Method Article

Dispositivo de microfluidos centrífuga basada en capilar para la Formación Tamaño-controlable de monodisperso microgotas

DOI:

10.3791/53860

⸱

February 22nd, 2016

 ,  ,  ,  , 
1Department of Computational Intelligence and Systems Science, Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology, 2Graduate School of Bioscience and Biotechnology, Tokyo Institute of Technology, 3Department of Mechanical Engineering, Keio University, 4PRESTO, Japan Science and Technology Agency

In This Article

Summary

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

Aquí, demostramos un método de producción simple para microgotas de agua en aceite (W/O) monodispersas de tamaño controlable utilizando un dispositivo microfluídico centrífugo de base capilar. Este método requiere solo un pequeño volumen de muestra y permite una producción de alto rendimiento. Esperamos que este método sea útil para análisis bioquímicos y celulares rápidos.

Abstract

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

Aquí, demostramos un método simple para la producción rápida de tamaño controlable, monodispersas, W microgotas de E / S utilizando un dispositivo de microfluidos centrífuga basada en capilar. microgotas W / O se han utilizado recientemente en poderosos métodos que permiten miniaturizados experimentos químicos. Por lo tanto, el desarrollo de un método versátil para dar monodispersa W / O se necesita microgotas. Hemos desarrollado un método para generar monodisperso W microgotas de E / S sobre la base de un dispositivo de co-fluye de revolución centrífuga basada en capilar de microfluidos. Hemos tenido éxito en el control del tamaño de las microgotas ajustando el orificio capilar. Nuestro método requiere un equipo que es más fácil de usar que con otras técnicas de microfluidos, requiere sólo un pequeño volumen (0,1 a 1 l) de solución de muestra para la encapsulación, y permite la producción de cientos de miles número de W microgotas de E / S por segundo . Esperamos que este método ayudará a los estudios biológicos que requieren preciosa s biológicaejemplos de la conservación del volumen de las muestras para la rápida bioquímica análisis cuantitativo y estudios biológicos.

Introduction

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

W / O microgotas 1-5 tienen muchas aplicaciones importantes para el estudio de la bioquímica y la bioingeniería, incluyendo la síntesis de proteínas 6, 7 de cristalización de proteínas, emulsión PCR 8,9, encapsulación de células 10, y la construcción de sistemas similares a células artificiales 5,6. Para producir microgotitas W / S para estas aplicaciones, criterios importantes son el control de tamaño y monodispersibility de las microgotitas W / O. Los dispositivos microfluídicos para hacer monodispersa, tamaño controlable W / O microgotitas 11 se basan en el método de co-fluye 12,13, método de enfoque de flujo de 14,15, y el método de unión en T 16 en microcanales. Aunque estos métodos producen microgotas W / O altamente monodispersas, el proceso de microfabricación requiere un manejo complicado y técnicas especializadas para la preparación de microcanales, y también requiere una gran cantidad de solución de muestra (al menos varios cientos81; l) debido al volumen muerto inevitable en las bombas de jeringa y tubos que conducen la solución de muestra a los microcanales. Por lo tanto, un método fácil de usar y de bajo volumen muerto para generar monodispersa W / O se necesita microgotas.

Este documento, junto con vídeos de los procedimientos experimentales, se describe un dispositivo de centrífuga a base de capilar de revolución co-fluye microfluidos 17 para la generación de tamaño celular, monodisperso W / O microgotas (Figura 1). Este sencillo método logra monodispersidad tamaño y capacidad de control de tamaño. Requiere sólo una mesa de mini-centrifugadora y un dispositivo de co-fluye de revolución basada en capilares de microfluidos fija en un microtubo de muestreo. Nuestro método sólo se necesita un volumen muy pequeño (0,1 l), y no pierde volumen significativo de la muestra.

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Protocol

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1. La fabricación de un dispositivo para microfluidos basada en Capilar

