مقالة منهجية

ضعف مستحلب الجيل باستخدام Polydimethylsiloxane (PDMS) المشارك المحوري تدفق التركيز الأجهزة

DOI:

10.3791/53516

⸱

ديسمبر 25, 2015

 ,  , 
1Department of Pharmaceutical Chemistry, University of California, San Francisco, 2Joint UCSF/UCB Bioengineering Graduate Group, University of California, San Francisco, 3Department of Bioengineering and Therapeutic Sciences, University of California, San Francisco, 4California Institute for Quantitative Biosciences, University of California, San Francisco

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
عادة ما يتضمن توليد المستحلبات المزدوجة الموائع الدقيقة

أجهزة ذات قابلية للبلل أو مكونات زجاجية مصنوعة حسب الطلب. نصف هنا تصنيع واختبار مولد مستحلب مزدوج متعدد ميثيل سيلوكسان (PDMS) لا يتطلب معالجة سطحية أو عمليات تصنيع معقدة ، وهو قادر على إنتاج مستحلبات مزدوجة تصل إلى 14 ميكرومتر.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
تعتبر المستحلبات المزدوجة

مفيدة في عدد من التطبيقات البيولوجية والصناعية التي من المهم فيها أن يكون لديك سائل ناقل مائي. تقدم هذه الورقة جهازا متعدد ميثيل سيلوكسان (PDMS) قادرا على توليد مستحلبات مزدوجة للماء / الزيت / الماء باستخدام هندسة تركيز التدفق المحوري التي يمكن تصنيعها بالكامل باستخدام الطباعة الحجرية الناعمة. على غرار أجهزة المستحلب التي تستخدم الشعيرات الدموية الزجاجية ، يمكن تشكيل المستحلبات المزدوجة في قنوات ذات قابلية تبلل موحدة وبأبعاد أصغر بكثير من أحجام القنوات. يتم تحقيق هندسة تركيز التدفق ثلاثي الأبعاد عن طريق صب زوج من ألواح PDMS باستخدام الطباعة الحجرية الناعمة من طبقتين ، ثم تزاوج الألواح معا في تكوين صدفي. تتيح ميزات القفل التكميلية المصبوبة في ألواح PDMS التسجيل الدقيق للميزات على كل سطح من أسطح الألواح. يوضح اختبار الجهاز تكوين مستحلبات مزدوجة يتراوح قطرها من 14 ميكرومتر إلى 50 ميكرومتر أثناء استخدام قنوات كبيرة قوية ضد القاذورات والانسداد.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تتكون المستحلبات مزدوجة من قطرات فصل من مرحلة الناقل عن طريق وسيطة، طبقة السوائل إمتزاج، وذات أهمية خاصة نظرا للاستخدامات المحتملة في الصناعية والأدوية، والتطبيقات البيولوجية 1. في بعض الحالات، والقدرة على تغليف مركبات ذات القيمة العالية في جوهر مستحلب مزدوج لتتيح المواد المراد حمايتها وأفرج عنه في الطريقة التي تسيطر عليها. على سبيل المثال، قد تكون مغلفة المخدرات في ظل ظروف الذوبان يست مناسبة للالسائل الناقل الخارجي 2. بالإضافة إلى ذلك، فإن الطبقة المتوسطة النفط يمكن أن تستخدم كنموذج كبسولة للتغليف وتسليم الأدوية ومستحضرات التجميل، والمواد الغذائية 3. في علم الأحياء، والمستحلبات مزدوجة هي مفيدة أيضا في ارتفاع الفرز الإنتاجية لأنها تسمح لعدد هائل من التجارب نانولتر الفرعي التي يتعين الاضطلاع بها، ثم الكشف عن وفرزها باستخدام الخلايا مضان تنشيط الفرز (FACS) أداة 4،5.

