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物理学 > 流体动力学

arXiv:2503.21333 (physics)
[提交于 2025年3月27日 ]

标题: 通过结合电和机械驱动的复合射流断裂扩展单分散核壳水凝胶胶囊的尺寸范围

标题: Extending the range of sizes of monodisperse core-shell hydrogel capsules from composite jet breakup by combined electrical and mechanical actuation

Authors:Lucas Suire, Anirban Jana, Pierre Nassoy, Amaury Badon
摘要: 单分散颗粒或液滴的生产是一个在多个领域长期存在的问题,从气溶胶科学到喷墨打印。 在生物工程中,亚毫米级载细胞水凝胶胶囊已被证明在开发体外组织模型方面具有价值。 一种常见的实际方法是利用拉普拉斯-瑞利不稳定性,使液体复合射流在空气中破裂。 然而,尽管液滴尺寸与喷嘴尺寸密切相关,由于粘弹性射流的珠链形态相关的聚并事件,实现适合定量生物学检测的高单分散性仍然具有挑战性。 在此,介绍了一种微流控策略,结合电和机械驱动,以增强对射流破裂的控制和多功能性。 通过精确调节激励频率以选择特定模式,并施加电压以调节聚并,建立了一个相图,使得在广泛的尺寸范围内生成单分散液滴成为可能。 值得注意的是,发现并定量表征了电场对射流行为的先前隐藏的影响。 最后,在交联复合液滴后,在适合细胞增殖的条件下形成了具有水凝胶包膜和由细胞悬浮液组成的芯的胶囊,这为定量高精度的生物学检测奠定了基础。
摘要: The production of monodisperse particles or droplets is a longstanding issue across various fields, from aerosol science to inkjet printing. In bioengineering, submillimeter cell laden hydrogel capsules have proven valuable for developing in vitro tissue models. A common practical approach for producing such droplets relies on the Plateau Rayleigh instability to break up a liquid compound jet in air. However, while the droplet size is closely linked to nozzle dimensions, achieving high monodispersity suitable for quantitative biological assays remains challenging due to coalescence events associated with the beads on a string morphology of viscoelastic jets. Here, a microfluidic strategy is introduced, combining electrical and mechanical actuation to enhance control and versatility over jet breakup. By fine tuning the excitation frequency to select specific modes and applying an electric potential to regulate coalescence, a phase diagram is established, enabling the generation of monodisperse droplets over a broad size range. Notably, a previously hidden effect of the electric field on jet behavior is uncovered and quantitatively characterized. Finally, after crosslinking the compound droplets, capsules with a hydrogel envelope and a core composed of a cell suspension are formed in conditions compatible with cell proliferation, which lay the groundwork for quantitative high precision biological assays.
主题: 流体动力学 (physics.flu-dyn)
引用方式: arXiv:2503.21333 [physics.flu-dyn]
  (或者 arXiv:2503.21333v1 [physics.flu-dyn] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.21333
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Amaury Badon [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 3 月 27 日 10:11:59 UTC (20,689 KB)
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