Doppelemulsion Erstellung Mit einem Polydimethylsiloxan (PDMS) Co-Axial Flow Fokus Geräte-

Zusammenfassung

Die Erzeugung von Mikrofluidik-Doppelemulsionen umfasst typischerweise Geräte mit strukturierter Benetzbarkeit oder speziell angefertigte Glaskomponenten. Hier beschreiben wir die Herstellung und Prüfung eines Doppelemulsionsgenerators aus Polydimethylsiloxan (PDMS), der keine Oberflächenbehandlung oder komplizierte Herstellungsprozesse erfordert und in der Lage ist, Doppelemulsionen bis zu 14 μm herzustellen.

Zusammenfassung

Doppelemulsionen sind nützlich in einer Reihe von biologischen und industriellen Anwendungen, in denen es wichtig ist, eine wässrige Trägerflüssigkeit zu haben. In diesem Artikel wird ein mikrofluidisches Gerät aus Polydimethylsiloxan (PDMS) vorgestellt, das in der Lage ist, Wasser/Öl/Wasser-Doppelemulsionen unter Verwendung einer koaxialen Strömungsfokussierungsgeometrie zu erzeugen, die vollständig mit weicher Lithographie hergestellt werden kann. Ähnlich wie bei Emulsionsbauelementen mit Glaskapillaren können Doppelemulsionen in Kanälen mit gleichmäßiger Benetzbarkeit und mit Abmessungen, die viel kleiner als die Kanalgrößen sind, gebildet werden. Die dreidimensionale Strömungsfokussierung der Geometrie wird erreicht, indem ein Paar PDMS-Platten mit Hilfe der zweischichtigen Weichlithographie gegossen und die Platten dann in einer Clamshell-Konfiguration zusammengefügt werden. Komplementäre Verriegelungsmerkmale, die in die PDMS-Platten eingegossen sind, ermöglichen die genaue Registrierung von Merkmalen auf jeder der Plattenoberflächen. Gerätetests zeigen die Bildung von Doppelemulsionen mit einem Durchmesser von 14 μm bis 50 μm bei Verwendung großer Kanäle, die robust gegen Verschmutzung und Verstopfung sind.

Einleitung

Doppelemulsionen bestehen aus Tröpfchen aus einer Trägerphase von einem Zwischenprodukt, nicht mischbaren Flüssigkeitsschicht getrennt ist, und sind von besonderem Interesse aufgrund ihrer potentiellen Verwendungen in der Industrie, pharmazeutischen und biologischen Anwendungen ^1. In einigen Fällen ist die Fähigkeit, hochwertige Verbindungen in einer Doppelemulsion Kern einkapseln können zu schützende Material und in kontrollierter Weise freigesetzt werden. Zum Beispiel können Medikamente unter Löslichkeitsbedingungen für die externe Trägerflüssigkeit ² nicht angemessen eingekapselt werden. Zusätzlich kann das Zwischenölschicht als Kapsel Vorlage für die Einkapselung und Abgabe von Arzneimitteln, Kosmetika, Nährstoffen und ³ verwendet werden. In der Biologie sind Doppelemulsionen auch nützlich in Hochdurchsatz-Screening, weil sie eine massive Anzahl von Sub-Nanoliter-Experimente durchgeführt werden, dann nachgewiesen und sortiert werden mit Hilfe eines Fluoreszenz-aktivierten Zellsortierung (FACS) instrument ^4,5.

