Double Emulsion génération utilisant un flux focus périphérique (PDMS) Co-axial

Résumé

La génération d’émulsions doubles microfluidiques implique généralement des dispositifs avec une mouillabilité à motifs ou des composants en verre fabriqués sur mesure. Nous décrivons ici la fabrication et le test d’un générateur d’émulsion double entièrement polydiméthylsiloxane (PDMS) qui ne nécessite pas de traitement de surface ou de processus de fabrication compliqués, et qui est capable de produire des émulsions doubles jusqu’à 14 μm.

Résumé

Les émulsions doubles sont utiles dans un certain nombre d’applications biologiques et industrielles dans lesquelles il est important d’avoir un fluide porteur aqueux. Cet article présente un dispositif microfluidique de polydiméthylsiloxane (PDMS) capable de générer des émulsions doubles eau/huile/eau à l’aide d’une géométrie de focalisation à flux coaxial qui peut être entièrement fabriquée à l’aide de la lithographie douce. À l’instar des dispositifs à émulsion utilisant des capillaires en verre, les émulsions doubles peuvent être formées dans des canaux avec une mouillabilité uniforme et des dimensions beaucoup plus petites que les tailles des canaux. La géométrie tridimensionnelle de focalisation de l’écoulement est obtenue en coulant une paire de dalles PDMS à l’aide de la lithographie douce à deux couches, puis en accouplant les dalles ensemble dans une configuration à clapet. Des caractéristiques de verrouillage complémentaires moulées dans les dalles PDMS permettent un enregistrement précis des caractéristiques sur chacune des surfaces de la dalle. Les tests sur appareil démontrent la formation d’émulsions doubles de 14 μm à 50 μm de diamètre tout en utilisant de grands canaux robustes contre l’encrassement et le colmatage.

Introduction

Émulsions doubles se composent de gouttelettes séparées d'une phase de support par une couche de fluide intermédiaire, non miscible, et sont d'un intérêt particulier en raison de leurs utilisations potentielles dans les secteurs industriel, pharmaceutique, et les applications biologiques ^1. Dans certains cas, la capacité d'encapsuler des composés à haute valeur dans le noyau permet une émulsion double matière à protéger et libérée de manière contrôlée. Par exemple, les médicaments peuvent être encapsulés dans des conditions de solubilité pas appropriées pour le support fluide externe ^2. En outre, la couche huileuse intermédiaire peut être utilisé comme modèle de la capsule pour l'encapsulation et la libération de médicaments, les cosmétiques et les nutriments ^3. En biologie, émulsions doubles sont également utiles dans le criblage à haut débit, car ils permettent un nombre massif d'expériences sous-nanolitre à effectuer, alors détecté et triée en utilisant une cellule activé par fluorescence (FACS) ^4,5 instrument.

ent "> La conception d'émulsions doubles avec des caractéristiques de performance souhaités nécessite un contrôle précis de la double la taille de l'émulsion, la composition et l'uniformité. Bien que les processus d'émulsification en vrac, tels que l'émulsification de la membrane, sont utilisés dans l'industrie, les émulsions résultant sont très polydisperse, présentant une grande variété de propriétés fonctionnelles ^1. Le champ des gouttelettes microfluidique est naturellement adapté la génération d'émulsions monodisperses avec la composition soigneusement contrôlé ^6. microfluidique doublera la production d'émulsion a été réalisé avec deux stratégies principales, ce qui rend de baisse séquentielle et de flux capillaire en verre de focalisation. émulsions doubles peuvent être générés dans des dispositifs PDMS planes en utilisant une goutte à deux étapes de décision. Tout d'abord, aqueux-dans-huile sont créés en utilisant une émulsion eau-dans-huile région d'un dispositif avec des parois de canal hydrophobes faisant goutte. Ensuite, l'émulsion peut être coulé ou réinjecté dans une région faisant goutte-à parois hydrophiles adaptés à huile dans l'eaudéposez-faire ^4. Cependant, le traitement de surface hydrophile du PMDS nécessite une étape de fabrication supplémentaire et il est souvent temporaire ^7. La méthode la plus contrôlable et reproductible à former des émulsions doubles est en écoulement co-axial de focalisation, en utilisant une technique pionnier microfluidique capillaire en verre, grâce à quoi un jet concentrique contenant les trois phases est cisaillé à travers un petit orifice pour produire des gouttelettes monodispersées ^8. Cette technique permet la production de gouttelettes beaucoup plus petites que les dimensions de canal, avec la taille et la composition précise de la double émulsion étant une fonction des débits de chaque phase de débit. La grande différence entre les gouttelettes et la taille du canal et l'écoulement de la gaine externe de protection empêche les gouttelettes d'entrer en contact les parois des canaux, ce qui rend inutile le traitement de surface. Cependant, de tels dispositifs de verre exigent la fabrication sur mesure de conseils capillaires coniques, avec un montage soigné et étanchéité. Enquêteurs précédents ont utilisé litho douce 3Dgraphie de générer des émulsions doubles en utilisant le flux concentrant physique, mais ces dispositifs produit des émulsions avec des diamètres> 150 um ^9,10, soit environ un ordre de grandeur plus grand que les objets généralement triées avec FACS. Une alternative intéressante serait inclure la fonctionnalité robuste et petite génération de gouttelettes d'écoulement coaxial capillaire en verre se concentrant à la facilité de fabrication des PDMS lithographie douce.

