Mikrofluidik für die Tröpfchenerzeugung

Eine Emulsion ist ein heterogenes System, das aus mindestens einer nicht mischbaren Flüssigkeit besteht, die in einer anderen in Form von Tröpfchen dispergiert ist. Wenn nicht emulgiert wird, werden die beiden Flüssigkeiten getrennt, wobei die weniger dichte Phase auf der dichteren Phase liegt. Salatdressings sind gängige Beispiele für Emulsionen. In einer Vinaigrette, die aus einer wässrigen Phase (dem Essig) und einer öligen Phase (Olivenöl) besteht, werden die beiden Phasen getrennt, wenn sie nicht emulgiert werden. Durch Schütteln der Vinaigretteflasche wird der Essig in der kontinuierlichen Ölphase verteilt, so dass eine Emulsion entsteht. Bei einer Emulsion wird eine Flüssigkeit (die sogenannte dispergierte Phase) in der anderen (der kontinuierlichen Phase) dispergiert.

Wasser in Öltröpfchen

Verkapselung von Biomolekülen in Polymeren [1]

Pharmazie: Emulsionen werden für eine Vielzahl pharmazeutischer Produkte verwendet, darunter intravenöse, intramuskuläre, okuläre oder orale Produkte. Emulsionen werden auch als Vorlagen für Polymer-Mikropartikel, Lipid-Nanopartikel oder Mikrokapseln verwendet. Letztere können z. B. für die Verabreichung von Arzneimitteln verwendet werden, wobei die Emulsion selbst der aktive pharmazeutische Wirkstoff (API) oder ein Adjuvans für die gleichzeitige Verabreichung ist.

Lebensmittelindustrie: Durch die einzigartige Natur von Emulsionen als thermodynamisch stabile Dispersionen, die mit einer Größenverteilung unterschiedlich großer Tröpfchen erzeugt werden, sind sie für verschiedene Anwendungen in der Lebensmittelindustrie geeignet.

Die Nanoencapsulation, in diesem Beispiel ein vielversprechender Ansatz für die gezielte Abgabe
und kontrollierte Freisetzung von Vitaminen. [2]

Kosmetische Produkte, die mit Hilfe der Mikrofluidik-Technologie entwickelt wurden.

Kosmetik: Produkte auf Emulsionsbasis in Kosmetik bieten eine feine Textur und ein angenehmes Gefühl beim Auftragen. Sie können auch die Löslichkeit von relativ schwach löslichen Stoffen verbessern. In letzter Zeit sind „Millifluidik“-Geräte auf den Markt gekommen, mit denen Emulsionen erzeugt werden können, die mit bloßem Auge sichtbar sind, was die Entwicklung einzigartiger Produkte mit hoher optischer Attraktivität ermöglicht.

Die meisten handelsüblichen mikrofluidischen Tropfengeneratoren basieren auf einer planaren, strömungsfokussierenden Konfiguration, die in Polymer- oder Glas-Chips implementiert ist. Diese Geometrie hat viele Einschränkungen, wie die Notwendigkeit spezifischer Beschichtungen oder die Verwendung spezieller Tenside. 

Im Gegensatz dazu stellen auf Glaskapillaren basierende Geräte für die Tropfenerzeugung eine große Verbesserung dar, da die dispergierte Phase nie mit den Wänden der äußeren Kapillare in Kontakt kommt (a,b).

Sie sind schwierig zu implementieren (Zentrierung der Kapillare), und kommerziell verfügbare Designs haben sich als wenig flexibel für die Tropfenproduktion erwiesen (> 100 µm Durchmesser, < 1 kHz Erzeugungsrate). Die Zentrierung kann vereinfacht werden, indem zwei kreisförmige Kapillaren in eine quadratische äußere Strömungskapillare eingesetzt werden ( c,d), aber die damit verbundenen Herstellungsverfahren schränken die Produktion in großem Maßstab ein, und eine kapillarbasierte Tropfenproduktion mit hohem Durchsatz ist noch nicht erreicht worden. Eine neue Konfiguration bietet eine vielversprechende Alternative, bei der das Extraktionsrohr vor dem Injektionsrohr platziert wird, ohne dass die Umgebung eingeschlossen wird (e). Dieses System funktioniert jedoch nur im Jetting-Regime, was nicht die Monodispersität der Tropfen garantiert, die mit dem Dripping-Regime verbunden ist.  

Verfügbare kapillarbasierte achsensymmetrische Designs von Tröpfchengeneratoren.

Der Raydrop® ermöglicht die Herstellung von einfachen Emulsionen (Öl-in-Wasser und Wasser-in-Öl) sowie von Doppelemulsionen (Öl-in-Wasser-in-Öl oder Wasser-in-Öl-in-Wasser) ohne Beschichtung. 

Doppelemulsionen haben im Vergleich zu einfachen Emulsionen viele Vorteile. Sie sind in der Regel stabiler, neigen weniger zur Koaleszenz und sind einfacher zu handhaben und zu analysieren. Da sich Doppelemulsionen leicht in einer wässrigen kontinuierlichen Phase dispergieren lassen (was bei Einfachemulsionen im Bereich der Biowissenschaften weniger der Fall ist), können sie mit automatischer Zellsortierung wie der fluoreszenzaktivierten Zellsortierung (FACS) charakterisiert und sortiert werden. Darüber hinaus eignen sich Doppelemulsionen hervorragend zur Herstellung von Mikrokapseln durch Verfestigung der Hülle.