ent "> Die Gestaltung der Doppelemulsionen mit den gewünschten Leistungseigenschaften erfordert die genaue Steuerung der Doppelemulsion Größe, Zusammensetzung und Gleichförmigkeit. Obwohl Schütt Emulgierverfahren, wie Membran Emulgierung werden in der Industrie verwendet werden, sind die resultierenden Emulsionen polydisperse, die eine Vielzahl von Funktionseigenschaften ^1. Der Bereich der Tröpfchen Mikrofluidik ist natürlich geeignet, die Erzeugung von monodispersen Emulsionen mit sorgfältig kontrollierten Zusammensetzung ^6. Microfluidic Doppelemulsion Generation mit zwei Hauptstrategien, sequentielle Rückgang Herstellung und Glas Kapillarfluss erreicht konzentriert. Doppelemulsionen in planarer PDMS Vorrichtungen unter Verwendung eines zweistufigen Tropfenprozess erzeugt werden. Zuerst wässrig-in-Öl-Emulsionen unter Verwendung einer Wasser-in-Öl-Tropfen Gabebereich einer Vorrichtung mit hydrophoben Kanalwänden. Als nächstes erstellt wurde, kann die Emulsion floss oder in einen Tropfen Anbauregion mit hydrophilen Wänden für Öl in Wasser geeignet injiziertDrop machen ^4. Hydrophile Oberflächenbehandlung PMDS erfordert jedoch einen zusätzlichen Herstellungsschritt und ist oft vorübergehend ^7. Die steuerbaren und wiederholbaren Verfahren zur Doppelemulsionen Form durch koaxiale Strömungsfokussierungs Pionier eine Technik mit Glaskapillare Mikrofluidik, wodurch eine konzentrische Strahl die drei Phasen enthält, wird durch eine kleine Öffnung geschert, um monodisperse Tröpfchen ⁸ herzustellen. Diese Technik ermöglicht die Produktion von Tröpfchen viel kleiner als die Kanaldimensionen, wobei die genaue Größe und Zusammensetzung der Doppelemulsion, die eine Funktion der Strömungsraten jeder Phase. Der große Unterschied zwischen Tröpfchen und Kanalgröße und der schützenden äußeren Mantelstrom verhindert, dass Tröpfchen in Kontakt mit den Kanalwänden, Rendering Oberflächenbehandlung überflüssig. Solche Glas Geräte erfordern kundenspezifische Herstellung von Kegel Kapillarspitzen sowie sorgfältige Montage und Abdichtung. Frühere Forscher haben 3D weiche Litho verwendetgraphie an Doppelemulsionen mit Stromfokussierungs Physik zu erzeugen, aber diese Vorrichtungen hergestellten Emulsionen mit Durchmesser> 150 um ^9,10, etwa eine Größenordnung größer sind als Objekte in der Regel mit FACS sortiert. Eine attraktive Alternative wäre die robuste Funktionalität und kleine Tröpfchenerzeugung der Glaskapillare koaxialen Strömungs Fokussierung mit der Leichtigkeit der Herstellung von PDMS-Weich-Lithographie umfassen.

In diesem Papier beschreiben wir eine Doppelemulsion Generator, der koaxiale Strömungs Fokussierung auf ≤ 50 & mgr; m Emulsionen verwendet und ist so konstruiert, komplett mit 3D-Weich-Lithographie ^11. Unsere Vorrichtung verwendet eine Clamshell Ansatz auf Vorrichtungen, die eine geringe Scherkanal (Abbildung 1), um die Emulsionsbildungsprozesse in einer gezogenen Glaskapillare Düse annähern umfasst herzustellen. Noch wichtiger ist, erfordern diese Vorrichtungen keine spezielle Oberflächenbehandlung, und die alle Polymer-Konstruktion ermöglicht eine einfache und reproduzierbare Herstellung scalable zu einer großen Anzahl von doppelt vorhandenen Einrichtungen. Hier beschreiben wir die Konstruktion, Fertigung und Prüfung der Doppelemulsion Generator. Doppelemulsion Generation gezeigt robust und wiederholbar auf Tröpfchendurchmesser von 14 & mgr; m sein. Die Kopplung der Funktionalität mit einfacher Herstellung ermöglicht diese Vorrichtung eine attraktive Option für die Entwicklung neuer Doppelemulsionsanwendungen.

