Формирование стабильных сферических эмульсий методом капельной микрофлюидики

В начале XXI столетия возникли новые задачи по разработке полимерных дисперсий, отвечающих специфическим требованиям не только к диаметру частиц и их распределению по размерам, но также к строению и свойствам их поверхностного слоя, в том числе к его толщине, функциональности, степени гидрофобности и стабильности поверхностной структуры. Эти требования были сформулированы в связи с появлением новых возможностей использования полимерных дисперсий в биотехнологии для создания диагностических иммунореагентов путем связывания биологически активных веществ с микросферами и проведения биоспецифических процессов в их поверхностном слое или внутри таких микросфер. Синтез полимерных микросфер диаметром от 15 до 800 мкм с унимодальным распределением частиц по размерам и заданной структурой поверхностного слоя позволит управлять процессом загрузки биологически активных веществ. Существующие методы синтеза полимерных микросфер, такие как дисперсионная и суспензионная полимеризации, не позволяют в процессе одного синтеза задавать и контролировать свойства полимерных микросфер. Кроме того, в процессе суспензионной полимеризации в реакторах с традиционными перемешивающими устройствами функциональные свойства поверхностного слоя частиц существенным образом зависят от гидродинамической обстановки в реакторе, характеризующейся высокой неравномерностью распределения диссипируемой энергии турбулентности. В связи с этим синтез микросфер с применением микрофлюидных устройств позволит получать микросферы с уникальными воспроизводимыми свойствами. Данный метод позволяет контролировать в процессе синтеза как диаметр капель эмульсии и микросфер, так и их агрегативные свойства, что дает возможность задавать функциональные и структурные свойства поверхностного слоя [1–7]. Одна из наиболее привлекательных особенностей применения микрофлюидных устройств заключается в том, что они обеспечивают получение эмульсии двойного, тройного и даже более высокого порядка, в которых размер и количество капсулированных капель можно задавать с беспрецедентной точностью. В зарубежной литературе представлено огромное количество работ, касающихся возможностей капельной микрофлюидики для практических целей, однако потенциал исследований в данной теме до сих пор не исчерпан. Развитие подходов проточного анализа привело к разработке принципов микрофлюидики в капле. При этом большинство исследователей касаются тем, связанных с созданием микрофлюидных приборов для химического и биохимического синтеза веществ, а также для молекулярной диагностики методом полимеразной цепной реакции. Работ, посвященных исследованию в области синтеза полимерных микросфер с применением микрофлюидной технологии, существенно меньше.

Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в ряде работ по получению эмульсий с использованием микрофлюидных устройств, по срав- нению с традиционными аппаратами, в которых эмульсия генерируется в объеме, стоит отметить, что декларируемая в некоторых работах возможность получения устойчивых микроразмерных эмульсий с низким коэффициентом полидисперсности на основе гидрофобных мономеров (стирол, метилметакрилат и др.), пока что не нашла экспериментального подтверждения.

Проведенный нами анализ полученных в работе [2] микрофотографий показывает, что для соосного прямоточного диспергатора режим отрыва одиночных капель возможен только при очень низких расходах фаз. При увеличении расходов фаз выше некоторого критического значения механизмом диспергирования является вытягивание струи из носика диспергатора, образование капиллярных волн на ее поверхности с образованием "четочной" структуры и последующий распад на капли двух размеров — сравнительно крупные и сателлитные, образуемые в результате разрыва шейки. Этот механизм ведет к образованию эмульсии с бимодальным распределением размеров капель с довольно высоким коэффициентом вариации. Кроме того, размеры капель эмульсии для таких диспергаторов существенно зависят от ряда условий: скоростей фаз, их физикохимических свойств, размеров сопла [8].

В зависимости от различий физических механизмов капли эмульсии в микрофлюидных устройствах могут быть сформированы тремя путями: 1) распад в соосных потоках (co-flowing streams); 2) распад при удлинении деформированных потоков — формирование в устройствах с фокусировкой потока (flow focusing); 3) распад в пересекающихся потоках — формирование в Т-образном устройстве (T-injector). Формирование капли начинается в момент, когда дисперсная фаза проникает в канал, где течет непрерывная фаза. На границе раздела жидких сред действуют силы, влияющие на формирование капель: 1) вязкая сила, обусловленная сдвиговыми напряжениями; 2) сила поверхностного натяжения; 3) сила сопротивления движению дисперсной фазы со стороны потока непрерывной фазы жидкости, которая внедряется в этот поток (сила сжатия); 4) сила инерции дисперсной фазы (значима при сравнительно больших расходах). Баланс этих сил определяет процессы при взаимодействии двух потоков.

