Platforms op basis van microfabricage en microfluïdica zijn met succes ingezet in diverse toepassingen, zoals het ontdekken van geneesmiddelen, polymerasekettingreactie (PCR), single-cell -analyse of de kristallisatie van eiwitten, om er maar een paar te noemen. Voor al deze toepassingen lijken het produceren van druppels met gecontroleerde afmetingen en gecontroleerde vormingssnelheden sleutelfactoren te zijn om interpreteerbare, betrouwbare en robuuste resultaten te verkrijgen. De druppelgrootte kan immers door vele factoren worden beïnvloed, zoals de grensvlakspanning of de kanaalafmetingen.
Tegenwoordig is er een breed scala aan geometrieën ontwikkeld waarmee druppels in passieve of actieve modus kunnen worden gegenereerd. In dit overzicht zullen we ons richten op de meest gangbare ontwerpen voor het genereren van druppels.
Passieve en actieve modus
Passieve modus
Microfluïdische methoden voor het vormen van druppels kunnen zowel passief als actief zijn. Bij passieve methoden wordt de microfluïdische tweefasestroom geregeld door spuitpompen (die een constante stroomsnelheid leveren) of drukregelaars, zonder dat daarvoor extra energie nodig is. Tijdens de druppelvorming wordt een deel van de energie die door de spuitpompen of drukregelaars wordt toegevoerd, omgezet in grensvlakenergie, wat de destabilisatie van het vloeistof-vloeistofgrensvlak bevordert, waardoor afzonderlijke druppels loskomen van de gedispergeerde fase [Seemann R. et al. 2012 Rep Prog Phys.]. In de praktijk wordt de te dispergeren vloeistoffase door een drukgestuurde stroming in een microkanaal geleid, waarbij het volumedebiet of de uitgeoefende druk noodzakelijkerwijs wordt geregeld. Een tweede, niet-mengbare vloeistof wordt via een onafhankelijk geregelde stroming in een afzonderlijk microkanaal geleid. De twee stromen komen samen bij de vertakking. De geometrie van de vertakking en de volumedebieten van de twee vloeistoffen bepalen het stromingsveld, dat het grensvlak vervormt [Christopher GF en Anna SL. 2007 J Phys Appl Phys].
Actieve modus
In de actieve modus is het mogelijk om de druppelvorming te beïnvloeden door middel van extra energie-inbreng via actieve regelingen, waaronder externe krachten zoals elektrische, magnetische of centrifugale velden en interne krachten zoals viskeuze en capillaire krachten. Om precies te zijn: de energie-onbalans beïnvloedt de aard van het krachtenevenwicht op het grensvlak, wat leidt tot druppelvorming.
Het actief genereren van druppeltjes kan worden veroorzaakt door twee soorten krachten: de wijziging van intrinsieke krachten of het uitoefenen van extra krachten. Extra krachten worden benut door het aanleggen van externe elektrische, magnetische en centrifugale velden, terwijl de intrinsieke traagheids-, viscositeits- en capillaire krachten kunnen worden gewijzigd door de dynamische snelheid en de materiaaleigenschappen te manipuleren, waaronder viscositeit, interfaciale spanning, bevochtigbaarheid van het kanaal en vloeistofdichtheid [Chong ZZ et al. 2016 Lab Chip.].
Ontwerpen voor chips voor het genereren van druppels
Kruisstroom met T-splitsing
Er is sprake van dwarsstroming wanneer vloeistoffen uit de gedispergeerde en de continue fase elkaar ontmoeten onder een hoek θ tussen 0 en 180° (zie figuur 1). Over het algemeen wordt de dwarsstroomstructuur geassocieerd met een T-splitsing. De vloeistoffen uit de gedispergeerde en de continue fase worden dus loodrecht op elkaar toegevoerd.
Er zijn drie regimes voor het genereren van microfluïdische druppels met een T-splitsing: het druppelregime, het knijpregime en het straalregime (zie figuur 2). In principe zijn druppels die in de druppelmodus worden gegenereerd kleiner dan de kanaaldimensie en zeer monodispers. Bij het knijpregime zijn de druppels groter dan het kanaal en monodispers. Ten slotte is de druppelvorming bij de spuitmodus polydispers.
Het eerste voordeel van de dwarsstroming is het gemak waarmee druppels kunnen worden gevormd en de uniformiteit van de resulterende druppels. Binnen een breed bereik van stroomsnelheden is het inderdaad mogelijk om een regelmatige en periodieke druppelvorming te verkrijgen wanneer één enkel T-vormig kanaal wordt gebruikt. Uit sommige studies [Garstecki P et al. 2005 Nature Phys ; Barbier et al. 2006 Phys Rev.] blijkt echter dat druppels niet noodzakelijkerwijs regelmatig zijn wanneer meerdere druppelgeneratoren worden gekoppeld aan één set spuitpompen; dit kan een kritiek probleem vormen in het geval van een onderzoek waarbij het noodzakelijk is de druppelgrootte nauwkeurig te regelen.
