Studies of droplet behavior in emerging technologies: elasticity effects on surface superhydrophobicity and contactless acoustophoretic DNA transfection

Abstract

The present thesis focuses on the study of droplet behavior within the framework of two classes of emerging technologies, related to the development of elastic superhydrophobic or icephobic materials with extreme performance and to the realization of contactless acoustophoretic DNA transfection, respectively. To this end, first we examine the collaborative effects of substrate flexibility, topography, and composition on enhancing surface superhydrophobicity and icephobicity, as defined by droplet impalement resistance, contact time and restitution coefficient, and use such knowledge in redesigning superhydrophobic and icephobic materials to repel supercooled droplets. Subsequently, we investigate the use of acoustophoretic actuation for contactless processing of liquid droplets containing living cells and design a containerless biological reactor appropriate to carry out DNA transfection experiments in a contactless manner. Flexible materials are ubiquitous in everyday life and technology, from textiles to insect wings and plant leaves; however, the effect of flexibility on the wetting and droplet impact dynamics under broad environmental conditions is not well understood. The concept investigated here is how the flexibility of the substrate—defined by its stiffness, damping and areal density—can be made to work collaboratively with surface chemistry and texturing in order to enhance superhydrophobicity. Droplet impact experiments reveal that the rational tuning of flexibility is able to achieve improved water repellency as characterized by the impalement and breakup resistance, contact time reduction and restitution coefficient increase. Designing flexible substrates with low-areal density and stiffness imparts immediate responsiveness to the substrate for impacting droplets, mitigating the collision and lowering the impalement probability without the need for an active mechanism. The aforementioned effects on drop impact dynamics are rationalized through appropriate modeling and exemplified by man-made and natural materials. The previous knowledge of manipulating droplets with flexible substrates is then applied in the design of icephobic materials. Surface icing is omnipresent in equipment installed outdoors and can cause deterioration of performance, e.g. in wind turbine blades and power lines, and serious safety hazard, e.g. in aviation. The flexible superhydrophobic materials were designed to absorb the energy of incoming droplets and to boost droplet mobility by releasing the absorbed energy at a later time. The design was optimized using highly viscous droplets for simplicity (mimicking supercooled water viscosity), like glycerol and honey, which do not rebound from rigid superhydrophobic surfaces. Then it was validated with water droplets at supercooled temperatures. The partial solidification of the supercooled droplets in the presence of nucleation promoting particles on the surface did not impede the solidifying droplets from rebounding, demonstrating a passive mechanism for shedding ice-water slurries. The findings of this investigation were underpinned using appropriate modeling. With reference to contactless droplet manipulation, acoustophoresis has been shown to be able to effect planar motion of solid particles and liquid droplets, with a purposely designed spatial and temporal regulation of the acoustic field. Therefore, there exists the potential for single or multiple microliter volume droplets to be moved and mixed, avoiding contamination or loss of reagents to the container walls, enabling applications in chemistry, engineering and biology appealing. Here, targeting towards biological applications, an acoustophoretic concept is presented, able to manipulate suspensions of living cells and DNA plasmids in a controlled environment and eject them onto tissue culture plates. The cell viability of the procedure is assessed by detecting perturbations in the neuronal differentiation pathways of a cell model sensitive to even small levels of toxicity. Contactless DNA transfection of single or double plasmids is performed in the acoustophoretic setup and favorably compared to container-based methods in order to demonstrate its capabilities.