Следует отметить, что с целью получения полимерных микросфер в литературе описаны мик-рофлюидные устройства в основном либо с использованием стеклянных чипов, либо чипов из полидиметилсилоксана (ПДМС). Такие устройства применяются для получения полимерных микросфер с гидрофильной структурой поверхностного слоя. Основными мономерами при этом являются n-изопропилакриламид, или лактид [9–

11]. Одним из неотъемлемых преимуществ стеклянных капиллярных микрофлюидных устройств является то, что их смачиваемость можно легко контролировать. Например, обработка стекла октадецилтриметоксисиланом сделает ее поверхность гидрофобной, тогда как обработка 2-[метокси(полиэтиленокси)пропил]триметоксиси-ланом гидрофилизирует поверхность. Микрофлю-идные устройства также могут быть созданы на основе чипа из ПДМС с помощью мягкой литографии. Наиболее привлекательной особенностью этого метода является потенциальная простота массового производства этих устройств. Кроме того, литография позволяет изготавливать каналы очень сложной формы. Например, капли могут быть разделены контролируемым образом для образования более мелких капель с монодисперсным или бидисперсным распределением по размеру. Альтернативно, капли могут быть выборочно слиты путем электрокоалесценции с образованием больших капель. Это особенно актуально для многих химических и биохимических применений, таких как анализы ферментов, анализы ингибиторов ферментов и т.д. Несмотря на эти преимущества, чип на основе ПДМС несовместим с большинством обычных органических растворителей, что ограничивает использование этих устройств для синтеза микросфер на основе гидрофобных мономеров. В настоящее время прилагаются усилия для покрытия каналов ПДМС относительно инертными материалами. Однако эти технологии все еще находятся в зачаточном состоянии.

Синтез полимерных микросфер с более сложной морфологией (частиц Януса, ядро/оболочка, полых, многокомпонентных и т.д.), а также с использованием мономеров различной гидрофобности (стирол, метилметакрилат, бутилметакрилат и др.) с применением микрофлюидных устройств предполагает не только понимание процесса стабилизации двухфазных (или многофазных) эмульсий, но также и разработку более сложных капиллярных диспергаторов и их последовательностей в таких аппаратах [12]. Множественные эмульсии представляют собой иерархические системы, в которых дисперсные капли содержат внутри более мелкие капли. Изготовление таких эмульсий в устройстве на основе чипа из ПДМС представляет собой сложную и нерешенную задачу, поскольку невозможно контролировать электроосмотический поток, а значит, в таких чипах очень сложно предотвратить взаимодействие гидрофобных молекул со стенками каналов микрочипа. Напротив, стеклянные капиллярные микрофлюидные устройства могут быть более легко адаптированы для изготовления многокомпонентных эмульсий, однако процесс их изготовления трудоемок.

Научные принципы синтеза сложных много- компонентных полимерных микросфер с применением микрофлюидных устройств находятся еще в стадии разработки. Так, опубликованы работы по синтезу полимерных частиц Януса на основе сополимеров полиакриламида и полиакриловой кислоты [13], полиэтилендиакрилата [14, 15].

Отсутствие научных основ формирования стабильных многокомпонентных эмульсий с использованием микрофлюидных устройств не позволяет спрогнозировать и однозначно ответить на вопросы, связанные с влиянием природы эмульгатора, природы мономера (или смеси мономеров), температуры, состава дисперсионной среды на диаметр, функциональные и структурные характеристики полимерных эмульсий и микросфер на их основе. Вместе с тем существуют серьезные трудности, препятствующие пониманию гидродинамических и физико-химических явлений в указанных мик-рофлюидных устройствах.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Создание новых чипов для конструирования микрофлюидных устройств и разработка принципов формирования стабильных эмульсий "масло в воде" в настоящее время является актуальной задачей. В связи с этим целью данной работы являлась разработка и исследование микродиспергатора на основе латунного чипа для генерирования стабильных сферических эмульсий с заданным размером капель, обладающих узким распределением по размерам. Выбор латунного чипа был обусловлен тем, что его применение позволяет исследовать процесс формирования стабильных эмульсий "масло в воде".