Stroomconcentratie
Stroomfocusering komt neer op de vorming van verspreide druppeltjes van een vloeistof in een continue stroom van een andere vloeistof. Er bestaan twee varianten van geometrische microfluïdische stroomfocuseringssystemen: de eenvoudige kruiskoppeling en de kruiskoppeling gevolgd door een vernauwing (ook wel spuitmond genoemd). Daarnaast kan een onderscheid worden gemaakt tussen een quasi-2D vlakke configuratie (zie fig. 3 (i) (ii)) en een 3D-configuratie met assymmetrie (zie fig. 3 (iii) (iv)).
In vergelijking met vlakke flow-focusing-apparaten voorkomen 3D-axisymmetrische flow-focusing-apparaten problemen zoals bevochtiging van de kanaalwanden door de gedispergeerde fase, waardoor ze monodisperse druppels produceren bij een hogere doorvoercapaciteit.
Wat betreft de cross-flow-geometrie kunnen drie verschillende modi worden onderscheiden: de squeezing-, druppel- en straalmodi (zie figuur 4). Het voordeel van het gebruik van flowfocusing ligt in de eenvoud van de geometrie, en daarmee in de vele ontwerpvarianten. Er is echter geen eenvoudig mechanistisch model beschikbaar waarmee de druppelgrootte over een breed bereik van stromingsomstandigheden kan worden voorspeld. Een ander bekend probleem is het ongewenste samensmelten van druppels, wat kan worden voorkomen door het gebruik van oppervlakteactieve stoffen. Oppervlakteactieve stoffen kunnen echter ook de biochemische reacties verstoren of remmen.
Dynamische multichannel-interface
De meest klassieke geometrieën die bij microfluïdische druppels worden gebruikt, zijn stroomfocusering en T-vertakkingen. Men moet zich realiseren dat deze technieken een grotere technische vaardigheid en gespecialiseerde apparatuur vereisen, wat een belemmering kan vormen voor laboratoria die niet gespecialiseerd zijn in microfluïdica. Bovendien kan de druppelgrootte worden beïnvloed door tal van factoren, zoals de viscositeit van de vloeistof, de grensvlakspanning, de kanaalafmetingen, enz.
Hier wordt gebruikgemaakt van een eenvoudige actieve (elektrische) techniek voor het genereren van druppeltjes door middel van dynamische grensvlakafschuiving, aangedreven door een mechanisch apparaat (zie figuur 1). In de praktijk komen de vloeibare componenten samen bij het mondstuk en worden er druppeltjes gevormd door de grensvlakafschuiving die ontstaat door de trilling van een meerkanaalscapillair.
Een van de belangrijkste voordelen is dat het apparaat eenvoudigweg is gebaseerd op een goedkope vibrator en een handgemaakte, taps toelopende meerkanaalscapillair, die gemakkelijk in elkaar te zetten is en door iedereen kan worden gebruikt zonder enige expertise op het gebied van druppelvorming. Een ander voordeel is dat de techniek uitstekende prestaties levert bij het genereren van uniforme druppels met vooraf bepaalde afmetingen en samenstellingen. Hoewel de fabricage en montage eenvoudig zijn, kan het feit dat de microkanalen met de hand worden gemaakt een afwijking in de reproduceerbaarheid van het apparaat betekenen, maar ook van invloed zijn op de grootte van de druppels die door twee verschillende apparaten met dezelfde instellingen worden gegenereerd. Bovendien is deze techniek beperkt tot een klein aantal biologische toepassingen, zoals bacterieonderzoek, omdat de druppeldiameter afneemt naarmate het aantal capillairen toeneemt, als gevolg van toegenomen viskeuze spanningen die de druppel vervormen.
Conclusie
In dit overzicht hebben we een zeer klein deel van de bestaande geometrieën en hun variaties voor het genereren van microfluïdische druppels bekeken. Elk daarvan heeft zijn eigen unieke kenmerken wat betreft stromingsinstabiliteiten, druppelgrootte of druppelgedrag. Voor een effectieve druppelproductie met het gewenste resultaat is het belangrijk om een grondig inzicht te hebben in de effecten van viskeuze, traagheids- en capillaire krachten. Aangezien de precieze afhankelijkheid van de druppelgrootte van de stromingsparameters afhankelijk is van de specifieke geometrie die in aanmerking wordt genomen, is het belangrijk om rekening te houden met de precieze behoeften en beperkingen van de gewenste onderzoekstoepassing om het perfecte ontwerp voor druppelgeneratie te kiezen.