والأنف والحنجرة "> تصميم المستحلبات مزدوجة مع خصائص الأداء المطلوب يتطلب مراقبة دقيقة من ضعف حجم مستحلب، وتكوينها، والتوحيد. وعلى الرغم من عمليات استحلاب السائبة، مثل استحلاب الغشاء، وتستخدم في الصناعة، والمستحلبات الناتجة polydisperse للغاية، التي تتسم مجموعة واسعة من الخصائص الفنية 1. إن مجال قطيرة على microfluidics يناسب بشكل طبيعي توليد المستحلبات monodisperse مع تكوين تسيطر عليها بعناية 6. وقد حقق الجيل مستحلب مزدوجة ميكروفلويديك مع اثنين من الاستراتيجيات الرئيسية، وصنع انخفاض متسلسل والزجاج تدفق شعري التركيز. مستحلبات مزدوجة يمكن أن تتولد في الأجهزة PDMS مستو باستخدام قطرة من خطوتين عملية صنع أولا، يتم إنشاء المستحلبات مائي في الزيت باستخدام الماء في الزيت المنطقة من جهاز بجدران قناة مسعور صنع الهبوط. وبعد ذلك، يمكن للمستحلب يكون تدفقت أو إعادة حقنه في منطقة صنع انخفاض مع الجدران ماء مناسبة عن النفط في المياه4 اتخاذ الهبوط. ومع ذلك، والمعالجة السطحية للماء من إيضاحية يتطلب خطوة إضافية تلفيق وغالبا ما تكون مؤقتة 7. الأسلوب الأكثر السيطرة عليها وتكرار لتشكيل المستحلبات المزدوجة هو من خلال التركيز تدفق محوري المشترك، رائدة تقنية تستخدم على microfluidics الزجاج الشعرية، حيث يتم المنفصمة طائرة متحدة المركز التي تحتوي على المراحل الثلاث من خلال فتحة صغيرة لإنتاج قطرات monodisperse 8. هذا الأسلوب يسمح لإنتاج قطرات أصغر بكثير من أبعاد القناة، مع حجم الدقيق وتكوين مستحلب مزدوجة كونه وظيفة من معدلات تدفق كل مرحلة. الفرق كبير بين قطرة وحجم القناة واقية تدفق غمد الخارجي يمنع قطرات من الاتصال جدران القناة، مما يجعل المعالجة السطحية غير ضروري. ومع ذلك، فإن هذه الأجهزة الزجاج تتطلب تصنيع العرف من النصائح الشعرية مدبب، جنبا إلى جنب مع الجمعية الدقيق والختم. وقد استخدم المحققون السابق 3D يثو لينةgraphy لتوليد المستحلبات مزدوجة باستخدام تدفق التركيز الفيزياء، ولكن هذه الأجهزة تنتج المستحلبات بأقطار> 150 ميكرون 9،10، ما يقرب من أمر من حجم أكبر من الكائنات فرزها عادة مع FACS. سيكون بديلا جذابا تشمل وظائف قوية وتوليد قطرات صغيرة من الزجاج الشعرية تدفق محوري التركيز مع سهولة تصنيع PDMS الطباعة الحجرية الناعمة.

في هذه الورقة، ونحن تصف مولد مستحلب مزدوج يستخدم المشارك محوري تدفق التركيز على إنتاج ≤ 50 ميكرون المستحلبات والتي شيدت تماما باستخدام 3D لينة الطباعة الحجرية 11. يستخدم الجهاز لدينا نهج صدفي لصنع الأجهزة التي تضم قناة القص الصغيرة (الشكل 1) لتقريب عمليات تشكيل مستحلب في فوهة الزجاج الشعرية سحبت. الأهم من ذلك، وهذه الأجهزة لا تحتاج إلى المعالجة السطحية محددة، ويوفر بناء كل البوليمر سهلة وقابلة للتكرار تلفيق الشوريalable لعدد كبير من الأجهزة مكررة. هنا، ونحن الخطوط العريضة لتصميم وتصنيع واختبار مولد مستحلب مزدوجة. يظهر جيل مستحلب مزدوجة أن تكون قوية وقابلة للتكرار وصولا الى أقطار قطرة من 14 ميكرون. اقتران الوظائف مع سهولة تلفيق يجعل هذا الجهاز خيارا جذابا لتطوير تطبيقات مستحلب مزدوجة جديدة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. SU8 تصنيع ماستر

