Les chercheurs utilisent un puissant équipement de génération de gouttelettes à microcanaux pour créer des matériaux de microsphères polymères uniformes, qui ont des valeurs économiques élevées. Ces microsphères sont des microparticules sphériques qui peuvent être utilisées dans de nombreuses applications, notamment les dispositifs médicaux, la biotechnologie, l’industrie de la construction, la science vétérinaire et les études environnementales.
Une équipe de chercheurs a développé une nouvelle méthode pour construire un équipement de génération de gouttelettes à microcanaux à haut débit, qui réduit considérablement le nombre de générateurs de gouttelettes intégrés à l’intérieur, et peut être facilement réalisée via la fabrication commerciale d’impression 3D à faible coût.
Leurs conclusions sont publiées dans la revue Particulologie le 22 octobre.
L’équipe a construit un prototype d’appareil avec seulement quatre générateurs de gouttelettes parallèles en utilisant une méthode d’impression 3D à faible coût. Le dispositif prototype fonctionnait avec la même capacité qu’un dispositif à microcanaux conventionnel contenant des centaines de générateurs de gouttelettes parallèles. En plus de développer l’équipement avancé de génération de gouttelettes à microcanaux, l’équipe a également développé une procédure de polymérisation de matrice d’émulsion en deux étapes qui transforme les gouttelettes en particules solides.
Le dispositif nouvellement développé par l’équipe fonctionne beaucoup plus efficacement que les dispositifs microfluidiques conventionnels. « Nous avons constaté que le microcanal pas à pas assemblé par capillaire était spécial, en raison de sa robustesse pour la variation de débit de la phase continue et de l’erreur de fabrication de sa structure de microcanal. Lorsqu’il fonctionnait dans la condition d’écoulement par jet, il générait des gouttelettes de dix microns. de diamètre avec une fréquence très élevée », a déclaré Kai Wang, professeur agrégé à l’Université de Tsinghua.
L’équipement de génération de gouttelettes par microcanaux à assemblage capillaire à quatre canaux que l’équipe a fabriqué peut contribuer à une fréquence de génération de gouttelettes de 2,8 × 104 Hz de dix microns de gouttelettes. Pour atteindre cette quantité avec le dispositif conventionnel à microcanaux à échelle parallèle fonctionnant avec un flux goutte à goutte, il aurait fallu des centaines de générateurs de gouttelettes à microcanaux.
« La principale découverte scientifique de notre étude est la compréhension du débit et de la robustesse aux erreurs de fabrication d’un micro-canal pas à pas assemblé par capillaire dans un flux de jet, ce qui réduit considérablement les difficultés de fabrication et de fonctionnement de ces dispositifs à micro-canaux », a déclaré Guangsheng Luo. , professeur à l’Université Tsinghua.
Les procédés conventionnels de fabrication de gouttelettes ou de particules uniformes avec des dispositifs à microcanaux nécessitent une technologie de fabrication rigoureuse et coûteuse, telle que la lithographie douce ou le processus de gravure ionique. Le rendement limité de particules à partir d’un seul générateur de gouttelettes microfluidiques rend difficile la mise à l’échelle du processus pour une production plus rapide et accrue. Ce défi a poussé la recherche continue à développer des méthodes de génération de gouttelettes microfluidiques plus efficaces.
L’utilisation de la technologie d’impression 3D pour fabriquer le dispositif de génération de gouttelettes a fourni à l’équipe un moyen pratique de créer des structures de microcanaux complexes sans les exigences de procédures compliquées de scellement des couches. Ils ont utilisé leur appareil pour préparer des gouttelettes de diamètre moyen de 32 à 52 mm avec des coefficients de variation de diamètre de 4,5 à 8,4 %. Ensuite, ils ont transformé les gouttelettes en particules solides via leur polymérisation en deux étapes dans la plateforme microfluidique.
Ces matériaux de microsphères ont une valeur économique significative. Leurs applications sont très variées, comme les espaceurs des écrans à cristaux liquides ou les particules standards pour l’étalonnage des analyseurs granulométriques. Des particules de microsphères avec une bonne dispersibilité peuvent être utilisées dans le domaine médical pour la microencapsulation et les vecteurs d’administration de médicaments. Les microsphères sont constituées de différents types de matériaux. La particule de polymère est une variété importante qui peut être commodément préparée à partir des technologies de polymérisation et de réticulation des monomères.
Dans la perspective de futures recherches, l’équipe vise à développer davantage le dispositif à microcanaux par étapes à assemblage capillaire avec davantage de générateurs de gouttelettes et une méthode contrôlée plus précisément, basée sur un apprentissage approfondi de la reconnaissance d’images de gouttelettes. « Il est également important de promouvoir l’industrialisation de la technologie de préparation des particules pour servir le marché international des matériaux de microsphères uniformes », a déclaré Kai Wang.
Plus d’information:
Shenglong Zhang et al, Génération à haut débit de gouttelettes uniformes à partir de générateurs de gouttelettes à microcanaux parallèles et préparation d’un matériau de microsphères de polystyrène, Particulologie (2022). DOI : 10.1016/j.partic.2022.10.010