微流控双乳液的生成通常涉及具有图案化润湿性的装置或定制制造的玻璃部件。本文介绍了一种全聚二甲基硅氧烷（PDMS）双乳液发生器的制备与测试方法，该发生器无需表面处理或复杂的制造工艺，能够生成低至14 µm的双乳液。
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本文内容
摘要
摘要
双重乳液在多种生物和工业应用中具有重要作用，尤其适用于需要水相载体的场合。本文介绍了一种聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控装置，该装置采用同轴流聚焦结构，能够通过全软光刻技术制备，并生成水/油/水双重乳液。与使用玻璃毛细管的乳液装置类似，该装置可在具有均匀润湿性的微通道内形成双重乳液，且液滴尺寸远小于通道尺寸。三维流聚焦结构通过两层软光刻技术分别制备两块PDMS板，随后将两块板以蛤壳式结构对合而成。PDMS板上模制的互补锁合结构可实现各板表面特征的精确对准。装置测试结果表明，在使用抗污染和抗堵塞能力较强的大型通道时，可成功生成直径在14 µm至50 µm范围内的双重乳液。
引言
双重乳液由液滴组成，这些液滴通过一层中间不混溶流体与连续相分隔开来，因其在工业、制药和生物应用中的潜在用途而备受关注1。在某些情况下，能够在双重乳液核心中包封高价值化合物，使得材料得以保护并以可控方式释放。例如，药物可在不适合外部载体液体的溶解条件下被包封2。此外，中间油层可作为胶囊模板，用于药物、化妆品和营养物质的包封与递送3。在生物学领域，双重乳液还适用于高通量筛选，因为它们能够进行大量亚纳升级别的实验，并可通过荧光激活细胞分选仪（FACS）进行检测和分选4,5。
设计具有理想性能特征的双重乳液需要对双重乳液的尺寸、组成和均一性进行精确控制。尽管工业上使用膜乳化等批量乳化工艺，但所得乳液高度多分散，表现出广泛的功能特性1。液滴微流控领域天然适用于生成组分精确可控的单分散乳液6。微流控双重乳液的生成主要通过两种策略实现：逐级液滴生成和玻璃毛细管流动聚焦。可在平面PDMS器件中采用两步液滴生成工艺制备双重乳液。首先，在具有疏水通道壁的装置中，利用水包油液滴生成区域制备油包水乳液；随后，可将该乳液流动或重新注入具有亲水壁面、适用于油包水液滴生成的液滴生成区域4。然而，PDMS的亲水表面处理需要额外的加工步骤，且通常不具备持久性7。目前最可控且可重复的双重乳液制备方法是同轴流动聚焦技术，该技术最初由玻璃毛细....
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方案
1. SU8 模板制作
- 使用 AutoCAD 软件设计用于双层制作的微流控结构，并将设计图送至供应商以 10 µm 分辨率打印在电路板薄膜上。设备设计的详细信息见所附参考文献11 以及通道几何结构如图所示 图1各层应包含对准标记，以帮助对齐每层制造特征12.
- 将一片预先清洗过的直径3英寸的硅片放置在旋涂仪上，并打开真空使其固定在卡盘上。在硅片中心加入1 ml SU8-3035，先以500 rpm转速旋涂20秒，再以2,000 rpm转速旋涂30秒，形成厚度为50 µm的薄膜层。
- 取出晶圆，在135 °C的加热板上烘烤30分钟。待晶圆冷却至室温后再进行下一步操作。
- 将涂覆好的晶圆暴露于 1st 图层蒙版图2A在准直的190 mW、365 nm LED下照射90秒。曝光后，将晶圆置于135 °C的热板上1分钟，然后冷却至室温，再进行下一步操作。
- 将晶圆放置在旋涂仪上，打开真空使其固定在卡盘上。在晶圆中心加入1 ml SU8-2050，先以500 rpm转速旋涂20秒，再以1,375 rpm转速旋涂30秒，形成厚度增加135 µm的涂层层。
- 取出晶圆，在135 °C的加热板上烘烤30分钟，然后冷却至室温，再进行下一步操作。
- 对齐 2nd 图层....