  1. تصميم الهياكل ميكروفلويديك لمدة تلفيق طبقة باستخدام برنامج أوتوكاد ولها التصميمات المطبوعة من قبل بائع على الفيلم لوحات الدارات الكهربائية مع 10 ميكرون القرار. وبالنظر إلى تفاصيل تصميم الجهاز في اشارة المرفقة 11 وترد في هندستها القناة في الشكل 1. وينبغي أن تشمل طبقات علامات المحاذاة للمساعدة في رصف الميزات من كل طبقة تلفيق 12.
  2. وضع 3 بوصة قطرها رقاقة السيليكون تنظيفها مسبقا على المغطي تدور وبدوره على فراغ ليضعوا لها تشوك. تطبيق 1 مل من SU8-3035 في وسط الرقاقة وتدور لمدة 20 ثانية في 500 دورة في الدقيقة، ثم 30 ثانية في 2000 دورة في الدقيقة، وتوفير سمك طبقة من 50 ميكرون.
  3. إزالة الرقاقة وتخبز على 135 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة موقد. تسمح الرقاقة لتبريد لRT قبل الانتقال إلى الخطوة التالية.
  4. فضح رقاقة المغلفة إلى 1 شارع قناع طبقة (الشكل 2A ) تحت موازى 190 ميغاواط، 365 نانومتر الصمام لمدة 90 ثانية. بعد التعرض، ووضع رقاقة على 135 ° C موقد لمدة 1 دقيقة، ثم بارد لRT قبل الانتقال إلى الخطوة التالية.
  5. وضع رقاقة على المغطي تدور وبدوره على فراغ ليضعوا لها تشوك. تطبيق 1 مل من SU8-2050 في وسط الرقاقة وتدور لمدة 20 ثانية في 500 دورة في الدقيقة، ثم 30 ثانية في 1375 دورة في الدقيقة، مما أدى إلى الطبقة التي توفر سمك إضافي من 135 ميكرون.
  6. إزالة الرقاقة وتخبز على 135 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة موقد، ثم بارد لRT قبل الانتقال إلى الخطوة التالية.
  7. محاذاة الثانية 2 قناع طبقة (الشكل 2B) على نمط الهندسة في 1.3 وفضح رقاقة المغلفة إلى موازى 190 ميغاواط، 365 نانومتر الصمام لمدة 3 دقائق. بعد التعرض، ووضع على 135 ° C موقد لمدة 1 دقيقة، ثم بارد لRT قبل الانتقال إلى الخطوة التالية.
  8. تطوير الأقنعة عن طريق غمر في حمام أثار من البروبيلين جليكول ايثر monomethyl خلات لمدة 30 دقيقة. غسل رقاقةفي الأيزوبروبانول وتخبز على 135 درجة مئوية موقد لمدة 1 دقيقة. وضع سيد وضعت في 100 مم طبق بتري لPDMS الصب.

2. PDMS تصنيع جهاز

  1. إعداد 10: 1 PDMS من خلال الجمع بين 50 غرام من قاعدة السيليكون مع 5 غرام من وكيل علاج في كوب من البلاستيك. خلط المحتويات مع أداة دوارة مزودة عصا ضجة. ديغا الخليط داخل المجفف لمدة 30 دقيقة، أو حتى يتم إزالة جميع فقاعات الهواء.
  2. صب PDMS لإعطاء سماكة 3 ملم على الماجستير ووضع مرة أخرى في المجفف لمزيد من التفريغ. حالما تتم إزالة جميع فقاعات، خبز الجهاز على 60 درجة مئوية لمدة 2 ساعة.
  3. قطع الجهاز من العفن باستخدام مشرط ومكان على سطح نظيف مع الجانب منقوشة فوق. قطع قالب PDMS في النصف بشفرة حلاقة لفصل ماستر 1 من ماستر 2 (الشكل 3A). على قطعة تحتوي على التعامل مع الهندسة 50 ميكرون السائل مطبوع بواسطة ماستر 1، لكمة مداخل ومنافذ الموائعية مع 0.75 مم لكمة الخزعة.
  4. البلازما علاج الأجهزة في 1 ملي بار O 2 البلازما لمدة 60 ثانية في 300 W البلازما نظافة. الرطب سطح قطعة unpunched من PDMS مع قطرة ماء DI إلى تؤخر مؤقتا PDMS-PDMS الترابط وتكون بمثابة مواد التشحيم. أثناء عرض من خلال المجهر ستيريو، مكان ماستر 1 ماستر 2 على السطح، وحرك السطوح نسبيا حتى يتم التوصل إلى القفل الميكانيكي عندما الأطر راحة وجاحظ الإطارات في الشكل 3A زميله.
  5. ضع الجهاز في C الفرن 60 درجة وتخبز الجهاز تجميعها (الشكل 3B) لمدة يومين في 60 ° C لتتبخر المياه والترابط الكامل.

