Doppia Emulsione Generazione Utilizzando un Polidimetilsilossano (PDMS) coassiale flusso fuoco Dispositivo

Sommario

La generazione di doppie emulsioni microfluidiche coinvolge tipicamente dispositivi con bagnabilità modellata o componenti in vetro fabbricati su misura. Qui descriviamo la fabbricazione e il collaudo di un generatore di doppia emulsione interamente in polidimetilsilossano (PDMS) che non richiede trattamenti superficiali o complicati processi di fabbricazione ed è in grado di produrre doppie emulsioni fino a 14 μm.

Abstract

Le emulsioni doppie sono utili in una serie di applicazioni biologiche e industriali in cui è importante avere un fluido vettore acquoso. Questo articolo presenta un dispositivo microfluidico in polidimetilsilossano (PDMS) in grado di generare doppie emulsioni acqua/olio/acqua utilizzando una geometria di focalizzazione del flusso coassiale che può essere fabbricata interamente utilizzando la litografia morbida. Analogamente ai dispositivi di emulsione che utilizzano capillari di vetro, le emulsioni doppie possono essere formate in canali con bagnabilità uniforme e con dimensioni molto più piccole delle dimensioni del canale. La geometria tridimensionale di focalizzazione del flusso si ottiene colando una coppia di lastre PDMS utilizzando la litografia morbida a due strati, quindi accoppiando le lastre insieme in una configurazione a conchiglia. Le funzioni di bloccaggio complementari stampate nelle lastre PDMS consentono la registrazione accurata delle caratteristiche su ciascuna delle superfici della soletta. I test del dispositivo dimostrano la formazione di doppie emulsioni da 14 μm a 50 μm di diametro, utilizzando canali di grandi dimensioni robusti contro incrostazioni e intasamenti.

Introduzione

Emulsioni doppie consistono goccioline separate da una fase portante da uno strato liquido immiscibile intermedio, e sono di particolare interesse per le loro potenziali impieghi industriali, farmaceutici e applicazioni biologiche ^1. In alcuni casi, la capacità di incapsulare composti ad alto valore del core doppio dell'emulsione permette materiale da proteggere e rilasciato in modo controllato. Ad esempio, i farmaci possono essere incapsulati in condizioni di solubilità non appropriati per il vettore fluido esterno ^2. Inoltre, lo strato di olio intermedio può essere utilizzato come modello per la capsula incapsulamento e la consegna di farmaci, cosmetici e nutrienti ^3. In biologia, doppie emulsioni sono anche utili in screening ad alto rendimento in quanto consentono un enorme numero di esperimenti sub-nanolitri da effettuare, quindi rilevato e risolto utilizzando una cella a fluorescenza-attivato (FACS) strumento ^4,5.

ent "> Il disegno di doppi emulsioni con caratteristiche prestazionali desiderate richiede il controllo preciso della dimensione doppia emulsione, composizione e uniformità. I ​​processi di emulsificazione sfuso, come le membrane emulsificazione, sono utilizzati nell'industria, le emulsioni risultanti sono altamente polidisperso, esibendo un Un'ampia varietà di proprietà funzionali ^1. Il campo di goccia microfluidica è naturalmente adatto alla generazione di emulsioni monodisperse con composizione attentamente controllata ^6. Microfluidic generazione doppia emulsione è stato raggiunto con due strategie principali, la preparazione di goccia sequenziale e flusso capillare di vetro concentrandosi. emulsioni doppie possono essere generati in dispositivi PDMS planari utilizzando una goccia in due fasi processo. Primo, acquosa-in-olio vengono creati utilizzando un acqua-in-olio regione di un dispositivo con pareti di canale idrofobici fabbricazione goccia. Successivamente, l'emulsione può essere scorreva o reiniettato in una regione-making goccia con pareti idrofili adatti per olio in acquadrop-fare ^4. Tuttavia, il trattamento di superficie idrofila di PMDS richiede un ulteriore fase di fabbricazione ed è spesso temporanea ^7. Il metodo più controllabile e ripetibile per formare emulsioni doppie è di flusso coassiale focalizzazione, una tecnica sperimentato usando microfluidica capillare di vetro, per cui un getto concentrica contenente le tre fasi viene tagliato attraverso un piccolo orifizio per produrre goccioline monodisperse ^8. Questa tecnica permette la produzione di goccioline molto più piccole rispetto alle dimensioni di canale, con la dimensione precisa e composizione del doppio dell'emulsione essendo funzione delle portate di ciascuna fase. La grande differenza tra le dimensioni delle gocce e il canale ed il flusso protettivo guaina esterna impedisce goccioline dal contatto con le pareti del canale, rendendo non necessario il trattamento di superficie. Tuttavia, tali dispositivi richiedono vetro montaggio su ordinazione di estremità dei capillari conici, insieme a un'attenta assemblaggio e sigillatura. Ricercatori precedenti hanno utilizzato 3D litografia sofficegrafia di generare doppi emulsioni utilizzando flusso focalizzazione fisica, ma questi dispositivi prodotta emulsioni con diametri> 150 micron ^9,10, circa un ordine di grandezza più grande di oggetti tipicamente ordinati con FACS. Un'alternativa interessante includerebbe la robusta funzionalità e piccola generazione goccia di vetro capillare flusso coassiale messa a fuoco con la facilità di fabbricazione di PDMS morbido litografia.