Dans cet article, nous décrivons un générateur de double émulsion qui utilise les flux de co-axial se concentrant pour produire ≤ 50 um émulsions et est construit en utilisant entièrement 3D lithographie douce ^11. Notre dispositif utilise une approche à clapet pour fabriquer des dispositifs qui comprend un petit canal de cisaillement (Figure 1) de rapprocher les processus de formation de l'émulsion dans une buse capillaire de verre tiré. Plus important encore, ces dispositifs nécessitent aucun traitement de surface spécifique, et la construction tout polymère fournit facile et reproductible fabrication scalable à un grand nombre de périphériques en double. Ici, nous décrivons la conception, la fabrication et les tests du générateur double émulsion. Double génération d'émulsion se révèle être robuste et reproductible jusqu'à des diamètres de gouttelettes de 14 um. Le couplage de la fonctionnalité avec la facilité de fabrication rend ce dispositif une option attrayante pour le développement de nouvelles applications doubles d'émulsion.

Protocole

1. SU8 Fabrication de Maître

1. Concevoir les structures microfluidiques pour deux fabrication de couche en utilisant le logiciel AutoCAD et ont les dessins imprimés par un fournisseur sur le film de la carte de circuit avec 10 um résolution. Les détails de la conception de l'appareil sont données dans une référence attachée ^{11 et} les géométries de canaux sont présentés dans la figure 1. Les couches devraient inclure des repères d'alignement pour aider placez les caractéristiques de chaque couche de fabrication ^12.
2. Placez une tranche de silicium de 3 pouces de diamètre préalablement nettoyé sur une tournette et tourner sur le vide pour l'apposer sur le mandrin. Appliquer 1 ml de SU8-3035 dans le centre de la plaquette et de spin pendant 20 secondes à 500 tours par minute, puis 30 secondes à 2000 tours par minute, offrant une épaisseur de couche de 50 um.
3. Retirer la plaquette et faire cuire sur une plaque de cuisson à 135 ° C pendant 30 min. Laisser refroidir la tranche à la température ambiante avant de passer à l'étape suivante.
4. Exposer la tranche revêtue ^au 1 er masque de calque (figure 2A ) sous un collimaté 190 mW, 365 nm LED pendant 90 secondes. Après l'exposition, placez la galette sur une plaque de cuisson de 135 C ° pendant 1 min, puis refroidir à température ambiante avant de procéder à la prochaine étape.
5. Placez la plaquette sur la tournette et tourner sur le vide pour l'apposer sur le mandrin. Appliquer 1 ml de SU8-2050 dans le centre de la plaquette et de spin pendant 20 secondes à 500 tours par minute, puis 30 secondes à 1375 tours par minute, résultant en une couche qui fournit une épaisseur supplémentaire de 135 um.
6. Retirer la plaquette et cuire sur une plaque de cuisson à 135 ° C pendant 30 min, puis refroidir à température ambiante avant de passer à l'étape suivante.
7. Aligner le ² ème masque de calque (figure 2B) sur la géométrie à motifs en 1.3 et exposer la plaquette revêtu à une collimaté 190 mW, 365 nm LED pendant 3 min. Après l'exposition, placer sur une plaque de cuisson à 135 ° C pendant 1 min, puis refroidir à température ambiante avant de procéder à la prochaine étape.
8. Développer les masques par immersion dans un bain sous agitation de propylèneglycol acétate d'éther monométhylique de 30 min. Laver la plaquettedans de l'isopropanol et de cuisson sur une plaque chauffante à 135 ° C pendant 1 min. Placez le maître développé dans un plat 100 mm Petri pour PDMS moulage.

2. PDMS de fabrication du dispositif

1. Préparation 10: 1 PDMS en combinant 50 g de base de silicone avec 5 g d'agent de durcissement dans un gobelet en plastique. Mélanger le contenu avec un outil rotatif équipé d'un bâtonnet. Dégazer le mélange dans un dessiccateur pendant 30 minutes, ou jusqu'à ce que toutes les bulles d'air sont éliminées.
2. Verser les PDMS pour donner une épaisseur de 3 mm sur le maître et remettez-le dans le dessiccateur pour plus de dégazage. Une fois que toutes les bulles sont enlevées, cuire le dispositif à 60 ° C pendant 2 heures.
3. Couper l'appareil du moule à l'aide d'un scalpel et le placer sur une surface propre avec le côté à motifs en place. Couper le moule PDMS en deux avec une lame de rasoir pour séparer Master 1 de Master 2 (Figure 3a). Sur la pièce contenant la géométrie de manutention de 50 um de fluide imprimée par Master 1, poinçonner les entrées et les sorties fluidiques avec un 0,75 mm de punch biopsie.
4. Plasma traiter les appareils à 1 mbar _plasma O 2 pendant 60 secondes dans un nettoyeur à plasma de 300 W. Mouiller la surface de la pièce unpunched de PDMS avec une goutte d'eau DI pour retarder temporairement la liaison PDMS-PDMS et servir comme un lubrifiant. Tout en regardant dans un microscope stéréo, lieu Master 1 Master 2 sur la surface et faites glisser les surfaces relativement jusqu'à un verrouillage mécanique est atteint lorsque les cadres encastrés et cadres en saillie dans la figure 3A compagnon.
5. Placer le dispositif dans un four à 60 ° C et cuire le dispositif assemblé (figure 3B) pendant deux jours à 60 ° C pour évaporer l'eau et le collage complet.