3. إعداد الكواشف

  1. ملء حقنة 1 مل مع الماء المقطر للمرحلة الداخلية.
  2. ملء حقنة 1 مل مع HFE 7500 النفط المفلورة مع 1 بالوزن. ٪ السطحي حيويا السطحي 13 للمرحلة المتوسطة.
  3. ملء 10 مل المحاقن مع 10 بالوزن. ٪ البالبريد غليكول (PEG) في محلول مائي يحتوي على 1 بالوزن. ٪ توين 20 و 1 بالوزن. ٪ من الصوديوم دوديسيل كبريتات للمرحلة مستمرة.

4. نظام إعداد

  1. وضع رقاقة ميكروفلويديك على مرحلة مجهر مقلوب إلى جانب وجود كاميرا رقمية قادرة على <100 μsec سرعات مصراع.
  2. تحميل كافة الحقن على مضخات المحاقن والإبر G 27 نعلق. نعلق ~ 30 سم أطوال PE-2 الأنابيب على الإبر وإدراج المغفلة في ملائما لكمات الثقوب في الجهاز.
  3. إدراج طول 10 سم من PE-2 في منفذ خروج من الجهاز ووضع الطرف الآخر في حاويات خاصة لجمع النفايات.
  4. رئيس الجهاز عن طريق تشغيل مضخات حقنة في ارتفاع معدلات سرعات (2000 ميكرولتر / دقيقة) حتى السوائل في قطاعات أنابيب تصل إلى الموانئ مدخل الجهاز.

5. مستحلب الجيل

  1. تركيز المجهر على المنطقة التي تحتوي على 50 ميكرومتر × 50 ميكرون فوهة وقناة الخروج المصب.
  2. تعيين مضخات حقنة لتقديم السائل إلى مولد مستحلب مزدوجة في معدلات تدفق 250 ميكرولتر / ساعة للمرحلة الداخلية، و 100 ميكرولتر / ساعة للمرحلة المتوسطة، و 700 ميكرولتر / ساعة للمرحلة مستمرة وانتظر 10 دقيقة لموازنة.
  3. الحفاظ على معدلات تدفق من مراحل الداخلية والوسطى في 250 ميكرولتر / ساعة و 100 ميكرولتر / ساعة، على التوالي. ضبط معدل تدفق مرحلة الخارجي في 1050 ميكرولتر / ساعة. الانتظار 3-5 دقائق لتوليد المستحلبات المزدوج لتحقيق الاستقرار في ظل هذه مجموعة من الشروط التدفق.
  4. الحصول على 5 ثانية من صور الفيديو في 30 هرتز لمعالجة متواجد حاليا عبر اليدوي تحليل الصور.
  5. كرر 5.3 و 5.4 مع معدلات التدفق الواردة في الجدول 1. وتعقد معدلات تدفق المرحلة الداخلية والوسطى مستمر وتختلف معدل التدفق مرحلة الناقل عن طريق تعديل وضع ضخ حقنة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتكون المولد مستحلب مزدوجة من تدفق يركز الجهاز المشارك المحورية التي تم إنشاؤها باستخدام 3D PDMS تلفيق (الشكل 1A). تمكن الهندسة التي تشكيل ثلاث مراحل المشارك المحوري طائرة لتكون المنفصمة في مربع، 50 ميكرون × 50 ميكرون فوهة، والسماح للتشكيل من الثلج / النفط / المياه المستحلبات مزدوجة (1B الشكل، الشكل 1C). يتم إحضارها المرحلة المائية الداخلية والمرحلة المتوسطة النفط معا في مفترق طرق مع أبعاد قناة من ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم تصميم مزدوجة هندسة توليد مستحلب الموصوفة هنا لتقليد فيزياء الأجهزة الزجاج الشعرية 8. في هذه، يتم استخدام الزجاج الشعيرات الدموية أسطواني الانحياز لإنشاء طائرة المحورية ثلاث مراحل التي المنفصمة إلى موحدة قطرات مستحلب مزدوجة. وظيفة جهاز 3D PDMS لدينا تعتمد على محاذاة المركزية من الميزات الصغيرة شكلت مع 50 ميكرون تلفيق طويل القامة مع قنوات مرحلة الناقل التي هي 320 ميكرون في إجمالي الارتفاع. هناك إمكانية كبيرة للmisaligning الميزات أطول منقوشة بواسطة قناع الطبقة الث...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وأيد هذا العمل من قبل على جائزة بحوث من معهد كاليفورنيا للالكمي العلوم البيولوجية (QB3)، وسد جائزة الفجوة من مؤسسة أسرة روجرز، و/ برنامج مؤسسة ساندلر UCSF لاختراق بحوث الطبية الحيوية، منحة من BASF، وجبهة الخلاص الوطني من خلال كلية المبكر التطوير المهني (الوظيفي) برنامج (DBI-1253293).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
PhotomasksCadArt Servcies
3 "رقائق السيليكون ، نوع P ، درجة الاختبار البكررقائق الجامعة447
SU-8 3035MicrochemY311074
SU-8 2050MicrochemY111072
Sylgard 184 مجموعة مطاط أسطوانة السيليكونKrayden4019862
1 مل محاقنBD309628
10 مل محاقنBD309604
27 إبر قياسBD305109
PE 2 أنابيب البولي إيثيلينScientific Commodities، Inc.B31695-PE / 2
Novec 7500Fisher Scientific98-0212-2928-5المعروف باسم HFE 7500
الفاعل بالسطح القابل للتوافقالحيوي Ran Biotechnologies008-FluoroSurtuant
35,000 MW PEGSigma Aldrich1546660
Tween 20Sigma AldrichP1369
كبريتات دوديسيل الصوديوم  سيجما ألدريتشL3771

