ポリジメチルシロキサン（PDMS）同軸フローフォーカス・デバイスを使用したダブルエマルションの生成

サマリー

マイクロ流体ダブルエマルジョンの生成には、通常、パターン化された濡れ性を持つデバイスやカスタムメイドのガラス部品が含まれます。ここでは、表面処理や複雑な製造プロセスを必要とせず、14μmまでのダブルエマルジョンを製造できるオールポリジメチルシロキサン(PDMS)ダブルエマルジョンジェネレーターの製作と試験について説明します。

要約

ダブルエマルジョンは、水性キャリア流体を持つことが重要な多くの生物学的および工業的用途で有用です。この論文では、ソフトリソグラフィーを使用して完全に製造できる同軸フローフォーカシングジオメトリを使用して、水/油/水のダブルエマルジョンを生成できるポリジメチルシロキサン(PDMS)マイクロ流体デバイスを紹介します。ガラスキャピラリーを用いたエマルジョン装置と同様に、ダブルエマルジョンは、均一な濡れ性を持ち、チャネルサイズよりもはるかに小さい寸法のチャネルに形成することができます。3次元の流れ集束形状は、2層のソフトリソグラフィーを使用して一対のPDMSスラブを鋳造し、次にスラブをクラムシェル構成で嵌合することによって実現されます。PDMSスラブに成形された補完的なロック機能により、各スラブ表面の特徴を正確に登録できます。デバイステストでは、ファウリングや目詰まりに対して堅牢な大きなチャネルを使用しながら、直径14μmから50μmのダブルエマルジョンの形成が実証されています。

概要

ダブルエマルションは、それらの工業的、医薬における潜在的な用途、及び生物学的用途¹中間、非混和性流体層によりキャリア相から分離した小滴からなり、特に重要です。いくつかの例では、ダブルエマルションのコア内の高価値な化合物をカプセル化する能力は、材料を保護し、制御された様式で放出されることを可能にします。例えば、薬物は、外部のキャリア流体²には適していない溶解性条件下でカプセル化することができます。また、中間油層は、薬物、化粧品、および栄養³のカプセル化及び送達のためのカプセルのテンプレートとして使用することができます。これらは、サブナノリットル実験の膨大な数を行うことができるため、生物学において、ダブルエマルションは、その後、検出され、（FACS）装置^4,5を蛍光活性化細胞選別を用いて選別、ハイスループットスクリーニングにも有用です。

ENT ">所望の性能特性を有するダブルエマルションの設計は二重エマルジョンサイズ、組成、及び均一性の精密な制御を必要とする。そのような膜乳化などのバルク、乳化プロセスは、業界で使用されているが、得られたエマルジョンは非常に多分散であり、展示機能特性¹の多種多様。液滴マイクロフルイディクスのフィールドは自然に慎重に制御^組成物6を単分散エマルションの生成を適しています。マイクロ流体ダブルエマルションの生成は、次の2つの主要な戦略、シーケンシャルドロップ作り、ガラス毛細管流動焦点を実現しています。ダブルエマルションことができます処理を行う二段階のドロップを使用して平坦なPDMSデバイスで生成される。第一に、水性の油エマルジョンは、疎水性チャンネル壁と装置の油中水型のドロップ作る領域を用いて作成される。次に、エマルジョンであることができます流しや水の中に油に適した親水性の壁とドロップ作る領域に再注入ドロップすること^4。しかし、PMDSの親水性表面処理は、付加的な製造工程を必要とし、多くの場合、一時的な⁷です。ダブルエマルションを形成するほとんどの制御可能かつ再現方法は、同軸流が集束することによる、技術は、三相を含む同心ジェットは単分散液滴^{8を生成するために} 、小さなオリフィスを通して剪断されるガラスキャピラリーマイクロフルイディクスを使用して開拓しました。この技術は、各相の流量の関数であるダブルエマルションの正確なサイズおよび組成で、チャネルの寸法よりもはるかに小さい液滴の生成を可能にします。滴とチャネルサイズおよび保護外側シースフローとの間の大きな違いは、不必要な表面処理をレンダリングする、チャネル壁に接触する液滴を防ぎます。しかし、そのようなガラスデバイスは、慎重な組立とシールと一緒に、テーパーキャピラリ先端のカスタム製造を必要とします。前の研究者は、3Dソフトリソグラフィを使用していましたグラフィーは、物理学を中心に流れを使用してダブルエマルションを生成するが、これらのデバイスは、直径> 150μmの^9,10、通常、FACSでソートしたオブジェクトよりも大きい大きさの約順序でエマルジ ​​ョンを生成しました。魅力的な代替手段は、PDMSソフトリソグラフィの製造の容易さとピントガラスキャピラリー同軸流れの堅牢な機能と小滴の生成を含むことになります。