3. Préparation des réactifs

1. Remplissez seringue de 1 ml avec de l'eau distillée pour la phase interne.
2. Remplissez seringue de 1 ml avec HFE 7500 huile fluorée avec 1 poids. % De tensioactif biocompatible tensioactif ^{13 pour la} phase intermédiaire.
3. Remplir la seringue de 10 ml avec 10 poids. % Polyéthylènee glycol (PEG) dans une solution aqueuse contenant 1 en poids. % De Tween 20 et 1 en poids. % De dodécylsulfate de sodium à la phase continue.

4. Preparation System

1. Placer la puce microfluidique sur la platine d'un microscope inversé couplé à une caméra numérique capable de <100 us vitesses d'obturation.
2. Montez toutes les seringues sur les pompes à seringues et fixer 27 g aiguilles. Fixez ~ 30 cm de longueur de tube PE-2 sur les aiguilles et insérer les bouts dans le appropriée de poing des trous dans le dispositif.
3. Insérer une longueur de 10 cm de PE-2 dans l'orifice de sortie du dispositif et placer l'autre extrémité dans un récipient de collecte des déchets.
4. Premier dispositif en exécutant les pompes à seringues à des taux élevés de vitesses (2000 pi / min) jusqu'à ce liquide dans les segments de tube atteint les ports du dispositif d'entrée.

5. Génération Emulsion

1. Concentrer le microscope sur une région qui contient le 50 um x 50 um et l'orificeaval canal de sortie.
2. Définissez les pompes de la seringue pour délivrer un fluide à la double générateur d'émulsion à des taux de 250 pi / h pour la phase interne, 100 pl / h pour la phase intermédiaire, et 700 pi / h pour la phase continue débit et attendre 10 minutes pour atteindre l'équilibre.
3. Maintenir les taux des phases interne et moyenne écoulement à 250 pi / h et 100 pi / h, respectivement. Fixer le taux de la phase externe de flux à 1050 pi / h. Attendez 3-5 min pour le double génération des émulsions pour stabiliser sous cet ensemble de conditions d'écoulement.
4. Acquérir 5 secondes d'images vidéo à 30 Hz pour le traitement hors ligne via une analyse manuelle d'image.
5. Répéter 5,3 et 5,4 avec les débits indiqués dans le tableau 1. Les débits de phase interne et intermédiaire sont maintenues constantes et la vitesse d'écoulement de phase de porteuse est variée en ajustant le réglage de la pompe à seringue.

Résultats

Le générateur double émulsion se compose d'un dispositif de co-axiale flux concentrant créé en utilisant 3D PDMS fabrication (figure 1A). La géométrie permet que la formation d'une co-axiale jet en trois phases pour être cisaillé dans un carré, 50 um x 50 um orifice, permettant la formation d'eau / huile / eau émulsions doubles (figure 1B, 1C Figure). La phase aqueuse interne et la phase d'huile de milieu sont rassemblés à un carrefour a...

Discussion

La géométrie émulsion double générateur décrit ici est conçu pour imiter la physique des dispositifs de capillaires en verre ^8. Dans ceux-ci, des capillaires en verre cylindriques alignées sont utilisés pour créer un jet coaxial à trois phases qui est cisaillé en doubles gouttelettes d'émulsion uniforme. La fonction de notre dispositif 3D PDMS dépend de l'alignement central de petits traits formés avec 50 um de hauteur avec les chaînes de fabrication de la phase porteuse qui sont 320 um de hauteur tot...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Photomasques	CadArt Servcies
Plaquettes de silicone 3", type P, vierge de qualité d’essai	University Wafers	447
SU-8 3035	Microchem	Y311074
SU-8 2050	Microchem	Y111072
Sylgard 184 kit d’élastomère de silicone	Krayden	4019862
seringues de 1 ml	BD
seringues de 10 ml	BD	309604
aiguilles de 27 gaugues	BD	305109
tube en polyéthylène PE 2	Scientific Commodities, Inc.	B31695-PE/2
Novec 7500	Fisher Scientific	98-0212-2928-5	Communément appelé HFE 7500
Tensioactif biocompatible	Ran Biotechnologies	008-FluoroSurfactant
35 000 MW PEG	Sigma Aldrich	1546660
Tween 20	Sigma Aldrich	P1369
Dodécylsulfate de sodium  ;	Sigma Aldrich	L3771