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Van Der Graaf, S., Schroën, C. G. P. H., Boom, R. M. Preparation of double emulsions by membrane emulsification - A review. J. Membrane Sci. 251 (1-2), 7-15 (2005).
  2. Laugel, C., Baillet, A. P., Youenang Piemi, M., Marty, J., Ferrier, D. Oil-water-oil multiple emulsions for prolonged delivery of hydrocortisone after topical application: comparison with simple emulsions. Int. J. Pharm. 160 (1), 109-117 (1998).
  3. Kim, S. H., Kim, J. W., Cho, J. C., Weitz, D. A. Double-emulsion drops with ultra-thin shells for capsule templates. Lab Chip. 11 (18), 3162-3166 (2011).
  4. Lim, S. W., Abate, A. R. Ultrahigh-throughput sorting of microfluidic drops with flow cytometry. Lab Chip. 13 (23), 4563-4572 (2013).
  5. Bernath, K., Hai, M., Mastrobattista, E., Griffiths, A. D., Magdassi, S., Tawfik, D. S. In vitro compartmentalization by double emulsions: sorting and gene enrichment by fluorescence activated cell sorting. Anal. Biochem. 325 (1), 151-157 (2004).
  6. Seemann, R., Brinkmann, M., Pfohl, T., Herminghaus, S. Droplet based microfluidics. Rep. Prog. Phys. 75 (1), 016601(2012).
  7. Bauer, W. A. C., Fischlechner, M., Abell, C., Huck, W. T. S. Hydrophilic PDMS microchannels for high-throughput formation of oil-in-water microdroplets and water-in-oil-in-water double emulsions. Lab Chip. 10 (14), 1814-1819 (2010).
  8. Utada, A. S., Lorenceau, E., Link, D. R., Kaplan, P. D., Stone, H. A., Weitz, D. A. Monodisperse double emulsions generated from a microcapillary device. Science. 308 (5721), 537-541 (2005).
  9. Chang, F. C., Su, Y. C. Controlled double emulsification utilizing 3D PDMS microchannels. J. Micromech. Microeng. 18 (6), 065018(2008).
  10. Romanowsky, M. B., Abate, A. R., Rotem, A., Holtze, C., Weitz, D. A. High throughput production of single core double emulsions in a parallelized microfluidic device. Lab Chip. 12 (4), 802-807 (2012).
  11. Tran, T. M., Cater, S., Abate, A. R. Coaxial flow focusing in poly(dimethylsiloxane) microfluidic devices. Biomicrofluidics. 8 (1), 016502(2014).
  12. Lithography. , Available from: https://www.memsnet.org/mems/processes/lithography.html (2015).
  13. O'Donovan, B., Eastburn, D. J., Abate, A. R. Electrode-free picoinjection of microfluidic drops. Lab Chip. 12 (20), 4029-4032 (2012).
  14. Chang, F. C., Lin, H. H., Su, Y. C. Controlled W/O/W double emulsification in 3-D PDMS micro-channels. 3rd IEEE Int. Conf. Nano/Micro Eng. Mol. Syst. NEMS, , 792-795 (2008).
  15. Romanowsky, M. B., Abate, A. R., Rotem, A., Holtze, C., Weitz, D. A. High throughput production of single core double emulsions in a parallelized microfluidic device. Lab Chip. 12 (4), 802(2012).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

PDMS

مقالات ذات صلة