本稿では、50ミクロンエマルジ ​​ョン≤生成するために焦点を当て同軸フローを使用し、完全に3Dソフトリソグラフィー^{11を用いて構成されている}二重エマルジ ​​ョンジェネレータについて説明します。我々のデバイスは、引っ張らガラスキャピラリーノズルにおけるエマルションの形成過程を近似するために小さなせん断流路（ 図1）を含むデバイスを製造するためにクラムシェル方式を使用します。さらに重要なことは、これらのデバイスは、特定の表面処理を必要とせず、すべてのポリマー構造が簡単で再現可能な製造を提供するSC重複した多数のデバイスにalable。ここでは、二重エマルジョン発電機の設計、製造、テストの概要を説明します。ダブルエマルションの生成は14ミクロンの液滴直径まで、堅牢かつ再現性であることが示されています。製造の容易さと機能性の結合は、このデバイスの新しい二重エマルジョンアプリケーションの開発のための魅力的なオプションになります。

プロトコル

1. SU8マスター製作

1. AutoCADのソフトウェアを使用して2つの層の製造のためのマイクロ流体構造を設計し、10μmの分解能で回路基板フィルム上に、ベンダーによって印刷されたデザインを持っています。デバイスの設計の詳細は、添付の参考文献¹¹に記載されているチャネルの形状は、 図1に示されている。層は、各加工層¹²の機能を連結するために役立つ位置合わせマークを含むべきです。
2. スピンコーターに予め清浄3インチ径のシリコンウエハを置き、チャックに固定する真空をオンにします。 50μmの層厚を提供し、2000rpmで、30秒間、500rpmで20秒間ウェハと回転の中心にSU8-3035を1ml適用します。
3. ウェハを取り外し、30分間135℃のホットプレート上で焼きます。ウエハは次のステップに移動する前に室温に冷却してください。
4. ^第 1 ^層マスク（ 図2Aに塗布されたウェハを公開）90秒間LED nmのコリメート190ミリワット、365の下。露光後、次のステップに進む前に、室温まで冷却、1分間135℃のホットプレート上でウェーハを配置します。
5. スピンコーターにウェハを置き、チャックに固定する真空をオンにします。 135ミクロンの厚さの追加を提供する層で、その結果、1,375 rpmで、30秒、500 rpmで20秒間ウェハとスピンの中心にSU8-2050の1ミリリットルを適用します。
6. 次のステップに移動する前に、室温まで冷却後、ウエハを取り出して、30分間135℃のホットプレート上で焼きます。
7. 1.3にパターニングジオメトリ上に^第 2 ^層マスク（ 図2B）を合わせ、3分間のLED NMコリメート190ミリワット、365に塗布されたウェハを公開します。暴露した後、1分間135℃のホットプレート上の場所は、次のステップに進む前に、室温まで冷却。
8. 30分間のプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートの撹拌浴中に浸漬することによりマスク​​を開発します。ウェハを洗浄1分間135℃のホットプレート上でイソプロパノール及びベークインチPDMS成形用の100ミリメートルペトリ皿に開発されたマスターを配置します。

2. PDMSデバイスの製造

1. プラスチックカップに硬化剤を5gとシリコーンベースの50グラムを組み合わせることにより1 PDMS：10を準備します。攪拌棒を装着した回転工具で内容を混ぜます。 30分間、デシケータ内部に、または全ての気泡が除去されるまで、混合物を脱気。
2. マスターの上に3mmの厚さを与え、さらにガス抜きのために戻ってデシケーターに配置するために、PDMSを注ぎます。一旦全ての気泡が除去され、2時間60℃でデバイスを焼きます。
3. パターン化された面を上にして清浄な表面上のメスと場所を使用して金型からデバイスをカットします。マスター2（ 図3a）からマスター1を分離するためにかみそりの刃で半分にPDMSモールドをカットします。マスター1によって刻印さ50μmの流体ハンドリングジオメトリを含む片に、0.7との流体入口および出口をパンチ5ミリメートルの生検パンチ。
4. プラズマは、300Wのプラズマクリーナーで60秒間、1ミリバールのO _{2プラズマ}でデバイスを扱います。一時的にPDMS-PDMS結合を遅らせると、潤滑剤として機能するDI水の滴でPDMSの非パンチ片の表面を濡らし。マスター2面にステレオ顕微鏡、場所のマスター1を介して表示し、機械的なロックが達成されるまで、比較的表面をスライドさせながら時凹んフレームと図3Aメイトで突出フレーム。
5. 60℃のオーブン内で装置を配置し、水で完全な結合を蒸発させ、60℃で2日間組み立てられた装置（ 図3B）を焼きます。

試薬の調製

1. 内相のための蒸留水で1mlシリンジを埋めます。
2. 1重量％とHFE 7500フッ素系オイルで1 mlシリンジを埋めます。中間相のための生体適合性界面活性剤％の界面活性剤^13。
3. 10重量％で10 mlシリンジを埋めます。 ％polyethylen1重量％を含有する水溶液で電子グリコール（PEG）。 ％のTween 20および1重量連続相の％ドデシル硫酸ナトリウム。

