Generación de doble emulsión utilizando un flujo Focus Dispositivo de polidimetilsiloxano (PDMS) Co-axial

Resumen

La generación de emulsiones dobles microfluídicas generalmente involucra dispositivos con humectabilidad estampada o componentes de vidrio fabricados a medida. Aquí describimos la fabricación y prueba de un generador de doble emulsión de polidimetilsiloxano (PDMS) que no requiere tratamiento superficial ni procesos de fabricación complicados, y es capaz de producir emulsiones dobles de hasta 14 μm.

Resumen

Las emulsiones dobles son útiles en una serie de aplicaciones biológicas e industriales en las que es importante tener un fluido portador acuoso. En este trabajo se presenta un dispositivo microfluídico de polidimetilsiloxano (PDMS) capaz de generar emulsiones dobles agua/aceite/agua utilizando una geometría de enfoque de flujo coaxial que puede fabricarse íntegramente utilizando litografía blanda. Al igual que los dispositivos de emulsión que utilizan capilares de vidrio, se pueden formar emulsiones dobles en canales con humectabilidad uniforme y con dimensiones mucho más pequeñas que los tamaños de los canales. La geometría de enfoque de flujo tridimensional se logra mediante la fundición de un par de losas PDMS utilizando litografía blanda de dos capas, y luego acoplando las losas en una configuración de concha. Las características de bloqueo complementarias moldeadas en las losas PDMS permiten el registro preciso de las características en cada una de las superficies de la losa. Las pruebas del dispositivo demuestran la formación de emulsiones dobles de 14 μm a 50 μm de diámetro mientras se utilizan canales grandes que son robustos contra el ensuciamiento y la obstrucción.

Introducción

Emulsiones dobles consisten en gotas separadas de una fase de la portadora por una capa de fluido intermedio, inmiscibles, y son de particular interés debido a sus usos potenciales en industrial, farmacéutica y aplicaciones biológicas ^1. En algunos casos, la capacidad de encapsular compuestos de alto valor en el núcleo de una emulsión doble permite el material a ser protegido y se libera de una manera controlada. Por ejemplo, los fármacos pueden encapsularse en condiciones de solubilidad no es apropiado para el fluido portador externo ^2. Además, la capa de aceite intermedio se puede utilizar como una plantilla cápsula para la encapsulación y la entrega de medicamentos, cosméticos, nutrientes y ^3. En biología, emulsiones dobles son también útiles en el cribado de alto rendimiento debido a que permiten un número masivo de experimentos sub-nanolitros a llevarse a cabo, a continuación, detecta y ordenadas utilizando una célula activada por fluorescencia (FACS) instrumento ^4,5.

ent "> El diseño de las emulsiones dobles con características de rendimiento deseadas requiere el control preciso del tamaño de emulsión doble, la composición y uniformidad. Aunque los procesos de emulsificación a granel, tales como emulsificación de membrana, se utilizan en la industria, las emulsiones resultantes son altamente polidispersa, que presenta una amplia variedad de propiedades funcionales ^1. El campo de la microfluídica gotita se adapta naturalmente la generación de emulsiones monodispersas con la composición cuidadosamente controlada ^6. Microfluidic generación de doble emulsión se ha logrado con dos estrategias principales, toma de gota secuencial y de flujo capilar de vidrio de enfoque. emulsiones dobles pueden pueden generar en dispositivos PDMS planas utilizando una gota de dos pasos de decisiones. En primer lugar, acuosa-en-aceite emulsiones se crean utilizando una emulsión agua-en-aceite gota de decisiones región de un dispositivo con paredes de los canales hidrófobas. A continuación, la emulsión puede ser fluido o reinyectado en una región gota de decisiones con paredes hidrófilas adecuadas para aceite en aguacaer de decisiones ^4. Sin embargo, el tratamiento de superficie hidrófila de PMDS requiere un paso adicional de fabricación y es a menudo temporal ^7. El método más controlable y repetible para formar emulsiones dobles es por el flujo de co-axial de enfoque, una técnica pionera en el uso de la microfluídica capilar de vidrio, mediante el cual un chorro concéntrica que contiene las tres fases se cizalla a través de un pequeño orificio para producir gotas monodispersas ^8. Esta técnica permite la producción de gotitas mucho más pequeñas que las dimensiones del canal, con el tamaño preciso y composición de la emulsión doble es una función de los caudales de cada fase. La gran diferencia entre las gotitas y el tamaño del canal y el flujo de vaina externa de protección evita que las gotas entren en contacto con las paredes del canal, lo que hace innecesario el tratamiento de superficies. Sin embargo, este tipo de dispositivos de cristal requieren fabricación personalizada de consejos capilares cónicos, además de cuidado montaje y sellado. Anterior investigadores han utilizado litografía blanda 3Dgrafía para generar emulsiones dobles utilizando flujo centrándose la física, pero estos dispositivos produce emulsiones con diámetros> 150 micras ^9,10, aproximadamente un orden de magnitud mayor que los objetos normalmente ordenados con FACS. Una alternativa atractiva incluiría la funcionalidad robusta y pequeña generación de gotitas de capilar de vidrio de flujo coaxial de enfoque con la facilidad de fabricación de PDMS litografía blanda.

