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Mar 31, 2023

Una mappa di flusso per la formazione di microgocce core/shell nel co

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 22010 (2022) Citare questo articolo

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La formazione di microgocce core/shell con dimensioni uniformi viene studiata numericamente nel microcanale di coflusso. L'interfaccia e il contorno della frazione volumetrica tra tre fluidi immiscibili vengono catturati utilizzando un modello di campo di fase ternario. Precedenti ricerche hanno dimostrato che i parametri effettivi della dimensione delle microgocce sono le proprietà fisiche e la velocità delle tre fasi. Regolando queste variabili, nelle simulazioni numeriche si osservano cinque principali modelli di flusso. Un regime di gocciolamento/slug nucleo/guscio si osserva quando l'inerzia della fase continua interrompe il flusso delle fasi nucleo e guscio e forma una goccia. Nel regime slug la fase continua ha minore inerzia e le goccioline che si formano sono circondate dalle pareti del canale, mentre nel regime dripping il fluido della fase shell è circondato dalla fase continua. Un aumento della portata del fluido continuo o del fluido di rivestimento porta al gocciolamento fino a una transizione a getto. Quando tre liquidi immiscibili scorrono continuamente e parallelamente tra loro senza disperdersi, si parla di flusso laminare. Nel regime dei tubi, la fase centrale scorre continuamente nella regione centrale del canale, la fase guscio scorre nell'anello formato dalla regione centrale della fase centrale e la fase continua scorre tra il fluido della fase guscio e le pareti del canale. Al fine di discriminare tra i suddetti modelli di flusso utilizzando i numeri di Weber e Capillary e stabilire criteri di transizione del regime basati su queste due variabili adimensionali, viene fornita una mappa del regime di flusso. Infine, è stata proposta una correlazione per lo spessore del guscio utilizzando il rapporto di velocità di fase guscio-nucleo e conducendo 51 simulazioni CFD.

I flussi acquosi trifase, in particolare il movimento di una microgocciolina a nucleo/guscio singolo attraverso la terza fase come fase continua1, sono utili in un'ampia gamma di applicazioni industriali e mediche, tra cui il trasferimento efficiente di calore e massa2, studi sulla sicurezza nucleare3, tecniche di recupero efficienti4, ingegneria dei tessuti5, tecnologia di rivestimento6 e sistemi di somministrazione dei farmaci7. A causa del potenziale delle strutture core-shell in aree quali la somministrazione di farmaci, il trattamento con imaging biomedico e la terapia dei tumori, queste sono diventate importanti negli ultimi dieci anni8.

Negli ultimi decenni è stata ampiamente studiata una combinazione di flussi trifase con tecnologia microfluidica al fine di fornire un controllo preciso e un funzionamento continuo9,10. La miniaturizzazione dei sistemi di sintesi offre nuove possibilità per una migliore sintesi chimica, nonché una piattaforma di applicazioni biologiche e mediche11. La formazione di microgocce core-shell (CSM) nei dispositivi microfluidici presenta una serie di vantaggi: (1) migliore precisione ed efficienza di elaborazione, (2) flessibilità di progettazione per una piattaforma multi-fase, (3) risultati di consegna rapidi per la messa a punto delle proprietà di forma goccioline, (4) il risparmio sui costi derivante dalla riduzione del consumo di materie prime e reagenti e (5) l'utilizzo di un numero significativamente inferiore di sostanze chimiche e reagenti potenzialmente dannosi consente operazioni più sicure e un impatto ridotto sull'ambiente12.

Per la formazione di microgocce nucleo-guscio è ampiamente utilizzato l’approccio della doppia emulsione13. Oltre ad altre operazioni multifase e sofisticate, il processo di sintesi comprende l'evaporazione del solvente, l'emulsione, la purificazione e la sonicazione delle goccioline prodotte14. Le goccioline prodotte presentavano anche tassi di recupero modesti15, distribuzioni di dimensioni ristrette16 e microstrutture complesse17. Le tecnologie microfluidiche vengono utilizzate per controllare la formazione e la dimensione delle particelle a causa della difficoltà di gestione dei fluidi nei metodi sfusi18. Solubilità19, stabilità, riattivazione mediante stimoli visivi20, distribuzione dimensionale ristretta, elaborazione del nucleo e del guscio e capacità autonomiche sono gli aspetti più essenziali dei CSM come modello di elementi costitutivi per materiali funzionali21. Molti tipi distinti di materiali nucleo-guscio, come materiali singoli o multipli in piano, nucleo/guscio o compositi, possono essere classificati come materiali nucleo-guscio22. In generale, le strutture nucleo/guscio sono definite come aventi una materia interna e uno strato esterno di materiale23.