  1. Puesta en marcha de los titulares
    Nota: El diseño de soporte se presenta en la Figura 2A.
    1. Cortar cada uno de los cuatro discos de los titulares (Figura 2A (i) - (iv)) a partir de 2 mm de espesor placa de plástico de poliacetal usando una máquina de molienda. Utilice las siguientes dimensiones para cada uno de los cuatro discos del titular: (i) 1 disco de diámetro 8,5 mm, agujero capilar (CH) de diámetro 1,3 mm, el agujero del tornillo (SH) de diámetro 1,8 mm; (Ii) el disco 2 mm de diámetro 8.7, CH diámetro de 2,0 mm, 1,8 mm de diámetro SH; (Iii) el disco 3 mm de diámetro 8.7, CH 0,5 mm de diámetro, diámetro de 1,8 mm SH; y (iv) del disco 4 de diámetro 9,1 mm, CH diámetro 1,0 mm, diámetro 1,8 mm SH.
    2. Montar los soportes que utilizan M2 x 40 tornillos (Figura 2B). Una parte inferior del soporte (Figura 2B) consiste en el disco 1 y el disco 2 en la Figura 2A (i), (ii) y una parte superior (Fig2B ure) del soporte consiste en el disco 3 y el disco 4 en la Figura 2A (iii), (iv).
      1. Para construir la parte inferior del soporte, inserte el tornillo en tres SH de cada disco 1 y 2. Acortar los tornillos mediante el pinzado de un pedazo de la porción de rosca. Mantener la longitud de tornillo a 0.9 cm (la misma longitud que la parte inferior del soporte).
      2. Para construir la parte superior del soporte, insertar tornillos en los dos SH de cada disco 3 y 4. Acortar los tornillos mediante el pinzado de un pedazo de la porción de rosca. Mantenga la longitud del tornillo de 0,7 cm (la misma longitud que la parte superior del soporte).
      3. Para montar el soporte, unir las partes de fondo y superior del soporte usando un tornillo largo.
        Nota: Mantenga la longitud de la parte de cada titular exacta: la parte inferior es de 0,9 cm; la parte superior es de 0,7 cm (Figura 2 B).
  2. La fabricación de los capilares de vidrio
    1. Utilizar dos tipos de capilares de vidrio: una capilares de vidrio interior (diámetro externo (OD) / diámetro interior (ID): 1,0 / 0,6 mm), y un capilar de vidrio exterior (OD / ID: 2,0 / 1,12 mm).
    2. Utilice un cortador de vidrio para dividir el capilar de vidrio exterior en tres partes iguales, y luego usar el cortador de vidrio para dividir el capilar de vidrio interior en dos partes iguales.
    3. Afilar cada uno capilares de vidrio interior y exterior dividido utilizando un extractor capilar de vidrio (Figura 3A). Ajuste el peso del extractor en el máximo. Establecer el nivel de calor del extractor a 60 grados para el capilar de vidrio exterior y 70 grados durante el capilar interior. afilar con cuidado el capilar de vidrio.
      1. Mantenga la longitud de la punta dentro de la parte estrecha del capilar de vidrio: el capilar interior es 1.5-1.8 cm; el capilar exterior es 0,8-1,0 cm (Figura 3C). Si esta longitud es más corta o más larga que la longitud se describe, por favor, ajuste el nivel de calor del extractor.
    4. Fix los capilares de vidrio interior o exterior a la microforge destacan el uso de cinta (Figura 3B).
    5. Corte la punta del capilar de vidrio utilizando la microforge en tres etapas (Figura 3B): (i) toque la punta del capilar de vidrio de las perlas de vidrio en un alambre de platino, (ii) calentar el alambre de platino por pisar un pie cambiar durante 1-2 segundos, y (iii) después de 1-2 segundos, cortar la punta del capilar de vidrio mediante el enfriamiento del alambre de platino.
      1. Ajuste los diámetros del interior (d i) y exterior (d o) orificios capilares, respectivamente. El diámetro del orificio del capilar de vidrio interior es 5, 10, y 20 micras (d i = 5,10, 20 m) y el capilar de vidrio exterior (d O) es de 60 micras (d o = 60 micras) en este experimento.
        Nota: El capilar de vidrio es desechable. Repita la fabricación del capilar de vidrioIES.