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结果
双乳液发生器由使用3D PDMS制造技术制备的同轴流动聚焦装置组成（图1A）。该结构可使三相同轴射流被剪切进入一个50 µm × 50 µm的方形孔口，从而形成水/油/水双乳液（图1B、图1C）。内层水相与中间油相在通道尺寸为10 µm × 50 µm的交汇处汇合（图1D，点“1”）。由于PDMS具有疏水性，氟化油紧贴通道壁，而内相在流体以连续射流形式前进时保持在通道中心，直至到达突然扩张的通道区域（图1D，点“2”）。在此位置，内层两相被注入一个高320 µm的交汇区中心，使水相载流液能够相对同心地引入。三相随后被强制通过一个50 µm × 50 µm的孔口（图1D，点“3”），由于载流相的高流速，内层两相被剪切拉伸成细长的丝状结构，并断裂形成均一的液滴（图1E）。
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讨论
此处所述的双乳液生成结构旨在模拟玻璃毛细管装置的物理特性8. 在这些装置中，使用排列整齐的圆柱形玻璃毛细管产生三相同轴射流，并将其剪切形成均匀的双重乳液液滴。我们所用的3D PDMS装置的功能依赖于通过50 µm高度结构加工形成的微小特征的中心对准，以及总高度为320 µm的载流相通道。由2nd 步骤1.7中，若掩膜未准确对齐，则相对于50 µm高的结构可能出现层间错位。可通过在掩膜上设计对准标记（如同心圆）以辅助实现精确对齐，这些标记在光刻图形化过程中应重叠定位。该器件两个PDMS半片的等离子体键合是可能导致最终器件显著错位的第二个步骤。PDMS与PDMS的等离子体键合通常瞬时完成，因此在步骤2.4中，我们描述了用去离子水润湿器件表面以延缓键合过程，从而便于操作，实现图示对准框架的准确对齐 图3A 可以允许其锁定。如果在润湿不足的情况下进行操作，PDMS表面会在正确对齐前发生不可逆键合，导致装置必须丢弃，并重新制作新的PDMS模具。
双乳液装置的设计利用了能够形成均匀疏水表面特性的制造技术。然而，在本方.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作获得了加州定量生物科学研究所（QB3）研究奖、罗杰斯家族基金会“弥合差距奖”、加州大学旧金山分校/桑德勒基金会突破性生物医学研究计划、巴斯夫公司资助以及美国国家科学基金会通过教师早期职业发展（CAREER）计划（DBI-1253293）提供的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 光刻掩模 | CadArt Servcies | ||
| 3" 硅片，P型，未使用测试级 | University Wafers | 447 | |
| SU-8 3035 | Microchem | Y311074 | |
| SU-8 2050 | Microchem | Y111072 | |
| Sylgard 184 硅橡胶弹性体试剂盒 | Krayden | 4019862 | |
| 1 ml 注射器 | BD | 309628 | |
| 10 ml 注射器 | BD | 309604 | |
| 27 号针头 | BD | 305109 | |
| PE 2 聚乙烯管 | Scientific Commodities, Inc. | B31695-PE/2 | |
| Novec 7500 | Fisher Scientific | 98-0212-2928-5 | 通常称为 HFE 7500 |
| 生物相容性表面活性剂 | Ran Biotechnologies | 008-FluoroSurfactant | |
| 35,000 MW PEG | Sigma Aldrich | 1546660 | |
| Tween 20 | Sigma Aldrich | P1369 | |
| 十二烷基硫酸钠 | Sigma Aldrich | L3771 |
参考文献
- 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).
- Laugel, C., Baillet, A. P., Youenang Piemi, M., Marty, J., Ferrier, D.
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重印与许可
