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
2015年12月25日
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。
この手順の全体的な目標は、同軸フローフォーカシングを利用してダブルエマルジョンを生成するオールポリジメチルスボキサンマイクロ流体デバイスを構築およびテストすることです。この方法は、酵素の指向性進化や希少な表現型の同定など、超ハイスループットスクリーニングを必要とする化学や生物学の主要な疑問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、特殊な表面処理を施さずに、ソフトリソグラフィー製造を使用してダブルエマルジョンジェネレーターを迅速に製造できることです。
まず、2層製造のためのマイクロ流体構造を設計します。AutoCADソフトウェアを使用して、ここに示す参照で説明されているように、10ミクロンの解像度で回路基板フィルムにデザインを印刷します。スピンコーダー上の事前に洗浄された直径3インチのシリコンウェーハの中央にSU 8 30 35の1〜2ミリリットルを適用し、チャックに貼り付けます。
500 RPMで20秒間回転し、続いて2000 RPMで30秒間回転します。ウェーハを取り出し、摂氏135度のホットプレートで30分間焼きます。ウェーハを室温まで冷ましてから、次のステップに進みます。
次に、コーティングされたウェーハを、照合されたLEDライトの下で最初の層のマスクに90秒間さらします。露光後、ウェーハを摂氏135度のホットプレートに1分間戻します。冷却したら、ウェーハの中央に1〜2ミリリットルのSUH2050を塗布します。
ウェーハをスピンコーダーに戻し、500RPMで20秒間回転させます。その後、1, 375 RPMで30秒間回転します。スピンコーダーの回転が止まったら、ウェーハを取り外し、摂氏135度のホットプレートに30分間戻します。
次に、ウェーハを室温まで冷却してから、次のステップに進みます。前の手順でパターン化されたジオメトリに2番目のレイヤーのマスクを位置合わせし、コーティングされたウェーハを露光後3分間再度UV光にさらし、ウェーハを摂氏135度のホットプレートに1分間置きます。冷却したら、ウェーハを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攪拌槽に浸してマスクを開発しました。
浴中で30分後、ウェーハを取り出し、イソプロパノールで洗浄します。次に、135°Cのホットプレートでウェーハを1分間焼きます。ウェーハを冷却し、現像したマスターを100mmのシャーレに入れます。
プラスチックカップに50グラムのシリコーンベースと5グラムの硬化剤を組み合わせて、PDMSのバッチを準備します。攪拌スティックを取り付けた回転工具を使用して成分を混合し、乾燥剤内で約30分間、またはすべての気泡が除去されるまで混合物を脱気します。次に、PDMSをマスターに3mmの厚さで注ぎます。
次に、ペトリ皿を乾燥剤に入れて、さらに脱気します。すべての気泡を取り除いたら、デバイスを摂氏60度で2時間焼きます。メスを使用してPDMSデバイスを金型から切り取り、パターン面を上にしてきれいな面に置きます。
次に、かみそりの刃でPDMSを半分に切断し、マスター1によって刻印された50マイクロメートルの流体ハンドリング形状を含むピース上のデバイスの両側を分離します。0.75ミリメートルの生検パンチで流体の入口と出口を打ち抜きます。次に、PDMSピースのパターン化された側面を上にして、プラズマチャンバープラズマに配置します。
300ワットのプラズマクリーナーで、デバイスを1ミリバールの酸素プラズマで60秒間処理します。次に、サンプルを取り出し、急冷されていないPDMSの表面をDI水で一滴濡らして、実体顕微鏡でデバイスを見ながら一時的な潤滑剤として機能します。プラズマ処理された表面を一緒に置き、機械的なロックが達成されるまで表面をスライドさせます。
凹んだフレームと突き出たフレームが嵌合したら、組み立てたら60°Cのオーブンに置き、2日間焼いて水分を蒸発させて接着を完了します。次に、組み立てたデバイスを数滴の未硬化PDMSを使用してスライドガラスに貼り付け、組成物を摂氏60度のオーブンで1時間焼きます。PDMSの場所を硬化させるために、倒立顕微鏡のステージ上のマイクロ流体チップと、少なくとも100マイクロ秒のシャッタースピードが可能なデジタルカメラを組み合わせています。
次に、10ミリリットルのシリンジを3本シリンジポンプに取り付け、それぞれに27ゲージの針を取り付けます。約30センチメートルのPE2本のチューブを各針に取り付け、チューブの緩い端をデバイスの適切なパンチ穴に挿入します。次に、長さ10センチメートルのPE2をデバイスの出口ポートに挿入し、もう一方の端を廃棄物収集容器に入れます。
セットアップが完了したら、シリンジポンプを高速で運転してデバイスをプライミングします。ポンプを停止します。チューブセグメント内の液体がデバイスの入口ポートに到達したら、50 x 50マイクロメートルのオリフィスを含むチップの領域に顕微鏡の焦点を合わせ、下流の出口チャネルが含まれるようにフレームを調整します。
シリンジポンプを、内相で毎時250マイクロリットル、中相で毎時100マイクロリットル、毎時700マイクロリットルの流量でダブルエマルジョンジェネレーターに流体を供給するように設定します。連続相の場合。システムが平衡化するまで10分間待ちます。
次に、外相の流量を毎時1050マイクロリットルに増やします。この一連の流動条件下でダブルエマルジョンの生成が安定するまで、さらに3〜5分待ちます。安定したら、30 ヘルツで 5 秒間のビデオ画像を取得します。
手動画像分析によるオフライン処理のためにビデオを保存します。このプロセスを繰り返しながら、付属のテキストプロトコルの表1にある値を使用して、外相の流量を変化させます。内側のフェーズと中間フェーズの速度を維持します。
このプロセスでは、ダブルエマルジョン装置をさまざまな流動条件で試験しました。様々なサイズのモノ分散ダブルエマルジョンの形成を実証するために、内相と中相の合計に対する連続相の比を各画像の上に示しています。選択した流量比の液滴直径のヒストグラムは、生成された液滴のサイズの相対的な均一性を示しています。
得られる二重乳剤は5.2%の平均直径係数の変動を生じる装置はオリフィスの幅よりかなり小さい二重乳剤を形作る能力を示し、増加した流動比と明確な減少傾向を示す。最も高いキャリア相流で試験された14マイクロメートルの二重エマルジョンは、その開発後に50×50マイクロメートルのオリフィスを使用して形成されました。この技術は、化学および生物学の研究者が、標準的なフローサイトメトリー検出プラットフォームと互換性のある液滴マイクロ流体実験を行うための道を開きます。
このビデオを見れば、すべてのPDMS構築技術を使用するマイクロ流体ダブルエマルジョンジェネレーターの製造方法とテスト方法について十分に理解できるはずです。
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概要
この記事では、二重エマルジョンを生成するために設計された、ポリジメチルシロキサン（PDMS）のみを使用したマイクロ流体デバイスの製作と試験について説明します。このデバイスは同軸フローフォーカシングを利用し、特殊な表面処理を必要としないことで製造プロセスを簡素化します。
主要な研究構成要素
科学分野
- マイクロ流体工学
- エマルジョン生成
- ソフトリソグラフィ
背景
- 二重エマルジョンは、化学や生物学の様々な応用において重要です。
- 従来の方法では、複雑な製作技術と表面処理が必要でした。
- PDMSの使用により、より簡単で効率的なデバイス製作が可能になります。
- 同軸フローフォーカシングは、二重エマルジョンを生成するための重要な技術です。
研究の目的
- 二重エマルジョンを生成するための簡素化された方法を開発すること。
- 生化学応用における高スループットのスクリーニングを促進すること。
- 酵素の誘導進化と稀な表現型の同定を可能にすること。
使用された方法
- AutoCADソフトウェアを使用したマイクロ流体構造の設計。
- 高解像度の回路基板フィルムへのデザインの印刷。