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Додецилсульфат натрия марки х.ч. (ДСН, "Век-тон", Россия), полиэтиленгликоль с молекулярной массой 20000 и 40000 (ПЭГ, "Вектон", Россия), циклогексан марки ч.д.а. ("Вектон", Россия), раствор аммиака и CuSO 4 марки х.ч. ("Вектон", Россия) использовались без дополнительной очистки.

Микрофлюидное устройство было спроектировано на каф. ОХБА СПбГТИ(ТУ) на основе чипа из латуни марки ЛС59-1 с выполненными на нем каналами методом лазерной абляции. В Центре лазерных технологий (Санкт-Петербург, Россия) лазерную абляцию проводили на установке Минимаркер 20 А4 с иттербиевым импульсным волоконным лазером с длиной волны 1.064 мкм и мощностью 20 Вт. Изготовление осуществляли в режимах лазерной гравировки (скорость перемещения луча V = 300 мм/с, частота следования импульсов f = 30 кГц, мощность P = 18 Вт) и лазерной полировки ( V = 1000 мм/с, f = 100 кГц, P = = 15 Вт). Были изготовлены чипы с разной геометрией каналов — угол 180° и угол 120° . С целью получения воспроизводимых результатов в работе было использовано по 5 чипов каждой геометрии. Микрофлюидное устройство было оснащено шприцевыми насосами NE1000 (New Era Instruments, США), шприцами для шприцевых насосов из стекла с креплением luer lock. Определение угла смачивания чипа из латуни проводили на приборе DSA 30 (KRUSS, Германия). На рис. 1 представлена схема данного микрофлюидного устройства, а также схема измерения угла смачивания.

Гидрофилизацию чипа на основе латуни осуществляли путем нанесения насыщенных растворов аммиака и медного купороса на каналы, далее

Рис. 1. Схема прямоточного микрофлюидного устройства для генерирования капель эмульсий циклогексан/вода (а) и определение угла смачивания латунного чипа (б)

б

раствор выдерживали 2 мин, потом каналы продували и чип нагревали до 100 оС. После чего чип промывали дистиллированной водой. Гидрофили-зированный латунный чип закрывался стеклянной пластиной с использованием безосновного акрилового клея 3М. Фотографирование капель эмульсии производили с помощью цифрового фотоаппарата Canon 20D с макрообъективом с высокой четкостью изображения Canon 60 2.8 EF-S с использованием фотовспышки Canon 580 Speedlight EX.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исходные свойства латунного чипа

Метод формирования каналов в чипе микро-флюидного устройства определяет поверхностные свойства стенок канала, а следовательно, оказывает существенное влияние на форму и размер образующихся капель эмульсии. Размер капель определяется не только геометрией устройства, но и вязкостью фаз, гидрофобностью или гидрофильностью стенок канала, расходами несмешиваю-щихся фаз и межфазным натяжением. Каналы в чипах на основе латуни были получены методом лазерной абляции. Измерения угла смачивания такого чипа показали, что его поверхность гидро-фобна — угол смачивания 106°. Однако после обработки канала раствором медного купороса происходила гидрофилизация поверхности стенок канала, в результате значение угла смачивания снижалось до 57°. Известно, что чем меньше поверхностное натяжение, тем легче генерировать мелкие капли. Кроме того, размер и форма капель эмульсии зависят от природы и концентрации поверхностно активных веществ и их способности стабилизировать межфазные слои на границе раздела циклогексан/вода. При введении в эмульсии поверхностно-активных веществ возникают следующие факторы устойчивости: электростатический, адсорбционно-сольватный и структурномеханический.

