Kinetic Studies of Lyotropic Structure Formation with Microfluidics and Small Angle X-ray Scattering

Titelangaben

Fürst, Carolin:
Kinetic Studies of Lyotropic Structure Formation with Microfluidics and Small Angle X-ray Scattering.
Bayreuth , 2017 . - X, 196 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The self-assembly of amphiphilic matter is an extensive field describing the evolution of mesoscopic arrangements and is thus fundamental for many applications in medicine, biology, chemistry and physics. However, the underlying processes of self-assembly are still not completely understood. In this dissertation, a combination of two fields, namely microfluidics and small angle X-ray scattering (SAXS), was used to investigate self-assembly processes of amphiphilic surfactants and block copolymers. This combination offers several key advantages, such as the small quantity of sample required, a controlled mixing by diffusion, in-situ investigation and the possibility to adjust the temporal resolution due to the translation of time to space in the microfluidic channels.
Initially, appropriate materials were searched for the microfluidic device fabrication. The chip material had to hold many different properties, depending on the intended purposes. Besides the transparency and the ease of device fabrication, a material with low background scattering in small angle X-ray scattering was needed. Therefore, many different materials were tested with the in-house rotating anode. Furthermore, for systems or reactions requiring organic solvents, the device material had to be solvent resistant, in order to prevent the channel from swelling, resulting in the alteration of the chip geometry and thus the disruption of the flow profile. Subsequently, the materials were tested for their solvent resistance.
The first kinetic process analyzed in a microfluidic device was the self-assembly of an anionic and a zwitterionic surfactant in water. The experiments were performed in a NOA81 based microchip with a perpendicular channel cross and an adjacent meander. The anionic surfactant, lithium perfluorooctanoate, formed spherical micelles in water above the CMC (critical micelle concentration), whereas the zwitterionic tetradecyldimethylamine oxide formed cylindrical micelles. The fast mixing in the microfluidic chip was compared to the slow interdiffusion experiment in the glass capillary. The two experiments showed different structural pathways. In the microchannel the spherical micelles and cylindrical micelles fused instantly when getting in contact and formed disks with 1:1 stoichiometry. Subsequently, the disks grew via fusion and developed a larger lateral dimension leading to a lamellar correlation in the SAXS measurements. The mixing of both surfactants in the capillary led to a shift of the original sphere peak by the fusion of TDMAO cylinder strands with LPFO spherical micelles. This indicated the formation of non-stoichiometric LPFO-rich micelles, which aggregation number increased causing a shift of the scattering peak. Eventually, the disk-like micelles of 1:1 stoichiometry evolved, observed in a lamellar peak in SAXS. In this work, a very good temporal resolution of the early beginnings of the self-assembly process was obtained, followed by an insight into the synergistic effect of microfluidic and small angle X-ray scattering.
In addition, new designs of microfluidic devices were developed and tested in this thesis to overcome the problem of the no-slip boundary condition at the MF-channel walls. For the investigation of the self-assembly process of diblock copolymers, a new three-dimensional flow-focusing hybrid device was developed to meet the requirements, such as no contact between the reagents and the channel walls, solvent resistance of the chip material and low scattering of the device at the analyzed position. Consequently, a solvent resistant perfluoropolyether based material (SIFEL) was used to obtain the mixing component, followed by the use of a thin walled glass capillary with low background scattering, acting as the extension to the main channel, which also served as the analysis component. Furthermore, the sheathing streams in the 3D chip design surrounding the two reactant streams prevented the contact to the channel walls, and thus avoided the disturbance of the self-assembly process induced by the no-slip boundary condition. An additional buffer stream flowing centrically between reactant A and B allowed the control of the position of the mixing point of the two reactants. The predicted flow in the new device was proven by CLSM (confocal laser scanning microscopy). SAXS measurements displayed an enhanced quality of the measurements due to the low background scattering of the hybrid device compared to polyimide MF-chips. Additionally, the new chip design led to a parallel flow of the reagent streams. This feature is advantageous compared to the conventional concentric flow, since SAXS measurements also allowed the measurement in y-direction, therefore increasing the spatial resolution.
