ضعف مستحلب الجيل باستخدام Polydimethylsiloxane (PDMS) المشارك المحوري تدفق التركيز الأجهزة
ديسمبر 25, 2015
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.
الهدف العام من هذا الإجراء هو بناء واختبار جهاز موائع دقيقة بولي ثنائي ميثيل سوبوكسان يستخدم تركيز التدفق المحوري لتوليد مستحلبات مزدوجة. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في الكيمياء وعلم الأحياء التي تتطلب فحصا عالي الإنتاجية ، مثل التطور الموجه للإنزيمات وتحديد الأنماط الظاهرية النادرة. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنها تمكن من الإنتاج السريع لمولدات المستحلب المزدوج باستخدام تصنيع الطباعة الحجرية الناعمة بدون معالجات سطحية متخصصة.
للبدء في تصميم هياكل الموائع الدقيقة لتصنيع طبقتين. باستخدام برنامج AutoCAD ، قم بطباعة التصميمات على فيلم لوحة الدوائر بدقة 10 ميكرون كما هو موضح في المرجع الموضح هنا. ضع ملليلترا إلى ملليلترين من SU 8 30 35 في وسط رقاقة سيليكون بقطر ثلاثة بوصات تم تنظيفها مسبقا على جهاز تدوين وقم بتثبيتها على الظرف.
قم بالدوران لمدة 20 ثانية بسرعة 500 دورة في الدقيقة متبوعا ب 30 ثانية بسرعة 2000 دورة في الدقيقة. اترك الرقاقة تبرد إلى درجة حرارة الغرفة قبل الانتقال إلى الخطوة التالية.
الآن قم بتعريض الرقاقة المطلية للقناع للطبقة الأولى تحت ضوء LED مرتب لمدة 90 ثانية. بعد التعرض ، ضع الرقاقة مرة أخرى على اللوح الساخن 135 درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة. بمجرد أن يبرد ، ضع ملليلترا إلى ملليلترين من SUH 2050 في وسط الرقاقة.
ضع الرقاقة مرة أخرى على مبرمج الدوران وقم بالتدوير لمدة 20 ثانية بسرعة 500 دورة في الدقيقة. ثم قم بالدوران لمدة 30 ثانية بسرعة 1,375 دورة في الدقيقة. عندما يتوقف مبرمج الدوران عن الدوران ، قم بإزالة الرقاقة وضعها مرة أخرى على لوح تسخين 135 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
ثم قم بتبريد الرقاقة مرة أخرى إلى درجة حرارة الغرفة قبل الانتقال إلى الخطوة التالية. قم بمحاذاة قناع الطبقة الثانية على الهندسة التي تم تصميمها في الخطوات السابقة ، وقم بتعريض الرقاقة المطلية للأشعة فوق البنفسجية مرة أخرى لمدة ثلاث دقائق بعد التعرض ، ضع الرقاقة على لوح تسخين 135 درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة. بمجرد أن تبرد ، طورت الأقنعة عن طريق غمر الرقاقة في حمام مقلوب من البروبيلين جلايكول ، أسيتات أحادي ميثيل الأثير.
بعد 30 دقيقة في الحمام ، قم بإزالة الرقاقة واغسلها في الأيزوبروبانول. بعد ذلك ، اخبزي الرقاقة على طبق ساخن 135 درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة. قم بتبريد الرقاقة ، ثم ضع السيد المتطور في طبق بتري 100 ملم.
قم بإعداد مجموعة من PDMS عن طريق الجمع بين 50 جراما من قاعدة السيليكون مع خمسة جرامات من عامل المعالجة في كوب بلاستيكي. استخدم أداة دوارة مزودة بعصا تحريك لخلط المكونات ثم قم بتفريغ الخليط داخل مادة مجففة لمدة 30 دقيقة أو حتى تتم إزالة جميع فقاعات الهواء. بعد ذلك ، اسكب PDMS فوق السيد بسمك ثلاثة ملليمترات.
ثم ضع طبق بتري في المجفف لمزيد من التفريغ. بمجرد إزالة جميع الفقاعات ، اخبز الجهاز على حرارة 60 درجة مئوية لمدة ساعتين. قم بقص جهاز PDMS من القالب باستخدام مشرط وضعه على سطح نظيف بحيث يكون جانب النمط متجها لأعلى.
ثم قم بقص PDMS إلى نصفين بشفرة حلاقة لفصل جانبي الجهاز على القطعة التي تحتوي على هندسة معالجة السوائل 50 ميكرومتر مطبوعة بواسطة Master One. قم بثقب مداخل ومخارج السوائل باستخدام ثقب خزعة 0.75 ملم. بعد ذلك ، ضع قطع PDMS بجوانبها المزخرفة لأعلى في بلازما غرفة البلازما.
