מאמר שיטה

זוגי אמולסיה דור שימוש בהתקן זרימת פוקוס Co-הצירית polydimethylsiloxane (PDMS)

DOI:

10.3791/53516

⸱

25 בדצמבר 2015

 ,  , 
1Department of Pharmaceutical Chemistry, University of California, San Francisco, 2Joint UCSF/UCB Bioengineering Graduate Group, University of California, San Francisco, 3Department of Bioengineering and Therapeutic Sciences, University of California, San Francisco, 4California Institute for Quantitative Biosciences, University of California, San Francisco

במאמר זה

סיכום

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

יצירת תחליבים כפולים מיקרופלואידיים כוללת בדרך כלל מכשירים עם יכולת הרטבה מעוצבת או רכיבי זכוכית בהתאמה אישית. כאן אנו מתארים את הייצור והבדיקה של מחולל תחליב כפול שכולו פולידימתילסילוקסן (PDMS) שאינו דורש טיפול פני שטח או תהליכי ייצור מסובכים, ומסוגל לייצר תחליבים כפולים עד 14 מיקרומטר.

תקציר

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

תחליבים כפולים שימושיים במספר יישומים ביולוגיים ותעשייתיים שבהם חשוב שיהיה נוזל נשא מימי. מאמר זה מציג מכשיר מיקרופלואידי-נוזלי פולידימתילסילוקסן (PDMS) המסוגל לייצר תחליבים כפולים של מים/שמן/מים באמצעות גיאומטריית מיקוד זרימה קואקסיאלית שניתן לייצר כולה באמצעות ליתוגרפיה רכה. בדומה למכשירי אמולסיה המשתמשים בנימי זכוכית, ניתן ליצור תחליבים כפולים בתעלות עם יכולת הרטבה אחידה ובמידות קטנות בהרבה מגדלי התעלות. גיאומטריית מיקוד זרימה תלת מימדית מושגת על ידי יציקת זוג לוחות PDMS באמצעות ליתוגרפיה רכה דו-שכבתית, ולאחר מכן חיבור הלוחות יחד בתצורת צדפה. מאפייני נעילה משלימים המעוצבים לתוך לוחות ה-PDMS מאפשרים רישום מדויק של תכונות בכל אחד ממשטחי הלוחות. בדיקת מכשירים מדגימה היווצרות של אמולסיות כפולות בקוטר של 14 מיקרומטר עד 50 מיקרומטר תוך שימוש בתעלות גדולות העמידות בפני עכירות וסתימות.

מבוא

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

תחליבים זוגיים מורכבים של טיפות הופרדו משלב מוביל בשכבת ביניים, immiscible נוזל, ויש בם עניין מיוחד בשל שימושיהם האפשריים בתעשייה, תרופות, ויישומים ביולוגיים 1. במקרים מסוימים, היכולת לתמצת תרכובות ערך גבוהות בליבה של תחליב כפול מאפשרת חומר להיות מוגן ושוחרר באופן מבוקר. לדוגמא, תרופות עשויות להיות הגלומים בתנאי מסיסות אינה מתאימים למוביל הנוזל החיצוני 2. בנוסף, שכבת שמן ביניים יכולה לשמש כתבנית לכמוסת אנקפסולציה והאספקה ​​של תרופות, מוצרי קוסמטיקה, וחומרים מזינים 3. בביולוגיה, תחליבים כפולים שימושיים גם בהקרנת תפוקה גבוהה משום שהם מאפשרים מספר עצום של ניסויים תת-nanoliter להתבצע, אז זוהה ומסודר באמצעות תא הקרינה המופעל מיון מכשיר (FACS) 4,5.

