操作参数对液滴的生成等;(一)压力阀的持续不断的问核心和问中间分别为0.03和0.2μL /分钟,(B)问核心在不断的问中间0.2μL /分钟和0.35 MPa阀的压力,和(C)问中间在不断的问核心0.03μL /分钟和0.35 MPa的压力阀。
流量是至关重要的因素在微流体系统中影响液滴的大小。不同的Q值的影响核心范围从0.03到0.3μL在滴/分钟长度(大小)检查问中间常数(0.2μL /分钟)中描述图3 b。单分散球形w / w液滴的形成是观察到Q核心= 0.03μL /分钟。在一般情况下,液滴的大小增加时增加了问核心。在目前的研究中,当Q核心= 0.1μL /分钟,水滴挤在液滴的微通道长度的增加可能导致的增量的大小。当问核心增加到0.2μL /分钟,观察更多的挤压增加液滴在微通道的长度可能会提供一个更大的液滴大小。液滴大小的增长发生在有增加惯性和粘滞力的核心阶段,这意味着需要更多的表面张力控制惯性和粘性力分手的过程,可以通过在同一表面张力较大的液滴州(Sattari et al ., 2021)。进一步增加了问核心0.3μL /分钟,喷射现象被观察到。这个验证阀压力高(> 0.35 MPa)需要生成w / w滴flow-focusing结。演示问的影响中间在液滴的一代,我们进行系统的实验通过改变问中间从0.08到0.8在固定问μL /分钟核心0.03μL /分钟。可以看出图3 c液滴的大小随问增加而降低中间。当问中间= 0.08μL /分钟,w / w液滴形成的细长的线远离flow-focusing结由于Rayleigh-Plateau不稳定,表明表面张力不足以飞机分解成水滴flow-focusing结(瑞利et al ., 1879;中间人,1998;元,1968)。的问中间增加到0.2μL /分钟,球形液滴形成与一个相对较小的规模比问的水滴形成中间= 0.08μL /分钟。进一步增加了问中间(0.5和0.8μL /分钟),液滴的大小减少。这是由于这样的事实:越来越多的问中间提高了剪切力核心阶段flow-focusing结和加速的快速分离液滴从核心阶段,因此,它会导致更小的液滴的形成(金正日et al ., 2012;Sontti et al ., 2019)。很明显从图3 c增加剪切力也引起了一个液滴的形状的变化,增加液滴长度证实了剪切力的增加。我们观察到液滴生成频率为0.35 MPa压力阀无论流率约为3.0赫兹。总的来说,液滴的大小可以通过调优通过控制流量的核心和中间阶段。
3.4收集的水凝胶胶囊通过垂直管和解决方法
水凝胶胶囊是编造的通过界面电荷相反SA之间的络合作用和壳聚糖多糖在微流体装置使用0.1 wt % SA包含15 wt %敏捷的解决方案的核心阶段(Q核心= 0.03μL /分钟),解决17 wt %作为中间阶段(Q挂钩中间= 0.8μL /分钟)和壳牌阶段由0.25 wt %壳聚糖在17个wt %挂钩的解决方案(Q壳牌= 1.0μL /分钟)。最终,SA的核心阶段和壳聚糖壳阶段迁移对中间阶段,和络合作用发生通过静电相互作用导致的形成水凝胶胶囊敏捷的解决方案的核心和壳由SA-chitosan络合。得到的水凝胶胶囊收集传统的垂直管方法的聚乙烯管固定在出口端口所示图4一。OM图像显示的多分散的大小从垂直管收集的水凝胶胶囊方法和随后悬浮在PBS介质(图4 b)。的平均大小的水凝胶胶囊PBS介质≈304.47µm大变异系数(CV = 19.12%)可以看到分布曲线(图4 c)。在垂直管的情况下收集方法中,我们面临三个基本问题的收集水凝胶胶囊。首先,我们观察到水凝胶胶囊聚合在出口之前进入聚乙烯管移动时对重力。因此,更多的压力施加在水凝胶胶囊胶囊会导致聚合,因此倾向于合并。其次,当水凝胶胶囊进入传统的聚乙烯管直径更大引起的突然膨胀的流体通道流动流体的流量减少,因此水凝胶之间的分离距离胶囊减少导致水凝胶的聚合和合并胶囊(C。金、公园、金、宋&李,2017)。第三个可能的问题是PDMS芯片之间的润湿特性和纯PDMS板,换句话说,PDMS墙壁导致的疏水性聚合从而导致的合并胶囊(亲水)。合并后的微胶囊收集在PBS中突出显示的黄色虚线所示区域图4 b。
图4。收集的水凝胶胶囊;(两者)垂直管收集方法,(D-F)解决方法集合。(A, D)收集的示意图表示方法,(B, E)相应的光学显微镜图像的水凝胶胶囊在PBS溶液,收集(C、F)大小分布图形显示的平均大小和变异系数(CV)收集到的水凝胶胶囊。
在解决集合方法的情况下,收集的水凝胶胶囊的出口方向向下(重力的方向)为PBS的解决方案在解决图4 d。收集到的水凝胶胶囊的OM形象在PBS溶液观察证实,没有合并,但聚合(图4 e)。聚合的结果是不可避免的压力差之间的内部和外部的微流体装置。聚合似乎并不影响的完整结构的水凝胶胶囊壳保留他们的球形。同时,收集到的水凝胶胶囊的尺寸分布曲线通过沉淀收集方法显示,相对单分散性与267.47µm平均大小和CV 6.11%小于三倍标准差的水凝胶胶囊通过垂直管收集方法(图4 f)。基于上述分析,可以得出结论,解决收集方法有效地收集水凝胶胶囊没有合并的问题。进一步,我们调整大小的水凝胶胶囊通过控制Q核心从0.03到0.2μL /分钟通过保持其他参数如问中间和问壳牌常数。OM图片确认的平均大小的水凝胶胶囊增加增加的问核心(图5一个)。这个结果符合前面的报告按照一般液滴微流控系统由于核心阶段流量之间的关系和液滴大小在一定限制(刘et al ., 2020;王et al ., 2020)。的情节胶囊的大小不同的核心流率的函数显示,平均胶囊大小不同≈260 - 510µm通过简单地改变着问核心从0.03到0.2μL /分钟(图5 b)。
