Tuna-step: Tunable Parallelized Step Emulsification for the Generation of Droplets with Dynamic Volume Control to 3D Print Functionally Graded Porous Materials

喷嘴 微流控 金枪鱼 材料科学 多孔性 膜乳化 体积热力学 体积流量 表面积体积比 流量(数学) 纳米技术 机械 化学工程 复合材料 机械工程 乳状液 热力学 工程类 物理 渔业 生物
作者
Francesco Nalin,Maria Celeste Tirelli,Piotr Garstecki,Witold Postek,Marco Costantini
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
标识
DOI:10.48550/arxiv.2307.05259
摘要

We present Tuna-step, a novel microfluidic module based on step emulsification that allows for reliable generation of droplets of different sizes. Until now, sizes of droplets generated with step emulsification were hard-wired into the geometry of the step emulsification nozzle. To overcome this, we incorporate a thin membrane underneath the step nozzle that can be actuated by pressure, enabling the tuning of the nozzle size on-demand. By controllably reducing the height of the nozzle, we successfully achieved a three-order-of-magnitude variation in droplet volume without any adjustment of the flow rates of the two phases. We further enhanced our system by developing and applying a new hydrophilic surface modification, ensuring long-term stability and preventing swelling of the device when generating Oil-in-Water droplets. We used our system in the manufacturing of functionally graded soft materials with adjustable porosity and material content. By combining our microfluidic device with a custom 3D printer, we generated and extruded Oil-in-Water emulsions in an agarose gel bath, allowing for the creation of unique self-standing 3D hydrogel structures with porosity decoupled from flow rate and with composition gradients of external phases. We upscaled Tuna-step by setting 14 actuatable nozzles in parallel, offering a step-emulsification-based single chip solution that can accommodate various requirements in terms of throughput, droplet volumes, flow rates, and surface chemistry.
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