אף אוזן גרון "> העיצוב של תחליבים כפולים עם מאפייני ביצועים רצויים דורשת השליטה המדויקת של גודל כפול תחליב, הרכב, ואחידות. למרות תהליכי תחליב תפזורת, כגון תחליב קרום, המשמשים בתעשייה, התחליבים וכתוצאה מכך הם polydisperse ביותר, מציגים מגוון רחב של נכסים פונקציונליים 1. תחום מיקרופלואידיקה רביב הוא באופן טבעי מתאים לדור של תחליבי monodisperse עם הרכב מבוקר בקפידה 6. דור תחליב הכפול Microfluidic הושג עם שתי אסטרטגיות עיקריות, קבלת ירידה רציפה וזרימת נימי זכוכית התמקדות. תחליבים זוגיים יכולים להיות שנוצר במכשירי PDMS מישוריים באמצעות ירידה דו-שלבי תהליך קבלת. ראשית, מימיים בשמן תחליבים נוצרים באמצעות אזור של מכשיר עם קירות ערוץ הידרופובי קבלת ירידה. הבא מים בשמן, התחליב יכול להיות זרם או reinjected לאזור קבלת טיפה עם קירות הידרופילי המתאימים לנפט במים4 קבלת לרדת. עם זאת, טיפול במשטח הידרופילי של PMDS דורש צעד ייצור נוסף ולעתים קרובות זמני 7. השיטה לשליטה והדיר ביותר ליצירת תחליבים כפולים היא על ידי זרימת שיתוף צירי התמקדות, טכניקה חלוצה באמצעות מיקרופלואידיקה נימי זכוכית, לפי סילון קונצנטריים המכיל שלושה השלבים הוא טעון דרך פתח קטן לייצור טיפות monodisperse 8. טכניקה זו מאפשרת לייצור טיפות קטנות בהרבה מממדי הערוץ, עם הגודל והרכב המדויקים של התחליב הכפול להיות פונקציה של שיעורי הזרימה של כל שלב. ההבדל הגדול בין אגל וגודל ערוץ וזרימת הנדן החיצוני המגנה מונע טיפות מיצירת קשר עם קירות הערוץ, טיוח טיפול שטח מיותר. עם זאת, מכשירי זכוכית מסוג זה מחייבים ייצור מותאם אישית של טיפים נימים מחודדים, יחד עם הרכבה ואיטום זהירים. חוקרים קודמים השתמשו litho הרך 3Dגרפיה לייצר תחליבים כפולים באמצעות זרימת התמקדות בפיסיקה, אבל המכשירים האלה מיוצרים בקטרים ​​תחליבים> 150 מיקרומטר 9,10, בערך בסדר גודל גדול יותר מאובייקטים בדרך כלל מסודרים עם FACS. חלופה אטרקטיבית תכלול את הפונקציונליות החזקה ודור אגל קטן של זרימה קואקסיאליים נימי זכוכית מתמקדת בקלות של ייצור ליתוגרפיה הרכה PDMS.

במאמר זה, אנו מתארים גנרטור תחליב כפול המשתמש בזרימת שיתוף צירי התמקדות לייצר ≤ 50 מיקרומטר תחליבים והוא בנוי כולו באמצעות 3D הרך ליתוגרפיה 11. המכשיר שלנו משתמש בגישת צדפה לפברק מכשירים הכוללים ערוץ קטן גז (איור 1) כדי להתקרב לתהליכי היווצרות תחליב בזרבובית זכוכית משך נימים. יותר מכך, התקנים אלה לא דורשים טיפול משטח ספציפי, ובניית כל הפולימר מספקת sc ייצור קל והדירalable למספר רב של מכשירים כפולים. כאן, אנו מתארים את העיצוב, ייצור, ובדיקה של גנרטור הכפול התחליב. דור תחליב זוגי מוצג להיות חזק ודיר אל קטרי טיפה של 14 מיקרומטר. הצימוד של פונקציונליות עם קלות הייצור הופך מכשיר זה אופציה מושכת עבור פיתוח של יישומי תחליב כפולים חדשים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