4.システムの準備

1. <100μ秒のシャッター速度が可能、デジタルカメラと接続された倒立顕微鏡のステージ上にマイクロ流体チップを置きます。
2. シリンジポンプのすべての注射器を取り付け、27 Gの針を取り付けます。針の上に、PE-2チューブの約30センチの長さを接続し、適切に緩い端を挿入し、デバイスに穴をパンチ。
3. デバイスの出口ポートにPE-2の10cmの長さを挿入し、廃棄物収集容器内のもう一方の端を置きます。
4. プライム管セグメント内の流体が装置の入口ポートに到達するまでの速度率の高さ（2000μL/分）でシリンジポンプを実行して、デバイス。

5.エマルジョンの生成

1. 50ミクロン×50ミクロンのオリフィスを含んでおり、地域に顕微鏡をフォーカス下流の出口チャネル。
2. 連続相250μL/内部相のための時間、100μL/中間相のための時間、および700μL/ hrの流量で二重エマルジョン発生器に流体を提供し、平衡化のために10分を待つためにシリンジポンプを設定します。
3. それぞれ、250μL/ hrであり、100μL/時間で、内側と中間相の流量を維持します。 1,050μL/ hrで外側相の流量を設定します。流れ条件のセットの下で安定させるためのダブルエマルションの生成のための3-5分待ってください。
4. 手動画像分析によるオフライン処理のために30 Hzでビデオ画像の5秒を取得します。
5. 表1に示す流量の5.3および5.4を繰り返す。内側及び中間相の流量が一定に保持され、搬送波位相流量は、シリンジポンプの設定を調整することによって変化します。

結果

ダブルエマルションの生成器は、3D PDMSの製造（ 図1A）を使用して作成したデバイスの焦点を合わせる同軸流から成ります。ジオメトリは、三相の同軸噴流の形成は、水/油/水ダブルエマルション（ 図1B、 図1C）の形成を可能にする、正方形、×50ミクロンのオリフィス50ミクロンに剪断することが可能になります。内水相及び中間油相は、10ミクロン×50ミクロン（ 図1D、ポイント「1」）のチャネル寸法を有する接合部で一緒にされます。突然の拡張チャネルの拡大に達するまでによりPDMSの疎水性のため、フッ素系オイルの抱擁チャネル壁と流体のようなチャネルの中央に内相の滞在は、連続ジェットで移動（ 図1D、ポイント"2" ）。この位置で、内側の2つのフェーズが320μmで背の高いJU ...の中心部に注入され、水性担体相の比較的同心導入を可能化。 3つのフェーズが50ミクロン×50ミクロンのオリフィスを余儀なくされて...

ディスカッション

ここで説明する二重エマルジ ​​ョン生成ジオメトリはガラスキャピラリー装置⁸の物理学を模倣するように設計されています。これらでは、位置合わせ円筒形ガラスキャピラリーは、均一な二重エマルジョン液滴に剪断された3相の同軸噴流を生成するために使用されます。当社の3D PDMSデバイスの機能は、全体の高さは320ミクロンであり、キャリア位相チャンネルと50μmの背の高い加工で形成された小さな特徴の中心位置合わせに依存しています。マスクが正確に整列されていない場合は50μmの背の高いジオメトリに対して、ステップ1.7で2 ^番目のレイヤーマスクによりパターニング背の高い機能を誤整列するための大きな可能性があります。適切な位置合わせは、フォトパターニング時に同じ場所に配置されるマスクに、このような同心円のような位置合わせマークを、設計することによって支援することができます。デバイスの2つのPDMS半分のプラズマボンディングは、最終的なデバイスの重要な位置合わせ不良につながることが第二の方法です。プラズマボンディングPDMSにPDMSのステップ2.4において、我々は接着を遅延し、 図3（a）に...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
Photomasks	CadArt Servcies
3インチ シリコン ウェーハ、P タイプ、バージン テスト グレード	大学ウェーハ	447
SU-8 3035	Microchem	Y311074
SU-8 2050	Microchem	Y111072
Sylgard 184 シリコーン エラストマー キット	Krayden	4019862
1 ml シリンジ	BD
10 mlシリンジ	BD	309604
27 gaugue 針	BD	305109
PE 2ポリエチレンチューブ	Scientific Commodities, Inc.	B31695-PE/2
Novec 7500	Fisher Scientific	98-0212-2928-5	一般に HFE 7500
Biocompartable 界面活性剤	Ran	Biotechnologies 008-FluoroSurfactant
35,000 MW PEG	Sigma Aldrich	1546660
Tween 20	Sigma Aldrich	P1369
ドデシル硫酸ナトリウム	シグマ アルドリッチ	L3771