En este trabajo se describe un generador de emulsión doble que utiliza coaxial flujo de enfoque para producir ≤ 50 micras emulsiones y está construido enteramente usando litografía blanda 3D ^11. Nuestro dispositivo utiliza un enfoque de la cubierta para la fabricación de dispositivos que incluye un canal de cizallamiento pequeño (Figura 1) para aproximarse a los procesos de formación de emulsión en una boquilla capilar de vidrio desmenuzado. Más importante aún, estos dispositivos no requieren tratamiento superficial específica, y la construcción de todo polímero proporciona fácil y repetible sc fabricaciónalable a un gran número de dispositivos duplicados. Aquí, se describe el diseño, fabricación y pruebas del generador de doble emulsión. Generación de doble emulsión se demuestra que es robusto y repetible hacia abajo para diámetros de las gotitas de 14 micras. El acoplamiento de la funcionalidad con la facilidad de fabricación hace que este dispositivo una opción atractiva para el desarrollo de nuevas aplicaciones de emulsión doble.

Protocolo

1. SU8 Fabricación Maestro

1. Diseñar las estructuras de microfluidos para dos fabricación capa utilizando el software AutoCAD y tienen los diseños impresos por un proveedor en la película placa de circuito con 10 micras de resolución. Los detalles de diseño del dispositivo se dan en una referencia vinculada ^{11 y} las geometrías de canal se muestran en la Figura 1. Las capas deben incluir marcas de alineación para ayudar collocate características de cada capa de la fabricación ^12.
2. Coloque una oblea de silicio de diámetro previamente limpiado 3 pulgadas en una recubridora de rotación y encienda el vacío para pegarla en el mandril. Aplicar 1 ml de SU8-3035 en el centro de la oblea y centrifugado durante 20 segundos a 500 rpm, a continuación, 30 segundos a 2000 rpm, proporcionando un espesor de capa de 50 micras.
3. Retire la oblea y hornear en una placa de cocción de 135 ° C durante 30 minutos. Permitir que la oblea se enfríe a RT antes de pasar a la siguiente etapa.
4. Exponer la oblea revestida de ^la 1ª máscara de capa (Figura 2A ) bajo un colimado 190 mW, 365 nm LED durante 90 segundos. Después de la exposición, colocar la oblea en una placa calefactora 135 ° C durante 1 min, después se enfría a RT antes de proceder al siguiente paso.
5. Coloque la oblea en el revestidor de giro y encienda el vacío para pegarla en el mandril. Aplicar 1 ml de SU8-2050 en el centro de la oblea y centrifugado durante 20 segundos a 500 rpm, a continuación, 30 segundos a 1.375 rpm, lo que resulta en una capa que proporciona un espesor adicional de 135 micras.
6. Retire la oblea y hornear en una placa de cocción de 135 ° C durante 30 minutos, dejar enfriar a temperatura ambiente antes de pasar al siguiente paso.
7. Alinear la capa de máscara 2 ^nd (Figura 2B) en la geometría modelada en 1,3 y exponer la oblea recubierta a un colimado 190 mW, 365 nm LED para 3 min. Después de la exposición, colocar en una placa calefactora 135 ° C durante 1 min, después se enfría a RT antes de proceder al siguiente paso.
8. Desarrollar las máscaras mediante la inmersión en un baño agitada de acetato de propilenglicol monometil éter durante 30 min. Lave la obleaen isopropanol y hornear en una placa de cocción de 135 ° C durante 1 min. Coloque el maestro desarrollado en una placa de Petri de 100 mm para el moldeo por PDMS.

2. PDMS la fabricación del dispositivo

1. Preparar 10: 1 PDMS mediante la combinación de 50 g de base de silicona con 5 g de agente de curado en un vaso de plástico. Mezcle el contenido con una herramienta rotativa equipada con un palo revuelva. Desgasificar la mezcla dentro de un desecador durante 30 min, o hasta que se eliminen todas las burbujas de aire.
2. Vierta el PDMS para dar un espesor de 3 mm en el maestro y colocar de nuevo en el desecador durante más de desgasificación. Una vez que se eliminan todas las burbujas, hornear el dispositivo a 60 ° C durante 2 horas.
3. Cortar el dispositivo del molde utilizando un bisturí y colóquelo sobre una superficie limpia con el lado estampado para arriba. Cortar el molde de PDMS por la mitad con una hoja de afeitar para separar Master 1 de Master 2 (Figura 3a). En la pieza que contiene la geometría de manipulación 50 micras fluido impreso por el Maestro 1, perforar las entradas y salidas de fluidos con un 0,75 mm ponche biopsia.
4. Plasma tratar los dispositivos a 1 mbar _plasma de O2 durante 60 segundos en un limpiador de plasma 300 W. Humedecer la superficie de la pieza unpunched de PDMS con una gota de agua DI para retardar temporalmente PDMS-PDMS unión y servir como un lubricante. Mientras ve a través de un microscopio estereoscópico, lugar principal 1 en Master 2 de superficie y deslice las superficies relativamente hasta que se logre un bloqueo mecánico cuando los marcos empotrados y salientes marcos en compañero de la figura 3A.
5. Coloque el dispositivo en un horno de 60 ° C y hornear el dispositivo ensamblado (Figura 3B) durante dos días a 60 ° C para evaporar el agua y la unión completa.