Subsequently, the self-assembly processes of the PI70-(b)-PEO60 diblock copolymer was investigated. First, the polymer was dissolved in dioxane and then mixed with water. The continuous flow experiments in the microfluidic chip revealed that this solvent-induced self-assembly process led to the building of micellar structures by interdiffusion in the first few milliseconds. These micelles arrange into lyotropic phases and the morphological transitions were followed with SAXS in the microfluidic channel.
Different flow rates of the individual streams allowed the access to different time spans after mixing. Calculation showed the fast evolution of spherical micelles within 10 ms after mixing and the arrangement of these micelles after 0.77 s. Eventually, this face centered cubic (FCC) ordering became more pronounced at later positions in the microfluidic channel. These results were compared to slow mixing experiments of PI-(b)-PEO/dioxane topped with water in a glass capillary. In these experiments, the concentration gradient scan showed a stronger segregation of the micellar cores at longer time scales. Furthermore, cryo-TEM measurements showed the coexistence of spherical and cylindrical micelles, vesicles and intermediate “jellyfish”-like structures. These measurements confirmed the evolution of spherical micelles to cylindrical micelles, which fused into vesicle bilayers.
Eventually, the kinetic investigations of the self-assembly of PEG-(b)-PLA block copolymers were performed. Therefore, two PEG-(b)-PLA block copolymers with varying chain lengths were used. Both PEG-(b)-PLA block copolymers were studied in the SIFEL-capillary-hybrid chip, exhibited the fast diffusion-driven formation of cylindrical micelles. For the PEG217-(b)-PLA532 block copolymer with the higher molecular weight, the microfluidic investigation showed no structural evolution and instead a time dependent capillary experiment was performed. The measurement showed the evolution of cylindrical micelles to vesicles over a long period of time (19 hours). Finally, these experiments were compared to longer period measurements in glass capillaries, as the microfluidic chip measurements only revealed the micelles formation but no further evolution. The capillary scan measurements showed that for all concentrations, the unit cell dimension a increased as the measurements proceeded from the polymer phase towards the water phase. Also, the core radius increased for all concentrations except for the 20 wt% PEG84-(b)-PLA130/dioxane, where the core radius decreased due to the effusion of dioxane in the water phase.

Abstract in weiterer Sprache

Die Selbstorganisation amphiphiler Stoffe ist ein umfangreiches Thema, das die Aggregationen von Partikeln im Mesobereich, beschreibt und somit grundlegend für viele Prozesse mit Anwendungen in der Medizin, Biologie, Chemie und der Physik ist. Diese Prozesse sind jedoch weitestgehend noch nicht erforscht. In dieser Dissertation wurden zwei Methoden kombiniert, die Mikrofluidik (MF) und die Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS), um die Selbstorganisierung von amphiphilen Tensiden und Blockcopolymeren zu untersuchen. Diese Kombination führt zu einigen Vorteilen, wie zum Beispiel geringer Probenverbrauch und kontrollierte Mischbedingungen durch Diffusion. Außerdem können Messungen in-situ durchgeführt werden und da im Mikrofluidikkanal die Zeitskala auf eine Längenskala aufgespannt wird, kann die zeitliche Auflösung der Analysemethode gesteuert werden.
Zunächst wurde geeignetes Material für die Produktion von Mikrofluidikchips gesucht. Das Material soll je nach gewünschter Anwendung verschiedene Eigenschaften haben. Neben optischer Transparenz und leichter Herstellung, war es wichtig ein Material mit geringer Hintergrundstreuung im Röntgenkleinwinkelbereich zu finden. Dafür wurden verschiedenste Polymere mit der hauseigenen Drehanode analysiert. Des Weiteren wurde das Chipmaterial auf ihre Lösungsmittelstabilität getestet. Das Material sollte im Lösungsmittel nicht quellen und somit nicht die gewollte Geometrie des Chips und dessen Flussprofil verändern.