Protokoll

1. SU8 Meister Fabrication

1. Gestalten Sie die mikrofluidischen Strukturen für zwei Schichtherstellung mit AutoCAD-Software und haben die Entwürfe von einem Lieferanten auf der Leiterplatte Film mit einer Auflösung 10 um gedruckt. Die Details der Vorrichtungskonstruktion sind in einem angebrachten ^{Bezugszeichen} 11 angegeben, und die Kanalgeometrien sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Schichten sollten Ausrichtungsmarkierungen umfassen, um collocate Merkmalen voneinander ^{Herstellungsschicht} 12.
2. Legen Sie eine vorgereinigte 3 Zoll Durchmesser Silizium-Wafer auf einem Spin-Coater und schalten Sie das Vakuum, um es in das Spannfutter zu befestigen. Es wird 1 ml SU8-3035 in der Mitte der Wafer und Schleudern für 20 Sekunden bei 500 Upm, anschließend 30 s bei 2000 Upm, wodurch eine Schichtdicke von 50 um.
3. Entfernen des Wafers und Backen auf einer 135 ° C-Kochplatte für 30 min. Damit der Wafer auf Raumtemperatur, bevor sie zu der nächsten Stufe zu kühlen.
4. Setzen Sie das beschichtete Wafer ^zur 1. Ebenenmaske (2A ) unter einem kollimierten 190 mW, 365 nm-LED für 90 Sekunden. Nach der Belichtung, legen Sie die Wafer auf einer 135 ° C-Kochplatte für 1 min, dann auf RT abkühlen, bevor Sie mit dem nächsten Schritt.
5. Setzen Sie den Wafer auf dem Spin-Coater und schalten Sie das Vakuum, um es in das Spannfutter zu befestigen. Es wird 1 ml SU8-2050 in der Mitte der Wafer und Schleudern für 20 Sekunden bei 500 Upm, anschließend 30 Sekunden bei 1.375 Umdrehungen pro Minute, was zu einer Schicht, die eine zusätzliche Dicke von 135 um zur Verfügung stellt.
6. Entfernen Sie die Wafer und backen auf einer 135 ° C-Kochplatte für 30 Minuten, dann auf RT abkühlen, bevor Sie zum nächsten Schritt.
7. Richten Sie die ^2. Schicht-Maske (2B) auf die Geometrie in 1.3 strukturiert und setzen die beschichtete Wafer in einen kollimierten 190 mW, 365 nm LED für 3 min. Nach der Belichtung setzen auf eine 135 ° C-Kochplatte für 1 min, dann auf RT abkühlen, bevor Sie mit dem nächsten Schritt.
8. Entwickeln die Masken in einem gerührten Bad aus Propylenglykolmonomethylether-acetat während 30 Minuten getaucht. Waschen Sie die Waferin Isopropanol und backen auf einer 135 ° C-Kochplatte für 1 min. Legen Sie die entwickelten Master in einer 100 mm Petrischale für PDMS Form.

2. PDMS Bauelementherstellung

1. Herstellung von 10: 1 PDMS, indem 50 g des Siliconbasis bestehend aus 5 g Härter in einen Kunststoffbecher. Mischen Sie den Inhalt mit einem Drehwerkzeug mit einem Rührstab ausgestattet. Entgast die Mischung in einem Exsikkator für 30 min, oder bis alle Luftblasen entfernt werden.
2. Gießen Sie die PDMS mit einer Dicke von 3 mm über dem Master geben, und legen Sie wieder in den Exsikkator zur weiteren Entgasung. Sobald alle Luftblasen entfernt werden, backen Sie das Gerät bei 60 ° C für 2 Stunden.
3. Schneiden Sie das Gerät aus der Form mit einem Skalpell und auf eine saubere Oberfläche mit der strukturierten Seite nach oben. Schneiden Sie die PDMS-Form in die Hälfte mit einer Rasierklinge auf Master 1 Master 2 (Abbildung 3a) zu trennen. Auf dem Stück, das die 50 & mgr; Fluid-Handling-Geometrie von Master 1 aufgedruckt, Punsch die fluidischen Ein- und Ausgänge mit einem 0,75 mm Biopsie-Punsch.
4. Plasma behandeln Sie die Geräte bei 1 mbar _O2-Plasma für 60 Sekunden in einem 300 W Plasmareiniger. Befeuchten Sie die Oberfläche des unpunched Stück PDMS mit einem Rückgang von DI-Wasser, um vorübergehend zu verzögern PDMS PDMS-Bindung und dienen als Schmiermittel. Schauen Sie durch ein Stereomikroskop, Ort, Master 1 auf Master 2 Fläche und schieben Sie die Oberflächen relativ, bis eine mechanische Verriegelung wird erzielt, wenn die Einbaurahmen und hervorstehenden Rahmen in 3A Kollege.
5. Platzieren des Geräts in einem Ofen bei 60ºC und Backen der zusammengesetzten Vorrichtung (3B) für zwei Tage bei 60 ° C, um das Wasser und vollständige Bindung zu verdampfen.

3. Vorbereitung der Reagenzien

1. Füllen 1 ml Spritze, die mit destilliertem Wasser zur inneren Phase.
2. Füllen Sie 1 ml Spritze mit HFE 7500 fluorierten Öls mit 1 Gew. % Biokompatiblen Tensid Tensid ^{13 für die} mittlere Phase.
3. Füllen 10 ml Spritze, die mit 10 Gew. % Polyethylene Glykol (PEG) in Wasserlösung, die 1 Gew. % Tween 20 und 1 Gew. % Natriumdodecylsulfat für die kontinuierliche Phase.