- デバイス製作のためのシリコンウェーハへのSU-8フォトレジストの適用。
- PDMS二重エマルジョン発生器の性能試験。
主な結果
- PDMSデバイスは、14 µmまでの二重エマルジョンを成功裏に生成しました。
- 従来の方法と比較して、製作プロセスが簡素化されました。
- このデバイスは、高スループットの応用に潜在的な可能性を示しました。
- 結果は、安定な二重エマルジョンを生成する効果を示しています。
結論
- PDMSのみを使用した二重エマルジョン発生器は、複雑なデバイスの代替として実行可能です。
- この方法は、化学と生物学における研究能力を大幅に向上させることができます。
- 将来の応用には、酵素の進化と表現型の同定が含まれる可能性があります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This PDMS microfluidic device enables rapid, high-throughput generation of uniform double emulsions for biochemical screening applications. By eliminating complex fabrication and surface treatments, it supports scalable workflows in enzyme evolution and rare phenotype identification. The technology enhances predictive confidence in early discovery by providing reproducible, droplet-based assay systems compatible with flow cytometry detection.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through controlled microenvironment generation for enzyme screening.
- Operational Value: Supports ultra-high throughput screening by producing monodisperse double emulsions at defined flow rates.
- Predictive Value: Facilitates lead identification by allowing screening of rare phenotypes in isolated aqueous compartments.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates standardized double emulsions from 14 µm to 50 µm for consistent biochemical reactions.
- Reproducibility: Demonstrates low coefficient of variation (5.2%) in droplet size across flow conditions.
- Platform Compatibility: Produces emulsions suitable for downstream analysis via standard flow cytometry platforms.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Enables screening workflows that bridge target validation to preclinical candidate evaluation.
- Mechanistic De-risking: Allows functional assessment of enzyme variants in confined aqueous phases to reduce false positives.
- Scalability: Uses robust, large channels resistant to fouling for sustained screening campaigns.
Pipeline & Workflow Integration
The device fits within the discovery continuum from target validation through lead identification, supporting assay development and screening readiness.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by enabling compartmentalized biochemical reactions in double emulsions.
- Screening: Provides assay-ready droplet generation with quantitative size control for compound or variant evaluation.
- Analytics: Yields measurable outputs (droplet diameter, uniformity) for comparing screening conditions.
- Translational Research: Connects early screening hits to preclinical validation through standardized emulsion-based assays.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable microfluidic platform adaptable to various screening targets without re-fabrication.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation through reproducible microenvironment control.
- Operational Value: Enables standardization and scalability of emulsion-based assays across projects.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing biological false hits in high-throughput screens.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of enzyme variants or chemical leads based on screening fidelity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic design and soft lithography fabrication.
- Depends on access to plasma bonding equipment and precision syringe pumps.
- Necessitates standardization of fluidic connections and tubing across teams.
- Adaptation to different viscosities or surfactants may require flow rate re-optimization.
- Practical limitation: Device performance depends on precise flow rate control and orifice alignment.