Η παρούσα διατριβή εστιάζει στη μελέτη της συμπεριφοράς των σταγονιδίων στο πλαίσιο δύο τάξεων αναδυόμενων τεχνολογιών, αρχικά στην ανάπτυξη ελαστικών υπερυδρόφοβων ή παγοφοβικών υλικών με εξαιρετική απόδοση και μετέπειτα με την πραγματοποίηση ακουστοφορητικής επιμόλυνσης DNA χωρίς επαφή. Για τον σκοπό αυτό, πρώτα εξετάζουμε τις συνεργατικές επιδράσεις της ευκαμψίας, της τραχύτητας της δομής και της χημικής σύνθεσης του υποστρώματος στην ενίσχυση της υπερυδροφοβίας και της παγοφοβικότητας της επιφάνειας, όπως ορίζονται από την αντίσταση διαβροχής, τον χρόνο επαφής και τον συντελεστή αποκατάστασης, και εφαρμόζουμε τις αποκτηθείσες γνώσεις στον επανασχεδιασμό υπερυδρόφοβων και παγοφοβικών υλικών για απώθηση υπέρψυκτων σταγονίδιων. Στη συνέχεια, διερευνούμε τη χρήση ακουστικοφορητικής δύναμης για την ανέπαφη επεξεργασία σταγονιδίων που περιέχουν ζωντανά κύτταρα και σχεδιάζουμε έναν βιολογικό αντιδραστήρα κατάλληλο για τη διεξαγωγή πειραμάτων επιμόλυνσης DNA χωρίς επαφή με δοχεία. Τα εύκαμπτα υλικά είναι πανταχού παρόντα στην καθημερινή ζωή και την τεχνολογία, από υφάσματα μέχρι φτερά εντόμων και φύλλα φυτών. Ωστόσο, η επίδραση της ελαστικότητας των υπερυδρόφοβων επιφανειών στη δυναμική της πρόσκρουσης των σταγονιδίων δεν είναι καλά κατανοητή. Η ιδέα που διερευνάται εδώ είναι πώς η ευκαμψία του υποστρώματος—όπως ορίζεται από το μέτρο ελαστικότητας, τον συντελεστή απόσβεσης και την πυκνότητα του υλικού—μπορεί να λειτουργήσει σε συνεργασία με τη χημεία και τη δομή της επιφάνειας προκειμένου να ενισχυθεί η υπερυδροφοβικότητα. Τα πειράματα πρόσκρουσης σταγονιδίων αποκαλύπτουν ότι ο ορθολογικός σχεδιασμός της ευκαμψίας είναι ικανός να επιτύχει βελτιωμένη απωθητικότητα σταγονιδίων, όπως χαρακτηρίζεται από την αντίσταση στη διαβροχή και τη διάσπαση, τη μείωση του χρόνου επαφής και την αύξηση του συντελεστή αποκατάστασης των προσκρούμενων σταγονιδίων. Η μείωση της πυκνότητας και η αύξηση της ελαστικότητας του υποστρώματος προσδίδει άμεση απόκριση στο υπόστρωμα για κρούση σταγονιδίων, μετριάζοντας τη σύγκρουση και μειώνοντας την πιθανότητα διαβροχής χωρίς την ανάγκη ενεργού μηχανισμού. Τα προαναφερθέντα αποτελέσματα για τη δυναμική κρούση σταγονιδίων εξορθολογίζονται μέσω της κατάλληλης μοντελοποίησης και παραδειγματίζονται από ανθρωπογενή και φυσικά υλικά. Η προηγούμενη γνώση του χειρισμού σταγονιδίων με εύκαμπτα υποστρώματα εφαρμόζεται στη συνέχεια στον σχεδιασμό παγοφοβικών υλικών. Το συσσώρευση πάγου είναι σύνηθες φαινόμενο σε εξοπλισμό εγκατεστημένο σε εξωτερικούς χώρους και μπορεί να προκαλέσει υποβάθμιση της απόδοσης, π.χ. σε πτερύγια ανεμογεννητριών και ηλεκτρικές γραμμές, και σοβαρός κίνδυνος για την ασφάλεια, π.χ. στην αεροπορία. Εύκαμπτα υπερυδρόφοβα υλικά σχεδιάστηκαν για να απορροφούν την ενέργεια των εισερχόμενων σταγονιδίων και να ενισχύουν την κινητικότητα των σταγονιδίων απελευθερώνοντας την απορροφούμενη ενέργεια αργότερα. Η σχεδίαση βελτιστοποιήθηκε με τη χρήση σταγονιδίων υψηλής ιξώδους (μιμούμενη το ιξώδες του υπερψυκτικού νερού), όπως η γλυκερίνη και το μέλι, που δεν αναπηδούν από άκαμπτες υπερυδρόφοβες επιφάνειες. Στη συνέχεια, η αποτελεσματικότητα των επιφανειών επικυρώθηκε με