In questo articolo, si descrive un doppio generatore di un'emulsione che utilizza il flusso coassiale di messa a fuoco per produrre ≤ 50 micron emulsioni ed è costruito interamente con 3D litografia soft ^11. Il nostro dispositivo utilizza un approccio a conchiglia per fabbricare dispositivi che include un piccolo canale di taglio (figura 1) per approssimare i processi di formazione di emulsione in un ugello capillare di vetro tirato. Ancora più importante, questi dispositivi non richiedono alcun trattamento superficiale specifica, e la costruzione tutto polimero fornisce un facile e ripetibile fabbricazione scalable a un gran numero di dispositivi duplicati. Qui, descriviamo la progettazione, fabbricazione e collaudo del doppio generatore di emulsione. Generazione Doppia emulsione è dimostrato di essere affidabile e ripetibile fino a diametri delle gocce di 14 micron. L'accoppiamento di funzionalità, facilità di fabbricazione rende questo dispositivo un'opzione attraente per sviluppo di nuove applicazioni doppia emulsione.

Protocollo

1. SU8 Maestro Fabrication

1. Progettare le strutture microfluidica per due fabbricazione strato utilizzando il software AutoCAD e avere i disegni stampati da un fornitore su pellicola circuito con risoluzione di 10 micron. I dettagli del progetto del dispositivo sono riportati in un riferimento collegato ¹¹ e le geometrie dei canali nella Figura 1. Gli strati devono includere segni di allineamento per aiutare colloca caratteristiche da ogni strato fabbricazione ^12.
2. Posizionare un 3 pollici wafer di silicio del diametro di pre-pulizia su un dispositivo a induzione giro e accendere il vuoto di apporre al mandrino. Applicare 1 ml di SU8-3035 al centro della fetta e centrifugare per 20 sec a 500 rpm, quindi 30 secondi a 2000 rpm, fornendo uno spessore di 50 micron.
3. Rimuovere il wafer e cuocere su una piastra riscaldante a 135 ° C per 30 min. Lasciare raffreddare il wafer di RT prima di passare alla fase successiva.
4. Esporre il wafer rivestito ^al 1 maschera di livello (Figura 2A ) sotto un collimato 190 mW, 365 nm LED per 90 secondi. Dopo l'esposizione, posizionare il wafer su una piastra 135 ° C per 1 minuto, poi raffreddare a RT prima di procedere alla fase successiva.
5. Posizionare la cialda sul dispositivo a induzione di rotazione e accendere il vuoto di apporre al mandrino. Applicare 1 ml di SU8-2050 al centro della fetta e centrifugare per 20 sec a 500 rpm, quindi 30 secondi a 1.375 rpm, risultante in uno strato che fornisce uno spessore di 135 micron aggiuntivo.
6. Rimuovere il wafer e cuocere su una piastra 135 ° C per 30 minuti, poi raffreddare per RT prima di passare alla fase successiva.
7. Allineare la maschera di livello 2 ^{nd (Figura} 2B) sulla geometria modellata in 1.3 ed esporre il wafer rivestito per un collimato 190 mW, 365 nm LED per 3 min. Dopo l'esposizione, posto su una piastra 135 ° C per 1 minuto, poi raffreddare per RT prima di procedere alla fase successiva.
8. Sviluppare le maschere immergendo in un bagno agitata di propilenglicole monometiletere acetato per 30 min. Lavare il waferin isopropanolo e cuocere su una piastra 135 ° C per 1 min. Posizionare il maestro sviluppato in una capsula di Petri 100 mm per lo stampaggio PDMS.

2. PDMS di fabbricazione del dispositivo

1. Preparare 10: 1 PDMS combinando 50 g di base siliconica con 5 g di agente indurente in una tazza di plastica. Mescolare il contenuto con un utensile rotante dotato di un bastoncino. Degassare la miscela all'interno di un essiccatore per 30 minuti, o fino a quando tutte le bolle d'aria vengono rimosse.
2. Versare il PDMS per dare uno spessore di 3 mm sopra il maestro e il luogo di nuovo nel essiccatore per ulteriore degasaggio. Una volta che tutte le bolle vengono rimossi, cuocere il dispositivo a 60 ° C per 2 ore.
3. Tagliare il dispositivo dallo stampo con un bisturi e posto su una superficie pulita con il lato modellato su. Tagliare lo stampo PDMS a metà con una lama di rasoio per separare Master 1 da Master 2 (Figura 3a). Sul pezzo che contiene la gestione geometria 50 um fluido impresso dal Maestro 1, pugno gli ingressi e le uscite fluidici con 0,75 mm biopsia.
4. Plasma trattare i dispositivi a 1 mbar O ₂ al plasma per 60 secondi in un pulitore di plasma di 300 W. Bagnare la superficie del pezzo unpunched di PDMS con una goccia di acqua deionizzata a ritardare temporaneamente PDMS-PDMS legame e servire come lubrificante. Durante la visualizzazione attraverso un microscopio stereo, posto Master 1 Master 2 sulla superficie e far scorrere le superfici relativamente fino ad ottenere un blocco meccanico quando i telai da incasso e le cornici sporgenti in figura 3A compagno.
5. Posizionare il dispositivo in un forno a 60 ° C e cuocere il dispositivo assemblato (Figura 3B) per due giorni a 60 ° C per evaporare l'acqua e completo incollaggio.