Состав дисперсионной среды

В работе прослежено влияние состава дисперсионной среды (природы и концентрации поверхностно активных соединений — ДСН, ПЭГ 20 и ПЭГ 40) на форму и стабильность образующихся капель эмульсии масло/вода (циклогексана в воде). В зависимости от концентрации и температуры поверхностно-активные вещества (ПАВ) в системе масло/вода могут формировать различные фазовые состояния (жидкокристаллическое, мицеллярное, стабильные макроэмульсии, изотропные нестабильные фазы и др.).

Исследования с ДСН 5 ККМ

Показано, что при концентрации поверхностноактивного соединения, додецилсульфата натрия, равной 5 ККМ, образуются изометрические капли эмульсии неправильной формы (рис. 2–4). При постоянстве расхода водной дисперсионной среды

а

б

г

Рис. 2. Оптическая микроскопия капель эмульсии циклогексана в воде.

В качестве стабилизатора использован ионогенный ДСН (концентрация 5 ККМ). Расход водной дисперсионной фазы 10 мл/ч; расход дисперсной фазы (циклогексана): 0.2 мл/ч (а), 0.4 мл/ч (б), 0.6 мл/ч (в), 0.8 мл/ч (г). Ориентация каналов в микрочипе 120°

Рис. 3. Оптическая микроскопия капель эмульсии циклогексана в воде (те же условия, что на рис. 2).

Расход водной дисперсионной фазы 15 мл/ч, расход дисперсной фазы (циклогексана) — 0.1 мл/ч

скоростей потока дисперсионной среды и дисперсной фазы формируются изометрические микрокапсулы неправильной сферической формы (рис. 5, а–г). Увеличение концентрации ДСН до 50 ККМ (0.4 моль/л) и снижение расхода водной дисперсионной среды до 4 мл/ч и расхода дисперсной фазы до 0.1 мл/ч позволило сформировать

а

--------------Г--------------------------------1--------------------------------1--------------------------------Г--------------------------------1------------ 0.2 ОД 0.6       0.8       1.0

Скорость расхода циклогексана, мл/ч

Рис. 4. Зависимость формы капли эмульсии циклогексана от скорости расхода циклогексана (по результатам оптической микроскопии капель эмульсии циклогексана в воде рис. 2, 3).

Концентрация ДСН — 5 ККМ

б

в 10 мл/ч увеличение скорости потока дисперсной фазы (циклогексана) от 0.2 до 0.8 мл/ч не позволило получить стабильные капли эмульсии сферической формы (рис. 2, а–г). При этом с возрастанием расхода дисперсной фазы закономерно увеличивалось отклонение формы капли эмульсии от сферической. Следует отметить, что при расходах водной дисперсионной среды 15 мл/ч и дисперсной среды 0.1 мл/ч наблюдали образование капель эмульсии, имеющих форму, близкую к сферической (рис. 3), однако такие капли имели размер порядка ширины канала.

Исследования с ДСН 25–50 ККМ

Возрастание содержания ДСН в дисперсионной среде до 25 и 50 ККМ, а также варьирование соотношения расходов дисперсионной и дисперсной фаз позволило проследить влияние условий работы микрофлюидного чипа на размер и форму образующихся капель эмульсии. Выявлено, что концентрации ДСН, равной как 5 ККМ, так и 25 ККМ (0.2 моль/л) недостаточно для формирования стабильной структуры поверхностного слоя; структурно-механическая стабилизация недостаточна для того, чтобы сохранить сферическую форму капель. При этом вне зависимости от соотношения

в

Рис. 5. Оптическая микроскопия капель эмульсии циклогексана в воде.

В качестве стабилизатора использован ионогенный ДСН концентрацией 25 ККМ. Расход водной дисперсионной фазы: 5 мл/ч (а, б), 10 мл/ч (в, г). Расход дисперсной фазы (циклогексана): 0.2 мл/ч (а, в) и 0.6 мл/ч (б, г). Ориентация каналов в микрочипе 120°

Рис. 6. Оптическая микроскопия капель эмульсии циклогексана в воде.