4. Systemvorbereitungs

1. Platzieren des mikrofluidischen Chips auf der Stufe eines Umkehrmikroskops gekoppelt ist mit einer digitalen Kamera, die <100 usec Verschlusszeiten.
2. Montieren Sie alle Spritzen auf Spritzenpumpen und befestigen 27 G Nadeln. Bringen ~ 30 cm Längen von PE-2 Schlauch auf den Nadeln, und legen Sie die losen Enden in die entsprechenden Stanzlöcher im Gerät.
3. Legen Sie eine 10 cm Länge der PE-2 in die Austrittsöffnung des Geräts und das andere Ende in einen Abfallsammelbehälter.
4. Prime das Gerät, indem Sie die Spritzenpumpen bei hohen Drehzahlen (2.000 & mgr; l / min), bis die Flüssigkeit in den Rohrsegmenten erreicht die Einlassöffnungen des Gerätes.

5. Emulsion Erzeugung

1. Fokussieren Sie das Mikroskop auf einem Bereich, der 50 & mgr; m × 50 & mgr; m und die Öffnung enthält,nachgeschalteten Austrittskanal.
2. Setzen die Spritzenpumpen, um Fluid zu dem Doppelemulsionserzeuger bei Durchflussraten von 250 & mgr; l / h für die innere Phase wurden 100 ul / h für die mittlere Phase und 700 & mgr; l / h für die kontinuierliche Phase zu liefern und warten, 10 min zur Equilibrierung.
3. Pflegen Sie die Flussraten der inneren und mittleren Phasen bei 250 & mgr; l / h und 100 & mgr; l / Std. Stellen Sie die Durchflussrate der äußeren Phase auf 1.050 & mgr; l / h. Warten Sie 3-5 min für den Doppelemulsionen Generation, die nach diesem Satz von Strömungsbedingungen zu stabilisieren.
4. Erwerben Sie 5 Sekunden von Videobildern bei 30 Hz für die Offline-Bearbeitung über manuelle Bildanalyse.
5. Wiederholen 5.3 und 5.4 mit den Strömungsraten in Tabelle 1 angegeben. Die innere und die mittlere Phase Strömungsraten konstant gehalten werden und die Trägerphasen-Strömungsrate wird durch Anpassen der Einstellung der Spritzenpumpe variiert.

Ergebnisse

Die Doppelemulsion Generator besteht aus einer koaxialen Strömung Fokussiereinrichtung mit 3D PDMS Herstellungs (1A) erzeugt. Die Geometrie ermöglicht es, daß die Ausbildung eines Dreiphasen koaxiale Strahl in einen quadratischen, 50 um x 50 um Öffnung abgeschert werden, so dass die Bildung von Wasser / Öl / Wasser-Doppelemulsionen (1B, 1C). Die innere wässrige Phase und die Mittelölphase werden miteinander an einer Verbindungsstelle mit...

Diskussion

Die hier beschriebene Doppelemulsion erzeugenden Geometrie wurde entwickelt, um die Physik der Glaskapillare ^{Vorrichtungen} 8 zu imitieren. In diesen sind ausgerichteten zylindrischen Glas Kapillaren verwendet werden, um eine dreiphasige koaxialen Strahl, die in gleichmäßigen Doppelemulsionströpfchen geschert wird zu erstellen. Die Funktion der 3D PDMS Einrichtung ist abhängig von der mittleren Ausrichtung der kleinen Strukturen mit 50 um hohen Herstellungs mit Trägerphasenkanälen, die 320 um in Gesamthöhe geb...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Fotomasken	CadArt Servcies
3" Siliziumwafer, P-Typ, reine Testqualität	University Wafers	447
SU-8 3035	Microchem	Y311074
SU-8 2050	Microchem	Y111072
Sylgard 184 Silikonelastomer Kit	Krayden	4019862
1 ml Spritzen	BD
10 ml Spritzen	BD	309604
27 Gaugue Nadeln	BD	305109
PE 2 Polyethylen-Schlauch	Scientific Commodities, Inc.	B31695-PE/2
Novec 7500	Fisher Scientific	98-0212-2928-5	Allgemein bekannt als HFE 7500
Biokompatibles Tensid	Ran Biotechnologies	008-FluorTensid
35.000 MW PEG	Sigma Aldrich	1546660
Tween 20	Sigma Aldrich	P1369
Natriumdodecylsulfat	Sigma Aldrich	L3771