σταγονίδια νερού σε υπέρψυκτες θερμοκρασίες. Η μερική στερεοποίηση των υπέρψυκτων σταγονιδίων παρουσία σωματιδίων στην επιφάνεια που προάγουν τη δημιουργία πυρήνων πάγου δεν εμπόδισε τα μερικώς στερεοποιημένα σταγονίδια από το να αναπηδήσουν, επιδεικνύοντας έναν παθητικό μηχανισμό για την απόρριψη ιλύων παγωμένου νερού. Τα ευρήματα αυτής της έρευνας τεκμηριώθηκαν χρησιμοποιώντας την κατάλληλη μοντελοποίηση. Αναφορικά με τον χειρισμό των σταγονιδίων χωρίς επαφή, η ακουστική μεταχείριση (ακουστοφόρηση) έχει επιδείξει τη μετακίνηση στερεών σωματιδίων και σταγονιδίων στο επίπεδο, μεταβάλλοντας το ακουστικό πεδίο χωρικά και χρονικά. Επομένως, η ακουστοφόρηση παρέχει τη δυνατότητα της μετακίνησης και να ανάμειξης σταγονιδίων με όγκο από ένα έως πολλά μικρολίτρα, αποφεύγοντας τη μόλυνση ή την απώλεια αντιδραστηρίων στα τοιχώματα του δοχείου. Αυτό καθιστά την ακουστική μεταχείριση ελκυστική σε εφαρμογές στη χημεία, τη μηχανική και τη βιολογία. Εδώ, στοχεύοντας σε βιολογικές εφαρμογές, παρουσιάζεται μια ακουστικοφορητική διάταξη, ικανή να χειρίζεται εναιωρήματα ζωντανών κυττάρων και πλασμιδίων DNA σε ένα ελεγχόμενο περιβάλλον και να εξάγει τα αναμεμιγμένα διαλύματα σε πλάκες καλλιέργειας κυττάρων. Η κυτταρική βιωσιμότητα της διαδικασίας αξιολογείται ανιχνεύοντας διαταραχές στη νευρωνική διαφοροποίηση ενός κυτταρικού μοντέλου ευαίσθητου ακόμη και σε μικρά επίπεδα τοξικότητας. Η ανέπαφη διαμόλυνση DNA απλών ή διπλών πλασμιδίων εκτελείται στην ακουστικοφορητική διάταξη και συγκρίνεται με μεθόδους που βασίζονται σε δοχεία προκειμένου να αποδειχθούν οι δυνατότητές της.

Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Tröpfchenverhaltens im Rahmen von zwei Klassen von neuen Technologien, die sich auf die Entwicklung von elastischen superhydrophoben oder eisphobischen Materialien mit extremer Leistung und der Realisierung der kontaktlosen akustophoretischen DNA-Transfektion beziehen. Wir untersuchen die Verwendung von flexiblen Substraten als Mittel zur Verbesserung der superhydrophoben Eigenschaften von Oberflächen und wir wenden diese Ergebnisse bei der Konstruktion von eisphobischen Materialien an. Ebenso untersuchen wir die Verwendung des akustophoretischen Antriebs zur berührungslosen Verarbeitung von flüssigen Tröpfchen, die lebende Zellen enthalten und entwerfen einen containerfreien biologischen Reaktor, der geeignet ist, DNA-Transfektionsexperimente berührungslos durchzuführen. Flexible Materialien sind im Alltag und in der Technik allgegenwärtig, von Textilien und Faserstoffe bis hin zu Insektenflügeln und Pflanzenblättern. Die Wirkung der Flexibilität auf die Benetzungs- und Tröpfchen-Wirkungsdynamik unter breiten Umgebungsbedingungen blieb jedoch weitesgehend unbekannt. Das hier untersuchte Konzept ist, wie die Flexibilität des Substrats—definiert durch seine Steifigkeit, Dämpfung und flächige Dichte—so abgestimmt werden kann, dass diese gemeinsam mit der Oberflächenchemie und der Texturierung zu einer erhöhten Superhydrophobie beiträgt. Droplet-Impact-Experimente zeigen, dass die rationale Abstimmung der Flexibilität des Substrates eine verbesserte Wasserabstoßung, charakterisiert durch die