图5。影响的问核心的大小水凝胶胶囊收集收集的解决方法。(一)光学显微镜图像和(B)柱状图大小的水凝胶胶囊作为不同的Q函数核心从0.03到0.2μL /分钟。的问中间和问壳牌在0.8和1.0μL /分钟保持不变,分别。
3.5水凝胶胶囊的确认和封装
定义良好的构图,统一大小,内部结构水凝胶胶囊是最重要的特性,使它们适合封装非生物和生物分子(损害et al ., 2016;Perro et al ., 2022)。确认完好无损的形成水凝胶胶囊的外壳通过界面之间的络合SA和壳聚糖,我们首先合成FITC-chitosan正如2.4节中提到的,并使用它执行水凝胶胶囊的合成过程。此外,胶囊进行了光学显微镜下表现出一个透明的核心与黑暗的边缘比中央部分中可以看到图6。然后证明的荧光图像,FITC-chitosan积累只有边缘的水凝胶胶囊(图6 b)。这证实,没有进一步扩散FITC-chitosan胶囊内发生,因为半透膜的存在形成络合后带负电荷的SA和带正电的FITC-chitosan之间通过静电相互作用的界面。此外,探索水凝胶胶囊的封装能力,我们使用非生物磁性粒子、铁2O3,暂停了他们的核心阶段。组成和流速;0.1 wt %的核心阶段包含15 wt %敏捷的解决方案(Q SA核心= 0.03μL /分钟),解决17 wt %作为中间阶段(Q挂钩中间= 0.8μL /分钟)和0.25 wt %的壳阶段壳聚糖在17 wt %挂钩的解决方案(Q壳牌= 1.0μL /分钟)。这种水凝胶胶囊收集在PBS溶液沉淀收集方法。铁的水凝胶胶囊具有良好的封装能力2O3可以看到粒子,同时保持其结构完整性图6 c。大小分布曲线显示了铁的平均大小2O3封装的水凝胶胶囊是280.20µm和5.39%的简历表明窄粒度分布(图6 d)。根据这个结果,我们发现磁粒子的封装成的核心阶段并不影响一代相对单分散的水凝胶胶囊。
图6。确认(一)亮场图像,(B)水凝胶胶囊的荧光图像确认界面络合SA和FITC-chitosan之间。磁性粒子的封装、铁2O3纳米颗粒,(C)光学显微镜图像的水凝胶胶囊封装菲2O3纳米颗粒,(D)铁的尺寸分布的柱状图2O3纳米颗粒封装水凝胶胶囊小变化。
4结论
总之,我们设计了一个all-water-based一步法制造微流体设备平台的水凝胶胶囊使磁性粒子的封装在一个连续过程中通过引入气动阀促进液滴的一代。w / w滴一代可以控制通过调整阀的压力和流速的核心和中间阶段。转换的w / w滴到水凝胶胶囊依赖于界面电荷相反PEs之间的络合,SA(聚阴离子)和壳聚糖(聚阳离子)。这个微流体平台进一步修改后结合沉淀收集方法最小化之间的聚结水凝胶胶囊促进他们安全的集合。捏造水凝胶胶囊显示定义的属性的一致性,生物相容性和稳定性,这是有益的生物医学应用程序让他们强有力的候选人。此外,我们确认我们水凝胶胶囊的功能封装的磁性粒子,因此我们可以设想,这些水凝胶胶囊可以用于细胞封装和瀑样的结构,通常被认为是我们的未来的工作。斯坦利,1998,张Shum et al ., 2012。
数据可用性声明
原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。
作者的贡献
SD:数据管理、形式分析、调查方法、原创作品。JK:正式的分析,调查。RG:正式的分析,调查。C-SL:概念化、监督、验证Writing-review和编辑、资金收购。
资金
这项工作得到了韩国国家研究基金会(NRF)授予由韩国政府(科技部ICT)(2021号r1a2c3004936),韩国医疗设备由韩国政府发展基金拨款(科学与信息通讯技术、贸易、工业和能源、卫生部和福利、食品和药品安全)(没有。KMDF_PR_20200901_0073, 9991006746)和国家研发项目通过NRF由科技部和ICT(2020号m3f6a1110246)。
的利益冲突
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关键词:混合胶囊、水两相系统、微流体系统,界面络合,静电相互作用
引用:Daradmare年代,Kim JS Ganguly李R和c(2022)一步合成芯片上微流体的混合胶囊使用水相系统。前面。Sens。3:1040542。doi: 10.3389 / fsens.2022.1040542
收到:09年9月2022;接受:2022年11月07;
发表:2022年11月18日。
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