Forscher verwenden leistungsstarke Mikrokanal-Tröpfchenerzeugungsgeräte, um einheitliche polymere Mikrokugelmaterialien herzustellen, die einen hohen wirtschaftlichen Wert haben. Diese Mikrokügelchen sind kugelförmige Mikropartikel, die in vielen Anwendungen verwendet werden können, einschließlich medizinischer Geräte, Biotechnologie, Bauindustrie, Veterinärmedizin und Umweltstudien.
Ein Forscherteam hat ein neuartiges Verfahren zum Bau von Mikrokanal-Tröpfchenerzeugungsgeräten mit hohem Durchsatz entwickelt, das die Anzahl der integrierten Tröpfchengeneratoren im Inneren erheblich reduziert und durch kommerzielle kostengünstige 3D-Druckherstellung leicht realisiert werden kann.
Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Partikuologie am 22. Oktober.
Das Team baute mithilfe eines kostengünstigen 3D-Druckverfahrens ein Prototypgerät mit nur vier parallelen Tröpfchengeneratoren. Das Prototypgerät arbeitete mit der gleichen Kapazität wie ein herkömmliches Mikrokanalgerät mit Hunderten von parallelen Tröpfchengeneratoren. Neben der Entwicklung der fortschrittlichen Mikrokanal-Tröpfchenerzeugungsausrüstung entwickelte das Team auch ein zweistufiges Emulsionstemplat-Polymerisationsverfahren, das die Tröpfchen in feste Partikel umwandelt.
Das neu entwickelte Gerät des Teams arbeitet wesentlich effizienter als herkömmliche mikrofluidische Geräte. „Wir fanden heraus, dass der kapillar zusammengesetzte schrittweise Mikrokanal aufgrund seiner Robustheit gegenüber Schwankungen der Durchflussrate der kontinuierlichen Phase und des Herstellungsfehlers seiner Mikrokanalstruktur etwas Besonderes war. Wenn er im Jetting-Flow-Zustand betrieben wurde, erzeugte er Tröpfchen mit einer Größe von zehn Mikrometern im Durchmesser mit sehr hoher Frequenz“, sagte Kai Wang, außerordentlicher Professor an der Tsinghua-Universität.
Die vom Team hergestellte kapillarmontierte schrittweise Mikrokanal-Tröpfchenerzeugungsausrüstung mit vier Kanälen kann eine Tröpfchenerzeugungsfrequenz von 2,8 × 104 Hz von zehn Mikrometern Tröpfchen beitragen. Um diese Menge mit der herkömmlichen parallel skalierten Mikrokanalvorrichtung zu erreichen, die mit Tropfströmung arbeitet, wären Hunderte von Mikrokanal-Tröpfchengeneratoren erforderlich gewesen.
„Die wichtigste wissenschaftliche Entdeckung unserer Studie ist das Verständnis der Robustheit von Durchflussraten und Herstellungsfehlern eines kapillarmontierten schrittweisen Mikrokanals in Strahlströmung, was die Schwierigkeiten bei der Herstellung und dem Betrieb dieser Mikrokanalgeräte weitgehend reduziert“, sagte Guangsheng Luo , Professor an der Tsinghua-Universität.
Die herkömmlichen Verfahren zur Herstellung gleichförmiger Tröpfchen oder Teilchen mit Mikrokanalvorrichtungen erfordern eine rigorose und teure Herstellungstechnologie, wie z. B. die Soft-Lithographie oder das Ionenätzverfahren. Die begrenzte Ausbeute an Partikeln aus einem einzelnen mikrofluidischen Tröpfchengenerator macht es schwierig, den Prozess auf eine schnellere, erhöhte Produktion zu skalieren. Diese Herausforderung hat die kontinuierliche Forschung vorangetrieben, um effizientere mikrofluidische Tröpfchenerzeugungsmethoden zu entwickeln.
Die Verwendung der 3D-Drucktechnologie zur Herstellung der Tröpfchenerzeugungsvorrichtung bot dem Team eine bequeme Möglichkeit, komplexe Mikrokanalstrukturen herzustellen, ohne dass komplizierte Schichtversiegelungsverfahren erforderlich sind. Sie verwendeten ihr Gerät, um Tröpfchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 32–52 mm und Variationskoeffizienten von 4,5 bis 8,4 Prozent Durchmesser herzustellen. Dann verwandelten sie die Tröpfchen durch ihre zweistufige Polymerisation in der mikrofluidischen Plattform in feste Partikel.
Diese Mikrokugelmaterialien haben einen erheblichen wirtschaftlichen Wert. Ihre Anwendungen sind vielfältig, etwa als Abstandshalter von Flüssigkristallanzeigen oder als Standardpartikel zur Kalibrierung von Partikelgrößenanalysatoren. Mikrokügelchen-Partikel mit guter Dispergierbarkeit können im medizinischen Bereich für Mikroverkapselung und Arzneimittelabgabeträger verwendet werden. Mikrokugeln bestehen aus verschiedenen Arten von Materialien. Das Polymerteilchen ist eine wichtige Art, die bequem aus Monomerpolymerisations- und Vernetzungstechnologien hergestellt werden kann.
Mit Blick auf die zukünftige Forschung beabsichtigt das Team, das kapillarmontierte schrittweise Mikrokanalgerät mit mehr Tröpfchengeneratoren und einer präziser gesteuerten Methode auf der Grundlage von Deep Learning der Tröpfchenbilderkennung weiter zu vergrößern. „Es ist auch wichtig, die Industrialisierung der Partikelvorbereitungstechnologie voranzutreiben, um den internationalen Markt für Materialien mit einheitlichen Mikrokügelchen zu bedienen“, sagte Kai Wang.
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Shenglong Zhang et al, Hochdurchsatzerzeugung einheitlicher Tröpfchen aus parallelen Mikrokanal-Tröpfchengeneratoren und die Herstellung von Polystyrol-Mikrokugelmaterial, Partikuologie (2022). DOI: 10.1016/j.partic.2022.10.010