Impalement- und Trennwiderstandsfähigkeit, die Kontaktzeitreduktion und den Restitationskoeffizienten, erreichen kann. Das Entwerfen von flexiblen Substraten mit geringer Flächendichte und Steifigkeit ermöglicht eine sofortige Reaktion des Substrats auf die auftreffenden Tröpfchen, wodurch die Kollision vermindert und die Wahrscheinlichkeit des Impalements verringert wird, ohne dass ein aktiver Mechanismus erforderlich ist. Die vorgenannten Effekte der Drop-Impact-Dynamik werden durch entsprechende Modellierung rationalisiert und durch künstliche und natürliche Materialien veranschaulicht. Die bisherige Kenntnis der Manipulation von Tröpfchen mit flexiblen Substraten wird dann bei der Konstruktion von eisphobischen Materialien angewendet. Die Oberflächen-Vereisung ist bei Geräten, die im Freien installiert sind, allgegenwärtig und kann zu einer Verschlechterung der Leistung, z.B. in Windturbinenblättern und Stromleitungen, und zu ernsthaften Sicherheitsgefahren, z.B. in der Luftfahrt, führen. Die flexiblen superhydrophoben Materialien wurden entworfen, um die Energie der ankommenden Tröpfchen zu absorbieren und die Tröpfchenmobilität zu erhöhen, indem sie die absorbierte Energie in einer späteren Zeit freisetzen. Das Design wurde zur Vereinfachung mit hochviskosen Tröpfchen (nachgeahmte unterkühlte Wasserviskosität) wie Glycerin und Honig optimiert, die nicht von starren superhydrophoben Oberflächen abprallen und mit Wassertröpfchen bei unterkühlten Temperaturen getestet. Die partielle Erstarrung der unterkühlten Tröpfchen in Gegenwart von Keimbildner auf der Oberfläche behinderte die Verfestigungstropfen nicht daran, von der Oberfläche abzuprallen und führte daher einen passiven Mechanismus zum Abscheiden von Eiswassergemischen ein. Die Ergebnisse dieser Untersuchung wurden mit entsprechender Modellierung untermauert. Unter Bezugnahme auf die berührungslose Tröpfchenmanipulation hat sich gezeigt, dass die Akustophorese eine planare Bewegung von festen Partikeln und flüssigen Tröpfchen mit einer absichtlich entworfenen räumlichen und zeitlichen Regulierung des akustischen Feldes bewirken kann. Daher besteht das Potential, dass einzelne von mehreren Mikroliter Tröpfchen können bewegt und gemischt werden, während eine Kontamination oder Verlust von Reagenzien durch die Container Wände vermieden werden. Diese Merkmale machen die Anwendung der Akustophorese in der Chemie, im Ingenieurwesen und in der Biologie vielversprechend. In dieser Arbeit wird, auf biologischen Anwendungen abgestummen, ein akoutophoretisches Konzept präsentiert, das in der Lage ist, die Suspension von lebenden Zellen und DNA-Plasmiden in einer kontrollierten Umgebung zu manipulieren und sie in Gewebekulturplatten auszustoßen. Die Zellüberlebensfähigkeit während des Verfahrens wird durch die Erkennung von Störungen in den neuronalen Differenzierungswegen eines Zellmodells, die für geringe Toxizitätswerte empfindlich sind, beurteilt. Die kontaktlose DNA-Transfektion einzelner oder doppelter Plasmide erfolgt im akustophoretischen Aufbau und wird mit containerbasierten Methoden verglichen, um ihre Fähigkeiten zu demonstrieren.