Mit einem geeigneten Mikrofluidikchip bestehend aus NOA81 wurde die Selbstassemblierung eines anionischen und eines zwitterionischen Tensids in Wasser untersucht. Das Chipdesign bestand aus einem rechtwinkligen Kanalkreuz und einem anschließenden langen Mäander. Das anionische Tensid, Lithiumperfluoroctanoat, bildet kugelförmige Mizellen bei einer Konzentration oberhalb der kritischen Mizellkonzentration (CMC), wobei das zwitterionische Tensid, Tetradeclydimehtylaminoxid, zylindrische Mizellen bildet. Für die kinetische Untersuchung wurden zwei verschiedene Experimente miteinander verglichen, die schnelle Mischung im MF-Kanal und die langsame diffusive Mischung in der Glaskapillare. Die Experimente zeigten unterschiedliche Verläufe der Strukturentwicklung. Im Mikrofluidikkanal bildete sich sofort eine neue Struktur von scheiben-artigen Mizellen, an der Grenzfläche von TDMAO und LPFO.
Diese Scheiben wuchsen anschließend durch Fusionierung mit einem stöchiometrischen Verhältnis von 1:1 der Komponenten. Durch die Entwicklung einer größeren lateralen Ausdehnung der Scheiben, beobachtete man eine lamellare Korrelation in den SAXS Kurven. Die Kapillarexperimente zeigten eine Verlagerung des Peaks ausgehend von der Kugelmizelle (LPFO). Durch das Fusionieren von einzelnen TDMAO Zylindersträngen mit den LPFO Kugelmizellen und der daraufhin folgende Anstieg der Aggregationszahl dieser Mizellen, kam es zu der Verlagerung des SAXS-peaks. Schließlich bildeten sich auch im Kapillarexperiment scheiben-artige Mizellen mit einer 1:1 Stöchiometrie von TDMAO und LPFO. Diese wuchsen an und zeigten daraufhin einen lamellaren Peak in der SAXS-Kurve. In den Experimenten konnten sehr frühe Stadien der Selbstassemblierung untersucht werden. Ebenso zeigten diese ersten Messungen das Leistungsvermögen, das durch die Kombination von Mikrofluidik und Röntgenkleinwinkelstreuung erreicht werden kann.
Anschließend, wurden neue Designs entwickelt, um Hürden wie die no-slip boundary Bedingung an den Kanalwänden zu überwinden. Um den Selbstorganisationsprozess von Diblockcopolymeren zu untersuchen, wurde ein neuer Hybridchip entwickelt, der zum einen eine dreidimensionale Flussfokussierung ermöglichte und zum anderen einen Kontakt der Reaktanten mit den Kanalwänden durch die dreidimensionale Fokussierung vermied. Es wurde lösungsmittelstabiles Material (SIFEL) zur Chipproduktion verwendet und eine Glaskapillare wurde als Fortsatz für den Hauptkanal angebracht, um eine geringe Hintergrundstreuung bei SAXS Messungen zu erhalten. Somit fand die kontrollierte Mischung der Probe im Bereich des SIFEL-Mikrofluidikchip statt, während die SAXS-messung in der dünnwandigen Kapillare durchgeführt wurde. Außerdem beinhaltete das Chipdesign zusätzliche sogenannte sheathing streams, die die beiden Reaktanten umhüllten und somit von den Kanalwänden fernhielten. Ein zusätzlicher Strom floss als Puffer zwischen den beiden Reagenzien. Mit diesem Pufferfluss konnte der Mischpunkt der beiden Reagenzienströme kontrolliert und verändert werden. Das prognostizierte Flussprofil der einzelnen Ströme im Kanal, wurde mit Hilfe der CLSM (confocal laser scanning microscopy) nachgewiesen. SAXS Messungen zeigten eine höhere Qualität der Messung verglichen mit auf Poly(imid) basierenden MF-Chips. Zusätzlich führte das neue Chipdesign zum parallelen Fließen beider Reaktantenströme.

