Formation of hydrogel aqueous-core capsules via the fragmentation of a compound complex fluid jet
Formation de capsules d'hydrogel à coeur aqueux par fragmentation d'un jet composé de fluides complexes
Résumé
The purpose of this work is to understand physical mechanisms that control the formation of aqueous-Core submillimetric capsules with a thin hydrogel membrane. This comprehension will allow a better control of the process. Compound drops are first formed in the air by the break-Up of a cylindrical jet composed of an aqueous core surrounded by an alginate solution. The shell is then solidified after immersion in a gelling calcium solution. The study of the co-Flow inside the injector showed the existence of an elastic instability which is amplified in the presence of cations, due to the polyelectrolyte property of alginate. We showed that this instability causes the flapping of the compound jet out of the injector. The instability induces a displacement of the core fluid position which leads to an asymmetric velocity relaxation that creates a torque and finally bends the jet. We produced curved jets with a beveled capillary to demonstrate this effect. The jet break-Up is controlled by a harmonic perturbation of the injection flow rates. We measured a decrease of the wave speed on the jet surface which is controlled by the surface tension. The alginate solution high viscosity causes an amplification of speed fluctuations that induces coalescence inside the jet. This amplification is enhanced by the addition of surfactants which create a dynamic surface tension at the jet interface. Finally, we managed to produce submillimetric and monodisperse capsules with a thin membrane, an encapsulation yield above 99% and a size that we can tune. These capsules can be used in biotechnology applications as a new tool for cell culture.
Cette thèse a pour objectif de comprendre les mécanismes physiques régissant la formation de capsules submillimétriques à coeur aqueux possédant une membrane fine d'hydrogel et ainsi de mieux maitriser ce procédé. Des bigouttes sont d'abord formées dans l'air par fragmentation d'un jet cylindrique composé d'un coeur aqueux enveloppé par une solution d'alginate. La coque est ensuite gélifiée après immersion dans une solution de calcium. L'étude du co-Écoulement au sein de l'injecteur a montré l'existence d'une instabilité élastique qui est amplifiée en présence de cations, du fait du caractère polyélectrolyte de l'alginate. Nous avons montré que cette instabilité était à l'origine d'un battement du jet composé en sortie d'extrusion. En provoquant un décentrage du coeur, l'instabilité induit une relaxation asymétrique du profil de vitesse, ce qui crée un couple qui courbe le jet. Nous avons mis en évidence cet effet en produisant des jets courbés à partir d'une pointe biseautée. La fragmentation du jet est ensuite contrôlée par une perturbation harmonique des débits d'injection. Nous observons une décroissance de la vitesse d'onde à la surface du jet pilotée par la tension de surface. La viscosité élevée des solutions d'alginate entraine une amplification de fluctuations de cette vitesse donnant lieu à des coalescences au sein du jet. L'ajout de tensioactifs peut exacerber cet effet en induisant une tension de surface dynamique à la surface du jet. Finalement, nous parvenons à produire des capsules submillimétriques de taille contrôlée, monodisperses, possédant une membrane fine, avec un taux d'encapsulation supérieur à 99%. Ces capsules trouvent des applications dans le domaine des biotechnologies comme nouvel outil pour la culture cellulaire.
Origine : Version validée par le jury (STAR)