3. Preparazione dei reagenti

1. Riempire siringa da 1 ml con acqua distillata per la fase interna.
2. Riempire siringa da 1 ml con HFE 7500 olio fluorurato con 1 peso. % Tensioattivo biocompatibile tensioattivo ¹³ per fase centrale.
3. Riempire 10 ml siringa con 10 WT. % Polietilenee glicole (PEG) in soluzione acquosa contenente 1 wt. % Di Tween 20 e 1 in peso. % Sodio dodecil solfato per la fase continua.

4. Sistema Preparazione

1. Posizionare il chip microfluidico sul palcoscenico di un microscopio invertito accoppiato con una fotocamera digitale in grado di <100 msec tempi di posa.
2. Montare tutte le siringhe sulle pompe siringa e collegare 27 aghi G. Attaccare ~ 30 cm di lunghezza di PE-2 tubi sugli aghi e inserire le estremità nell'appropriata perforato fori nel dispositivo.
3. Inserire una lunghezza 10 cm di PE-2 alla porta di uscita del dispositivo e posizionare l'altra estremità in un contenitore di raccolta dei rifiuti.
4. Prime dispositivo eseguendo le pompe a siringa ad alte percentuali di velocità (2,000 ml / min) fino fluido nei segmenti tubi raggiunge le luci di entrata del dispositivo.

5. Emulsione Generation

1. Fuoco il microscopio su una regione che contiene il 50 um x 50 um orifizio e lacanale di uscita a valle.
2. Impostare le pompe a siringa per fornire fluido al doppio generatore di emulsione a portate di 250 ml / h per la fase interna, 100 ml / h per la fase intermedia, e 700 ml / h per la fase continua e attendere 10 minuti per il raggiungimento dell'equilibrio.
3. Mantenere le portate delle fasi interni e centrali a 250 microlitri / hr e 100 microlitri / h, rispettivamente. Impostare la portata della fase esterna a 1.050 ml / hr. Attendere 3-5 minuti per il doppio generazione emulsioni per stabilizzare sotto questo insieme di condizioni di flusso.
4. Acquisire 5 sec di immagini video a 30 Hz per l'elaborazione offline tramite analisi di immagine manuale.
5. Ripetere 5.3 e 5.4 con le portate indicate nella tabella 1. Le portate fase interni e centrali rimangono costanti e la portata fase della portante viene variata regolando l'impostazione della pompa a siringa.

Risultati

Il generatore doppia emulsione costituito da un dispositivo di messa a fuoco flusso coassiale creato utilizzando 3D PDMS fabbricazione (Figura 1A). La geometria permette che la formazione di un getto coassiale trifase da tagliare in un quadrato, 50 um x 50 um orifizio, consentendo la formazione di acqua / olio / acqua doppio emulsioni (Figura 1B, Figura 1C). La fase acquosa interna e la fase olio medio sono riuniti in una giunzione con d...

Discussione

La doppia geometria di generazione emulsione qui descritto è stato progettato per simulare la fisica dei dispositivi capillare vetro ^8. In questi, capillari di vetro cilindriche allineati vengono usati per creare un getto coassiale trifase che viene tranciata in uniformi goccioline doppia emulsione. La funzione del nostro dispositivo 3D PDMS dipende l'allineamento centrale piccole caratteristiche formate con 50 micron fabbricazione alto con canali di fase portante che sono 320 micron di altezza totale. C&...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Fotomaschere	CadArt Servcies
3" wafer di silicone, tipo P, grado di prova vergine	Wafer universitari	447
SU-8 3035	Microchem	Y311074
SU-8 2050	Microchem	Y111072
Sylgard 184 kit di elastomeri siliconici	Krayden	4019862
siringhe da 1 ml	BD
siringhe da 10 ml	BD	309604
27 aghi gaugue	BD	305109
PE 2 tubo in polietilene	Scientific Commodities, Inc.	B31695-PE/2
Novec 7500	Fisher Scientific	98-0212-2928-5	Comunemente noto come HFE 7500
Tensioattivo biocompatibile	Ran Biotechnologies	008-FluoroSurfactant
35.000 MW PEG	Sigma Aldrich	1546660
Tween 20	Sigma Aldrich	P1369
Sodio dodecil solfato	Sigma Aldrich	L3771