Dieser parallele Fluss ist vorteilhaft im Vergleich zu dem konventionellen konzentrischen Fluss, da bei SAXS Messungen mit einem kleinen Röntgenstrahl (wenige µm) in einem z.B. 100 µm breiten Kanal nicht nur in Flussrichtung sondern auch senkrecht dazu (y-scan) analysiert werden kann. Ein paralleler Fluss führt somit zu einer besseren örtlichen Auflösung in y-Richtung, da die einzelnen Komponenten im Kanal entlang y aufgetrennt sind.
Anschließend wurden mit diesem neuen Chipdesign die Selbstassemblierung von PI70-(b)-PEO60 Blockcopolymer untersucht. Das Blockcopolymer wurde zunächst in Dioxan gelöst und anschließend mit Wasser gemischt. Die SAXS-messungen im Mikrofluidikkanal zeigten, dass dieser Lösungsmittel induzierte Selbstorganisationsprozess in den ersten Millisekunden zur Bildung mizellarer Strukturen führte. Diese Mizellen ordneten sich anschließend zu einer lyotropen Phase an. Es wurden verschiedene Flussraten der einzelnen Ströme induziert, womit verschiedene Zeitspannen erreicht wurden. Mit Hilfe von Berechnungen konnte schließlich eine Strukturentwicklung von sphärischen Mizellen innerhalb von 10 ms und eine Anordnung dieser Mizellen nach 0,77 s beschrieben werden. Diese FCC-Ordnung wurde anschließend im Verlauf der Messung an späteren Messpositionen intensiver. Die Ergebnisse wurden mit langsamen Mischexperimenten in Glaskapillaren verglichen. Dazu wurde PI-(b)-PEO/Dioxan mit Wasser überschichtet und der ausgebildete Konzentrationsgradient mit SAXS untersucht. Der Konzentrationsscan entlang der Kapillare zeigte eine stärkere Segregation der Mizellkerne über die Zeit. Cryo-TEM Messungen zeigten eine Koexistenz von Kugel- und Zylindermizellen, sowie Vesikeln und quallen-artige Übergangstrukturen, was die angenommene Entwicklung von sphärischen Mizellen zu Zylindermizellen, welche schließlich zu Vesikel-Doppelschichten zusammenwuchsen, bestätigte.
Für die Untersuchungen des biokompatiblen Poly(ethyleneglykol)-(b)-poly(lactid) Blockcopolymers wurden zwei Polymere mit unterschiedlichen Molekulargewichten untersucht. Mit beiden PEG-(b)-PLAs wurden MF-Chip Messungen durchgeführt. Die SAXS-messungen zeigten eine schnelle diffusionsgesteuerte Bildung von Zylindermizellen. Bei dem PEG84-(b)-PLA130 mit dem geringeren Molekulargewicht trat außerdem noch ein Anstieg der Einheitszellendimension auf. Bei dem PEG217-(b)-PLA532 mit dem höheren Molekulargewicht wurden keine Strukturveränderungen im MF-kanal beobachtet, woraufhin eine zeitabhängige Kapillarmessung durchgeführt wurde.
Die Kapillarmessung zeigte eine Entwicklung von Zylindermizellen zu Vesikeln innerhalb von 19 Stunden. Anschließend wurden die Ergebnisse mit SAXS-messungen des Konzentrationsgradienten in der Glaskapillare durchgeführt, um einen längeren zeitlichen Bereich abzudecken. Die Kapillarmessungen zeigten, dass bei allen Konzentrationen ein Größenanstieg der Einheitszelle auftrat, wenn ausgehend von der Polymerphase in Richtung Wasserphase gemessen wurde. Ebenso stieg der Kernradius der Zylindermizellen für alle Konzentrationen, außer für das 20 wt% PEG84-(b)-PLA130, an. Der Kernradius des 20 wt% PEG84-(b)-PLA130 Blockcopolymers hingegen sank, durch die stärkere Segregation in der Wasserphase.