3. Preparación de los reactivos

1. Llenar 1 ml jeringa con agua destilada durante la fase interna.
2. Rellene 1 ml jeringa con HFE 7500 aceite fluorado con 1 peso. % De tensioactivo tensioactivo biocompatible ¹³ para la fase intermedia.
3. Rellene 10 ml jeringa con 10 en peso. % Polietilenoe glicol (PEG) en solución en agua que contiene 1 en peso. % De Tween 20 y 1 en peso. % De dodecilsulfato de sodio para la fase continua.

4. Sistema de Preparación

1. Coloque el chip de microfluidos en el escenario de un microscopio invertido, junto con una cámara digital capaz de <100 microsegundos velocidades de obturación.
2. Montar todas las jeringas en las bombas de jeringa y colocar 27 g agujas. Adjuntar ~ 30 cm de longitud de tubería de PE-2 en las agujas e insertar los cabos sueltos en el apropiado puñetazos agujeros en el dispositivo.
3. Inserte una longitud 10 cm de PE-2 en el puerto de salida del dispositivo y colocar el otro extremo en un recipiente de recogida de residuos.
4. Primer el dispositivo mediante la ejecución de las bombas de jeringa a altas tasas de velocidades (2.000 l / min) hasta que el fluido en los segmentos de tubo llega a los puertos de entrada del dispositivo.

5. Emulsión Generación

1. Enfocar el microscopio en una región que contiene el 50 micras x 50 micras y el orificiocanal de salida aguas abajo.
2. Establecer las bombas de jeringa para suministrar fluido al generador de doble emulsión a velocidades de flujo de 250 l / h para la fase interna, 100 l / h durante la fase media, y 700 l / h durante la fase continua y esperar 10 min para el equilibrio.
3. Mantener los caudales de las fases interna y media a 250 l / hora y 100 l / h, respectivamente. Ajuste la velocidad de flujo de la fase externa en 1050 l / h. Espere 3-5 minutos para el doble de la generación de emulsiones para estabilizar bajo este conjunto de condiciones de flujo.
4. Adquirir 5 segundos de imágenes de vídeo a 30 Hz para el procesamiento sin conexión a través de análisis de imagen manual.
5. Repita 5.3 y 5.4 con los caudales dados en la Tabla 1. Las velocidades de flujo de fase interna y media se mantienen constantes y la tasa de flujo de fase de la portadora se varía mediante el ajuste de la configuración de la bomba de jeringa.

Resultados

El generador de emulsión doble se compone de un dispositivo de enfoque de flujo co-axial creado usando la fabricación 3D PDMS (Figura 1A). La geometría permite que la formación de un chorro de co-axial de tres fases para ser cortado en un cuadrado, 50 micras x 50 micras orificio, permitiendo la formación de agua / aceite / agua emulsiones dobles (Figura 1B, Figura 1C). La fase acuosa interna y la fase aceite intermedio se juntan en un cr...

Discusión

La geometría de generación de emulsión doble se describe aquí está diseñado para imitar la física de los dispositivos capilares de vidrio ^8. En estos, capilares de vidrio cilíndricos alineados se utilizan para crear un chorro coaxial tres fases que se cizalla en gotitas de emulsión dobles uniformes. La función de nuestro dispositivo 3D PDMS es dependiente de la alineación central de pequeñas características formadas con 50 micras de fabricación de altura con canales de fase de portadora que son 320 micras de ...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Fotomascarillas	CadArt Servcies Obleas de silicona
de 3", tipo P, virgen grado de prueba	University Wafers	447
SU-8 3035	Microchem	Y311074
SU-8 2050	Microchem	Y111072
Sylgard 184 kit de elastómero de silicona	Krayden 4019862
jeringas de 1 ml	BD
Jeringas de 10 ml	BD	309604
27 agujas de gaga	BD	305109
PE 2 tubo de polietileno	Scientific Commodities, Inc.	B31695-PE/2
Novec 7500	Fisher Scientific	98-0212-2928-5	Comúnmente conocido como HFE 7500
Surfactante biocompatible	Ran Biotechnologies	008-FluoroSurfactante
35,000 MW PEG	Sigma Aldrich 1546660
Tween 20	Sigma Aldrich	P1369
Dodecil sulfato de sodio	Sigma Aldrich	L3771