عالج الجهاز ببلازما الأكسجين عند مللي بار واحد لمدة 60 ثانية في منظف بلازما 300 واط. ثم قم بإزالة العينات وبلل سطح قطعة PDMS غير المروية بقطرة من ماء DI لتكون بمثابة مادة تشحيم مؤقتة أثناء عرض الجهاز من خلال مجهر استريو. ضع الأسطح المعالجة بالبلازما معا وحرك الأسطح حتى يتم تحقيق قفل ميكانيكي.
عندما تتزاوج الإطارات المريحة والإطارات البارزة ، بمجرد تجميعها ، ضع الجهاز في فرن 60 درجة مئوية واخبزه لمدة يومين لتبخر الماء وإكمال الترابط. ثم قم بتثبيت الجهاز المجمع على شريحة زجاجية باستخدام عدة قطرات من PDMS غير المعالج ، واخبز الهيكل في فرن 60 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة. لعلاج مكان PDMS ، فإن رقاقة الموائع الدقيقة على مسرح المجهر المقلوب إلى جانب كاميرا رقمية قادرة على سرعات مصراع لا تقل عن 100 ميكروثانية.
بعد ذلك ، قم بتركيب ثلاث محاقن سعة 10 مليلتر على مضخات الحقن وقم بتوصيل 27 إبرة قياس لكل منها. قم بتوصيل حوالي 30 سم من أنبوبين من البولي إيثيلين بكل إبر وأدخل الأطراف السائبة للأنابيب في الثقوب المثقوبة المناسبة في الجهاز. ثم أدخل طولا 10 سم من PE اثنين في منفذ خروج الجهاز وضع الطرف الآخر في حاوية جمع النفايات.
بمجرد الإعداد ، قم بتجهيز الجهاز عن طريق تشغيل مضخات الحقنة بمعدلات عالية من السرعة. أوقف المضخات. بمجرد وصول السائل الموجود في أجزاء الأنابيب إلى منافذ مدخل الجهاز ، ركز المجهر على منطقة الرقاقة التي تحتوي على فتحة 50 × 50 ميكرومتر واضبط الإطار بحيث يتضمن قناة الخروج النهائية.
اضبط مضخات الحقنة لتوصيل السائل إلى مولد المستحلب المزدوج بمعدل تدفق 250 ميكرولتر في الساعة للمرحلة الداخلية ، و 100 ميكرولتر في الساعة للمرحلة الوسطى و 700 ميكرولتر في الساعة. للمرحلة المستمرة. انتظر 10 دقائق حتى يتوازن النظام.
بعد ذلك ، قم بزيادة معدل تدفق المرحلة الخارجية إلى 1050 ميكرولتر في الساعة. انتظر من ثلاث إلى خمس دقائق إضافية حتى يستقر توليد المستحلبات المزدوجة في ظل هذه المجموعة من ظروف التدفق. بمجرد الاستقرار ، احصل على خمس ثوان من صور الفيديو بمعدل 30 هرتز.
احفظ مقاطع الفيديو للمعالجة في وضع عدم الاتصال عبر التحليل اليدوي للصور. كرر هذه العملية مع تغيير معدل تدفق المرحلة الخارجية باستخدام القيم الموجودة في الجدول الأول من بروتوكول النص المصاحب. الحفاظ على معدلات المرحلتين الداخلية والوسطى.
خلال هذه العملية ، تم اختبار جهاز المستحلب المزدوج في مجموعة متنوعة من ظروف التدفق. لإثبات تكوين مستحلبات مزدوجة أحادية مشتتة متنوعة الحجم ، تظهر نسبة المرحلة المستمرة إلى مجموع الطور الداخلي والأوسط فوق كل صورة. تظهر الرسوم البيانية لأقطار القطرات لنسب تدفق محددة التوحيد النسبي في حجم القطرات المتولدة.
تنتج المستحلبات المزدوجة الناتجة تباينا في معامل القطر بمتوسط 5.2٪ يظهر الجهاز القدرة على تكوين مستحلبات مزدوجة أصغر بكثير من عرض الفتحة ، ويظهر اتجاها تنازلي واضحا مع زيادة نسب التدفق. في أعلى تدفق للطور الناقل تم اختباره ، تم تشكيل مستحلبات مزدوجة 14 ميكرومتر باستخدام فتحة 50 × 50 ميكرومتر بعد تطويرها. تمهد هذه التقنية الطريق للمحققين الكيميائيين والبيولوجيين لإجراء تجارب الموائع الدقيقة للقطرات المتوافقة مع منصات الكشف عن قياس التدفق الخلوي القياسية.
بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تصنيع واختبار مولدات المستحلب المزدوجة ذات الموائع الدقيقة التي تستخدم جميع تقنيات بناء PDMS البسيطة.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تصف هذه المقالة تصنيع واختبار جهاز ميكروفلويديك مصنوع كليًا من البوليديميثيل سيلوكسان (PDMS) والمصمّم لتوليد مستحلبات مزدوجة. يستخدم الجهاز تركيز التدفق المحورية ويبسط عملية الإنتاج عن طريق إلغاء الحاجة إلى معالجات سطح متخصصة.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- الميكروفلويديك
- توليد المستحلبات
- الطباعة الحجرية الناعمة
الخلفية
- المستحلبات المزدوجة مهمة في العديد من التطبيقات في الكيمياء والبيولوجيا.
- تتطلب الطرق التقليدية غالبًا تقنيات تصنيع معقدة ومعالجات سطح.
- استخدام PDMS يسمح بإنتاج الجهاز بسهولة وكفاءة أكبر.
- تركيز التدفق المحورية هو تقنية رئيسية لتوليد المستحلبات المزدوجة.
هدف الدراسة
- تطوير طريقة مبسطة لإنتاج المستحلبات المزدوجة.
- تسهيل الفحص عالي الإنتاجية في التطبيقات البيوكيميائية.
- تمكين التطور الموجه للأنزيمات وتحديد الأنماط الفينومية النادرة.
الطرق المستخدمة
- تصميم هياكل ميكروفلويديك باستخدام برنامج AutoCAD.
- طباعة التصاميم على فيلم لوحة الدوائر بدقة عالية.
- تطبيق مقاومة SU-8 الضوئية على أقراص السيليكون لتصنيع الجهاز.
- اختبار أداء مولد المستحلبات المزدوجة PDMS.
النتائج الرئيسية
- نجح جهاز PDMS في توليد مستحلبات مزدوجة تصل إلى 14 ميكرومتر.
- تم تبسيط عملية التصنيع مقارنة بالطرق التقليدية.
- أظهر الجهاز إمكانية التطبيقات عالية الإنتاجية.
- تشير النتائج إلى فعاليته في إنتاج مستحلبات مزدوجة مستقرة.
الاستنتاجات
- جهاز المستحلبات المزدوجة PDMS كليًا هو بديل قابل للتطبيق للجهاز المعقد.
- يمكن لهذه الطريقة تعزيز قدرات البحث في الكيمياء والبيولوجيا بشكل كبير.
- قد تشمل التطبيقات المستقبلية تطور الأنزيمات وتحديد الأنماط الفينومية النادرة.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
This PDMS microfluidic device enables rapid, high-throughput generation of uniform double emulsions for biochemical screening applications. By eliminating complex fabrication and surface treatments, it supports scalable workflows in enzyme evolution and rare phenotype identification. The technology enhances predictive confidence in early discovery by providing reproducible, droplet-based assay systems compatible with flow cytometry detection.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through controlled microenvironment generation for enzyme screening.
- Operational Value: Supports ultra-high throughput screening by producing monodisperse double emulsions at defined flow rates.
- Predictive Value: Facilitates lead identification by allowing screening of rare phenotypes in isolated aqueous compartments.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates standardized double emulsions from 14 µm to 50 µm for consistent biochemical reactions.
- Reproducibility: Demonstrates low coefficient of variation (5.2%) in droplet size across flow conditions.
- Platform Compatibility: Produces emulsions suitable for downstream analysis via standard flow cytometry platforms.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Enables screening workflows that bridge target validation to preclinical candidate evaluation.
- Mechanistic De-risking: Allows functional assessment of enzyme variants in confined aqueous phases to reduce false positives.
- Scalability: Uses robust, large channels resistant to fouling for sustained screening campaigns.
Pipeline & Workflow Integration
The device fits within the discovery continuum from target validation through lead identification, supporting assay development and screening readiness.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by enabling compartmentalized biochemical reactions in double emulsions.
- Screening: Provides assay-ready droplet generation with quantitative size control for compound or variant evaluation.
- Analytics: Yields measurable outputs (droplet diameter, uniformity) for comparing screening conditions.
- Translational Research: Connects early screening hits to preclinical validation through standardized emulsion-based assays.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable microfluidic platform adaptable to various screening targets without re-fabrication.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation through reproducible microenvironment control.
- Operational Value: Enables standardization and scalability of emulsion-based assays across projects.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing biological false hits in high-throughput screens.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of enzyme variants or chemical leads based on screening fidelity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic design and soft lithography fabrication.
- Depends on access to plasma bonding equipment and precision syringe pumps.
- Necessitates standardization of fluidic connections and tubing across teams.
- Adaptation to different viscosities or surfactants may require flow rate re-optimization.
- Practical limitation: Device performance depends on precise flow rate control and orifice alignment.