В качестве стабилизатора использован ионогенный ДСН концентрацией 50 ККМ. Расход водной дисперсионной фазы 4 мл/ч. Расход дисперсной фазы (циклогексана) — 0.1 мл/ч. Ориентация каналов в микрочипе 180° стабильные капли эмульсии сферической формы (рис. 6). При этом форма и размер капель эмульсии остаются постоянными по всей длине канала. В выбранных условиях (50 ККМ ДСН) стабилизация поверхностного слоя капель эмульсии зависит от концентрации углеводородных цепей в поверхностном слое. При концентрации ДСН, равной 50 ККМ, плотность углеводородных цепей молекул ПАВ в поверхностном слое эмульсий сущест- венно возрастает, что приводит к возрастанию структурно-механической стабилизации.

Исследования с ПЭГ

Замена короткоцепочечного ионогенного поверхностно-активного соединения на неионогенный полимерный стабилизатор — полиэтиленгликоль (с молекулярной массой 20000 и 40 000) при концентрации 1·102 и 5·102 г/л позволила проследить влияние состава дисперсионной среды, а также соотношения расходов дисперсионной и дисперсной фаз на размер и форму образующихся капель эмульсии. В случае использования полимерного неионогенного стабилизатора — ПЭГ — область фазового состояния, характерная для формирования стабильной макроэмульсии, существенно уменьшается. Найдено, что в случае использования ПЭГ с молекулярной массой 20000 варьирование соотношения потоков дисперсионной и дисперсной фаз не позволяет сформировать стабильные сферические капли эмульсии (рис. 7). Однако использование полимерного стабилизатора с большей молекулярной массой (40000) способствует формированию стабильных сферических капель эмульсии только при концентрации ПЭГ 1·102 г/л и постоянных расходах водной дисперсионной среды, равном 5 мл/ч, дисперсной фазы (циклогексана) 0.6 мл/ч. В данных условиях были по-

Рис. 7. Оптическая микроскопия капель эмульсии циклогексана в воде.

В качестве стабилизатора — полимерный стабилизатор ПЭГ (молекулярная масса 20000) с концентрацией 1·102 г/л. Расход водной дисперсионной фазы: 5 мл/ч (а, б), 10 мл/ч (в, г). Расход дисперсной фазы (циклогексана): 0.2 мл/ч (а, в) и 0.6 мл/ч (б, г). Ориентация каналов в микрочипе 120°

б

г

Рис. 8. Оптическая микроскопия капель эмульсии циклогексана в воде.

В качестве стабилизатора полимерный стабилизатор ПЭГ (молекулярная масса 40000) с концентрацией 1·102 г/л (а, б). Расход водной дисперсионной фазы: 5 мл/ч (а) и 10 мл/ч (б). Расход дисперсной фазы (циклогексана) 0.4 мл/ч (а) и 0.6 мл/ч (б). Ориентация каналов в микрочипе 120°

б

L

лучены стабильные капли эмульсии циклогексана в воде размером 250 мкм со средним отклонением диаметра капли эмульсии по размерам от 8 до 10 % (рис. 8). Увеличение содержания ПЭГ (с молекулярной массой 40000) с 1·102 до 5·102 г/л приводит к формированию только капель эмульсии вытянутой формы, как и в случае ПЭГ с молекулярной массой 20000.

Таким образом, показана принципиальная возможность формирования стабильных капель эмульсии циклогексан/вода с использованием полимерного стабилизатора ПЭГ с молекулярной массой 40 000.

ВЫВОДЫ

Полученные экспериментальные результаты открывают возможность использования латунного чипа в микрофлюидном устройстве для формирования стабильных капель эмульсии гидрофобных мономеров (стирол, метилметакрилат) и последующего формирования на их основе монодис-персных полимерных микросфер диаметром от 200 до 300 мкм.

В работе продемонстрирована возможность создания микрофлюидного устройства на основе латунного чипа с разной геометрией каналов (угол 180о и 120о). Рассмотрены закономерности работы микрофлюидного устройства на основе латунного чипа, и выявлены условия, позволяющие получать стабильные сферические капли эмульсии: скорости потоков дисперсной фазы (циклогексана) и дисперсионной фазы (воды), концентрации и природа поверхностно-активных соединений (додецилсульфата натрия, полиэтиленгликоля). Показано, что только при использовании ПАВ: ДСН с концентрацией 50 ККМ и ПЭГ (с молекулярной массой 40000) с концентрацией 1·102 г/л образуются стабильные сферические капли эмульсии циклогексан/вода размером 250 мкм.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-03-00206-а.