ייצור מאסטר 1. SU8

  1. עיצוב מבני microfluidic לשני ייצור שכבה באמצעות תוכנת AutoCAD ויש עיצובים מודפסים על ידי ספק בסרט המעגלים עם 10 מיקרומטר רזולוציה. הפרטים של עיצוב מכשיר ניתנים בהתייחסות מצורף 11 וגיאומטריות הערוץ מוצגות באיור 1. השכבות צריכים לכלול סימני יישור כדי לעזור לָבוֹא בְּצִרוּף עִם תכונות מכל שכבת ייצור 12.
  2. מניחים פרוסות סיליקון בקוטר 3 אינץ 'ניקה מראש על coater ספין ולהפעיל את הוואקום להדביק אותו לצ'אק. החל 1 מיליליטר של SU8-3035 במרכז הרקיק והספין במשך 20 שניות ב 500 סל"ד, אז 30 שניות ב2,000 סל"ד, מתן עובי שכבה של 50 מיקרומטר.
  3. הסר את הרקיק ולאפות על פלטה חמה C ° 135 למשך 30 דקות. לאפשר הרקיק להתקרר לRT לפני שעבר לשלב הבא.
  4. לחשוף את הרקיק המצופה למסיכת שכבת -1 (איור 2 א ) תחת 190 mW collimated, 365 ננומטר LED עבור 90 שניות. לאחר חשיפה, מניח את פרוסות על פלטה חמה C ° 135 דקות 1, אז מגניבים RT לפני שתמשיכו לשלב הבא.
  5. מניחים את פרוסות על coater הספין ולהפעיל את הוואקום להדביק אותו לצ'אק. החל 1 מיליליטר של SU8-2050 במרכז הרקיק והספין במשך 20 שניות ב 500 סל"ד, אז 30 שניות ב1,375 סל"ד, וכתוצאה מכך שכבה המספקת עובי נוסף של 135 מיקרומטר.
  6. הסר את הרקיק ולאפות על פלטה חמה C ° 135 למשך 30 דקות, ולאחר מכן מגניב RT לפני המעבר לשלב הבא.
  7. יישר את מסכת שכבת 2 nd (איור 2) על הגיאומטריה בדוגמת ב1.3 ולחשוף את הרקיק המצופה לmW 190 collimated, 365 ננומטר LED 3 דקות. לאחר חשיפה, שם על פלטה חשמלית C ° 135 דקות 1, אז מגניב RT לפני שתמשיך לשלב הבא.
  8. לפתח את המסכות ידי טבילה באמבט עורר של אצטט אתר monomethyl פרופילן גליקול למשך 30 דקות. לשטוף את הרקיקבisopropanol ולאפות על פלטה חמה C ° 135 דקות 1. מניחים את המאסטר שפותח בצלחת פטרי 100 מ"מ ליציקת PDMS.

2. PDMS ייצור מכשיר

  1. הכן 10: 1 PDMS על ידי שילוב של 50 גרם של בסיס סיליקון עם 5 גרם של סוכן ריפוי בכוס פלסטיק. מערבבים את התכולה עם מצויד במקל מערבבים כלי סיבובי. דגה התערובת בתוך תא ייבוש למשך 30 דקות, או עד שכל בועות האוויר יוסרו.
  2. יוצקים את PDMS לתת עובי של 3 מ"מ על האדון ומניח בחזרה לייבוש לסילוק גזים נוספים. ברגע שכל הבועות יוסרו, לאפות את המכשיר ב 60 מעלות צלזיוס במשך שעה 2.
  3. חותך את המכשיר מהתבנית בעזרת אזמל ומניחים על משטח נקי עם הצד עד בדוגמת. חותך את עובש PDMS במחצית בסכין גילוח להפריד 1 שני מMaster 2 (איור 3 א). על פיסה מכילה הגיאומטריה טיפול 50 מיקרומטר נוזל הטבוע על ידי 1 הורים, אגרוף פתחי הכניסה fluidic ושקעים עם 0.75 מ"מ ביופסיה.
  4. פלזמה לטפל במכשירים בפלזמת 2 O mbar 1 למשך 60 שניות בשואב פלזמה 300 W. להרטיב את פני השטח של פיסת PDMS unpunched עם טיפת מים DI לעכב באופן זמני מליטה PDMS-PDMS ומשמש כחומר סיכה. בעת הצפייה במיקרוסקופ סטריאו, מאסטר המקום 1 בMaster 2 פני השטח והחלק את המשטחים יחסית עד נעילה מכאנית מושגת כאשר מסגרות הפסקה ומסגרות בולטות בבן זוג איור 3 א.
  5. הנח את המכשיר בתנור 60 ° C ואופה המכשיר התאסף (איור 3) לשני ימים ב 60 ° C להתאדות המים ומליטה מלאה.