2. Procedimiento para la generación de microgotas W / O

  1. Llenar un capilar de vidrio exterior con surfactante aceite que contiene. La mezcla de aceite y surfactante es hexadecano que contiene 2% (w / w) monooleato de sorbitán en este experimento (Figura 4A).
    Nota: Existen muchas combinaciones de aceites y agentes tensioactivos (por ejemplo, los aceites pueden ser fluorado o carbonatada; tensioactivos pueden ser iónicos, no iónicos, o fluoroquímico).
    1. Introducir 10 l de hexadecano que contiene monooleato de sorbitán en un capilar de vidrio exterior. En la Figura 4A, el diámetro del orificio del capilar de vidrio exterior (d O) es de 60 micras (d o = 60 micras). Para ajustar el orificio del capilar de vidrio, volver a los pasos 1.2.4-1.2.5.
  2. Ajuste el capilar exterior en la parte inferior del soporte (Figura 4B).
  3. draW sobre 0,1 l de una solución acuosa en un capilar de vidrio interior (Figura 4C) por acción capilar. En la Figura 4C, el diámetro del orificio de capilar de vidrio interior (d i) es de 10 micras (d i = 10 m). Para ajustar el orificio del capilar de vidrio, volver a los pasos 1.2.4-1.2.5.
  4. Ajuste el capilar interior en la parte superior del soporte (Figura 4D-a). Insertar el capilar interior en el capilar exterior (Figura 4D-a). Mirando el círculo punto blanco como en la Figura 4D-a, observar la posición del capilar interior dentro del capilar exterior (diámetro interno del capilar exterior (w) = 130 m) (Figura 4D-b, c) usando un microscopio digital . La posición del capilar interno en el capilar exterior debe estar ajustado a W = 100 a 150 micras.
    Nota: Para cambiar la posición del interiorcapilar en el capilar exterior, por favor gire el tornillo en la parte superior del soporte. De este modo, la distancia w puede ser controlada con precisión.
  5. Introducir 100 l de hexadecano que contiene monooleato de sorbitán (2% w / w) en la parte inferior de un microtubo de 1,5 ml de la muestra. Instale el soporte, con los capilares interiores y exteriores, en el microtubo muestra (Figura 4E-a). Asegúrese de revisar el capilar exterior para mantenerlo alejado de la interfaz aire-aceite (Figura 4E-b).
  6. Se centrifuga la muestra de microtubo utilizando una mesa de tipo tirándole mini centrífuga a una densidad de 1.600 g durante 1-2 segundos para generar microgotas (Figura 4F). Llevar a cabo todos los experimentos a temperatura ambiente.
    Nota: Utilice una centrífuga de tipo tirándole. Una gotita puede chocar con una pared lateral del microtubo muestra y se desintegran cuando se utiliza una centrífuga de tipo de ángulo fijo.
  7. Lentamente elaborar el documento W / O gotitas mediante una pipeta, y luego, ponerlos en un vaso slide.
  8. Capturar imágenes de las microgotas generados usando un microscopio digital (magnificación de 200X).

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Results

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En este estudio, se presenta un método simple para la generación de microgotas W / S de tamaño de células mediante el uso de un dispositivo para microfluidos de centrífuga basada en capilar (Figura 1). El dispositivo microfluídico se compone de un soporte capilar (Figura 2B), dos capilares de vidrio (capilares de vidrio interior y exterior en la Figura 3C), y un microtubo que contiene un aceite que incluye tensioactivo. Se les inyectó 0,...

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Discussion

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El uso de este dispositivo, el monodisperso W / O microgotas fueron generados por Plateau-Rayleigh inestabilidad de un chorro de flujo 17. El examen microscópico no reveló la presencia de gotitas satélite. En la fabricación del dispositivo, tres pasos críticos son esenciales para generar con éxito microgotas W / O monodispersas. En primer lugar, para suministrar un flujo lineal de aceite que contiene tensioactivo y la solución acuosa, los orificios capilares de cuatro discos deben estar dispuestos en un patró...

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Disclosures

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

No se declaran conflictos de intereses.

Acknowledgements

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

Este trabajo fue apoyado por el área de investigación PRESTO "Diseño y Control de Funciones Celulares" de la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología (JST), una Subvención para la Investigación Científica de Áreas Innovadoras "Robótica Molecular" (Proyecto No. 24104002) del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT), Japón, Subvención de Ayuda para Jóvenes Científicos (A) (Proyecto No. 24680033) e Investigación Científica (B) (Proyecto No. 26280097) de la Sociedad Japonesa para el curso de Promoción de la Ciencia (JSPS), y el curso de Diseño Creativo para la Biociencia y la Biotecnología de la Escuela de Biociencia y Biotecnología de Tokyo Tech.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Placa de plástico poliacetálico de 2 mm de espesorHerramientaNikkyo Technos, Co., Ltd. (Japón)244-6432-08
Fresadora HerramientaRoland DG Co., Ltd. (Japón)MDX-40A
Fresa RSE230-0.5*2.5HerramientaNS Tool Co., Ltd. (Japón)01-00644-00501
Tornillos M2*40HerramientaJujo Química Sintética Labo. (Japón)0001-024
Herramienta de extracción de capillry de vidrioNarishige (Japón)PC-10
Herramienta MicroforgeNarishige (Japón)MF-900
Herramienta capilar de vidrio internoNarishige (Japón)G-1
Herramienta capilar de vidrio exteriorWorld Precision Instruments Inc. (EE. UU.)1B200-6
Herramienta de tubo de muestra de 1,5 mlINA OPTIKA CO.,LTD (Japón)ST-0150F
ReactivohexadecanoWako Pure Chemical Industries, Ltd. (Japón)080-03685 
Monooleato de sorbitán (Tramo 80)ReactivoTokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Japón)S0060
Reactivo del sistema Milli QMerck Millipore Corporation (Alemania)ZRQSVP030
Herramienta de minicentrífuga de tipo oscilanteHitech Co., Ltd. (Japón)ATT101
KEYENCE Corporation (Japón)VHX-2001
de, Herramienta de microscopio digital

References

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