3. הכנת ריאגנטים

  1. מלא מזרק 1 מיליליטר עם מים מזוקקים לשלב הפנימי.
  2. מלא מזרק 1 מיליליטר עם HFE 7500 שמן פלואור עם WT 1. % פעילי שטח פעילי שטח ביולוגית 13 בשלב האמצע.
  3. מלא מזרק 10 מיליליטר עם 10 WT. % פוליאתילןגליקול דואר (PEG) בפתרון מים המכילים 1 WT. % Tween 20 וWT 1. % סולפט dodecyl נתרן בשלב הרציף.

4. הכנת מערכת

  1. מניחים את שבב מייקרו-הנוזלי על הבמה של מיקרוסקופ הפוך בשילוב עם מצלמה דיגיטלית מסוגלים <100 μsec מהירויות תריס.
  2. הר כל המזרקים על משאבות מזרק ולצרף 27 מחטי G. צרף ~ 30 סנטימטר אורך של PE-2 צינורות במחטים ולהכניס את הקצוות למתאימים אגרוף חורים במכשיר.
  3. הכנס אורך 10 סנטימטר של PE-2 ליציאת היציאה של המכשיר ולמקם את הקצה השני במכל איסוף פסולת.
  4. ראש המכשיר על ידי הפעלת משאבות מזרק בשיעורים גבוהים של מהירויות (2,000 μl / min) עד נוזל במגזרי צינורות מגיע ליציאות הכניסה של המכשיר.

5. אמולסיה דור

  1. פוקוס מיקרוסקופ באזור שמכיל 50 מיקרומטר x 50 פתח ומיקרומטרערוץ יציאה במורד הזרם.
  2. הגדר את משאבות המזרק כדי לספק נוזלים לגנרטור הכפול התחליב בספיקות של 250 μl / שעה לשלב הפנימי, 100 μl / שעה בשלב ביניים, ו -700 μl / שעה בשלב הרציף ולחכות 10 דקות לאיזון.
  3. לשמור על שיעורי הזרימה של השלבים הפנימיים ותיכונים ב250 μl / שעה ו 100 μl / שעה, בהתאמה. הגדר את קצב הזרימה של השלב החיצוני ב1,050 μl / שעה. חכה 3-5 דקות לדור הכפול התחליבים לייצב תחת קבוצה זו של תנאי זרימה.
  4. לרכוש 5 שניות של תמונות וידאו ליום 30 בהרץ לעיבוד מחובר באמצעות ניתוח תמונה ידני.
  5. חזור על 5.3 ו -5.4 עם ספיקות נתון בטבלה 1. ספיקות השלב הפנימיות ואמצע נשארות קבועות וקצב זרימת שלב המוביל מגוון על ידי התאמת ההגדרה של משאבת המזרק.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

גנרטור הכפול התחליב מורכב ממכשיר זרימת התמקדות שיתוף צירי נוצר באמצעות ייצור 3D PDMS (איור 1 א). הגיאומטריה מאפשרת היווצרות של סילון שיתוף צירי שלושה שלבים ללהיות טעון לתוך כיכר, 50 מיקרומטר x 50 מיקרומטר פתח, המאפשרת ההיווצרות של תחליבים כפולים מים / שמן / מים (איור 1, איור 1 ג). השלב המימי הפנימי ושלב נפט אמצע הם הביאו יחד בצומת עם ממדי ערוץ 10 מיקרומטר x 50 מיקרומטר (איור 1D, נק...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

הגיאומטריה מניבת תחליב הכפולה המתוארת כאן נועדה לחקות את הפיזיקה של התקני נימי זכוכית 8. באלה, נימי זכוכית גליליות מיושר משמשות ליצירת סילון קואקסיאליים שלושה שלב שהוא טעון לטיפי תחליב כפולות אחידות. הפונקציה של מכשיר 3D PDMS תלויה ביישור של תכונות קטנות שנוצרו עם 50 מיקרומטר ייצור גבוה עם ערוצי שלב ספק שהם 320 מיקרומטר בגובה כולל המרכזי. יש פוטנציאל משמעותי לmisaligning התכונות גבוהות בדוגמת ידי מסיכת שכבת 2 nd בשלב 1.7 ביחס לגיאומטריה הגבוהה 50 מיקרומטר אם ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

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

עבודה זו נתמכה על פרס מחקר ממכון קליפורניה לBiosciences כמותי (QB3), פרס גאפ גישור מטעם קרן משפחת רוג'רס, קליפורניה בסן פרנסיסקו / סנדלר תכנית הקרן למחקר ביו-רפואי פריצת דרך, מענק מBASF, וNSF דרך על ידי תכנית לימודי בתחילת פיתוח קריירה (קריירה) (DBI-1,253,293).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מסכות פוטוCadArt Servcies
3 אינץ' פרוסות סיליקון, סוג P, דרגת בדיקה בתוליתפרוסות אוניברסיטה447
SU-8 3035MicrochemY311074
SU-8 2050MicrochemY111072
Sylgard 184 ערכת אלסטומר סיליקוןKrayden4019862
מזרקים 1 מ"לBD
מזרקים 10 מ"לBD309604
27 מחטי מדBD305109
PE 2 צינורות פוליאתילןScientific Commodities, Inc.B31695-PE/2
Novec 7500Fisher Scientific98-0212-2928-5ידוע בכינויו HFE 7500
חומר פעילי שטח ביולוגיRan Biotechnologies008-FluoroSurfactant
35,000 MW PEGSigma Aldrich1546660
Tween 20Sigma AldrichP1369
נתרן דודציל סולפט סיגמא אולדריץ'L3771
309628

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Laugel, C., Baillet, A. P., Youenang Piemi, M., Marty, J., Ferrier, D. Oil-water-oil multiple emulsions for prolonged delivery of hydrocortisone after topical application: comparison with simple emulsions. Int. J. Pharm. 160 (1), 109-117 (1998).
  3. Kim, S. H., Kim, J. W., Cho, J. C., Weitz, D. A. Double-emulsion drops with ultra-thin shells for capsule templates. Lab Chip. 11 (18), 3162-3166 (2011).
  4. Lim, S. W., Abate, A. R. Ultrahigh-throughput sorting of microfluidic drops with flow cytometry. Lab Chip. 13 (23), 4563-4572 (2013).
  5. Bernath, K., Hai, M., Mastrobattista, E., Griffiths, A. D., Magdassi, S., Tawfik, D. S. In vitro compartmentalization by double emulsions: sorting and gene enrichment by fluorescence activated cell sorting. Anal. Biochem. 325 (1), 151-157 (2004).
  6. Seemann, R., Brinkmann, M., Pfohl, T., Herminghaus, S. Droplet based microfluidics. Rep. Prog. Phys. 75 (1), 016601(2012).
  7. Bauer, W. A. C., Fischlechner, M., Abell, C., Huck, W. T. S. Hydrophilic PDMS microchannels for high-throughput formation of oil-in-water microdroplets and water-in-oil-in-water double emulsions. Lab Chip. 10 (14), 1814-1819 (2010).
  8. Utada, A. S., Lorenceau, E., Link, D. R., Kaplan, P. D., Stone, H. A., Weitz, D. A. Monodisperse double emulsions generated from a microcapillary device. Science. 308 (5721), 537-541 (2005).
  9. Chang, F. C., Su, Y. C. Controlled double emulsification utilizing 3D PDMS microchannels. J. Micromech. Microeng. 18 (6), 065018(2008).
  10. Romanowsky, M. B., Abate, A. R., Rotem, A., Holtze, C., Weitz, D. A. High throughput production of single core double emulsions in a parallelized microfluidic device. Lab Chip. 12 (4), 802-807 (2012).
  11. Tran, T. M., Cater, S., Abate, A. R. Coaxial flow focusing in poly(dimethylsiloxane) microfluidic devices. Biomicrofluidics. 8 (1), 016502(2014).
  12. Lithography. , Available from: https://www.memsnet.org/mems/processes/lithography.html (2015).
  13. O'Donovan, B., Eastburn, D. J., Abate, A. R. Electrode-free picoinjection of microfluidic drops. Lab Chip. 12 (20), 4029-4032 (2012).
  14. Chang, F. C., Lin, H. H., Su, Y. C. Controlled W/O/W double emulsification in 3-D PDMS micro-channels. 3rd IEEE Int. Conf. Nano/Micro Eng. Mol. Syst. NEMS, , 792-795 (2008).
  15. Romanowsky, M. B., Abate, A. R., Rotem, A., Holtze, C., Weitz, D. A. High throughput production of single core double emulsions in a parallelized microfluidic device. Lab Chip. 12 (4), 802(2012).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

PDMSSoft Lithography

מאמרים קשורים