방법 논문

폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 공동 축류 초점 장치를 사용하여 이중 에멀젼 생성

DOI:

10.3791/53516

⸱

2015년 12월 25일

 ,  , 
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

이 논문에서

요약

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미세유체 이중 에멀젼 생성에는 일반적으로 패턴이 있는 습윤성 또는 맞춤형으로 제작된 유리 구성 요소가 있는 장치가 포함됩니다. 여기에서는 표면 처리나 복잡한 제조 공정이 필요하지 않고 14μm까지 이중 에멀젼을 생산할 수 있는 모든 폴리디메틸실록산(PDMS) 이중 에멀젼 발생기의 제조 및 테스트에 대해 설명합니다.

초록

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이중 에멀젼은 수성 캐리어 유체를 갖는 것이 중요한 여러 생물학 및 산업 응용 분야에서 유용합니다. 이 논문은 소프트 리소그래피를 사용하여 완전히 제작할 수 있는 동축 유동 초점 기하학을 사용하여 물/오일/물 이중 에멀젼을 생성할 수 있는 폴리디메틸실록산(PDMS) 미세유체 장치를 제시합니다. 유리 모세관을 사용하는 에멀젼 장치와 유사하게, 이중 에멀젼은 균일한 습윤성과 채널 크기보다 훨씬 작은 치수로 채널에서 형성될 수 있습니다. 3차원 플로우 포커싱 형상은 2층 소프트 리소그래피를 사용하여 한 쌍의 PDMS 슬래브를 주조한 다음 클램쉘 구성으로 슬래브를 함께 결합함으로써 달성됩니다. PDMS 슬래브에 성형된 보완 잠금 기능을 통해 각 슬래브 표면의 특징을 정확하게 등록할 수 있습니다. 장치 테스트는 직경이 14μm에서 50μm인 이중 에멀젼의 형성을 보여주면서 오염 및 막힘에 강한 대형 채널을 사용합니다.

서론

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이중 에멀젼은 인해 산업, 의약품에서 사용 가능성, 및 생물학적 응용 1 중간, 비혼 화성 유체 층에 의해 담체 상으로부터 분리 액적로 구성하고, 특히 중요하다. 어떤 경우에는, 이중 에멀젼의 코어에 고 부가가치 화합물을 캡슐화 할 수있는 능력은 보호 물질과 제어 방식으로 방출 될 수있다. 예를 들어, 약물이 외부 캐리어 유체 (2)에 적합하지 않은 조건에서 용해도 캡슐화 될 수있다. 또한, 중간 유층 약물, 화장품 및 영양 3의 캡슐화 및 전송을위한 캡슐 템플릿으로 사용될 수있다. 그들은 서브 나노 리터 실험의 대규모 수가 다음, 실시 감지 (FACS) 악기 4,5 정렬 형광 활성화 된 셀을 사용하여 정렬 할 수 있기 때문에 생물학, 이중 에멀젼은 또한 높은 처리량 검사에 유용하다.

ENT는 "> 원하는 성능 특성을 갖는 이중 에멀젼의 디자인은 이중 에멀젼 크기, 조성 및 균일도의 정밀한 제어를 필요로한다. 이러한 막 유화 같은 벌크 유화 공정은, 업계에서 사용되지만, 생성 된 에멀젼은 높은 다 분산되어 보이는 기능적 특성 (1)의 다양한. 액적 미세 유체 분야는 자연적으로 신중하게 제어 구성 6 단 분산 에멀젼의 생성을 적합하다. 미세 유체 이중 에멀젼 생성이 초점을 두 가지 주요 전략을 순차적 드롭 결정과 유리 모세관 흐름 달성되었다. 두 번 에멀젼 수 공정을 두 단계의 방울을 사용 평면 PDMS 장치에서 생성 될 수있다. 먼저, 수성 유 에멀젼이 유 중수 드롭하게 소수성 채널 벽을 가진 디바이스의 영역이있다. 다음을 사용하여 생성되며, 에멀젼 일 수있다 흐르는 물에 기름에 적합한 친수성 ​​벽 드롭 만드는 영역에 재 주입드롭 만들기 (4). 그러나, PMD를 친수성 표면 처리는 추가적인 제조 공정을 필요로하며 종종 임시 7이다. 이중 에멀젼을 형성하기 위해 대부분의 제어 및 반복 가능한 방법이 동축 흐름을 중심으로하고, 기술은 세 단계를 포함하는 동심 제트 단 분산 액적 (8)을 생성하기 위해 작은 오리피스를 통해 전단된다 유리 모세관 마이크로 유체를 사용 개척했다. 이 기술은 각상의 유속의 함수 인 이중 에멀젼의 정확한 크기 및 구성으로, 채널 치수보다 훨씬 작은 방울의 생산을 허용한다. 액적 크기 및 채널과 상기 보호 외피 흐름 사이의 큰 차이는, 채널 벽과 접촉 불필요한 표면 처리 렌더링로부터 방울을 방지한다. 그러나, 유리 장치는주의 조립 및 씰링과 함께, 테이퍼 모세관 팁 사용자 정의 제조를 필요로한다. 이전 연구자들은 3D 소프트 리소그래피를 사용했다그래피로 물리학을 중심으로 흐름을 사용하여 이중 에멀젼을 생성하지만, 이러한 장치는 직경> 150 μm의 9, 10, 일반적으로 외과로 분류 개체보다 큰 크기의 약 주문 에멀젼을 생산했다. 매력적인 대안은 PDMS 소프트 리소그래피 제조의 용이성에 초점을 맞추고 유리 모세관 동축 흐름의 강력한 기능과 작은 방울 생성을 포함한다.

본 논문에서는 50 μm의 에멀젼 ≤ 생산 초점 동축 흐름을 사용하여 완전히 3D 소프트 리소그래피 (11)를 사용하여 구성되어 이중 에멀젼 발생기를 설명합니다. 우리는 디바이스 뽑아 유리 모세관 노즐 에멀젼 형성 공정을 근사하는 작은 전단 채널 (도 1)를 포함하는 장치를 제조 폴더 형 접근법을 사용한다. 더 중요하게, 이러한 장치는 특별한 표면 처리를 필요로하지 않고, 모든 중합체 구조는 간단하고 반복적 인 제조 SC드립니다중복 된 장치들의 많은 수 alable. 여기서는 더블 에멀젼 발생기의 설계, 제조 및 테스트를 개요. 더블 에멀젼 세대는 14 μm의의 물방울 직경에 이르기까지 강력하고 반복적으로 표시됩니다. 제조의 용이성과 기능의 결합은이 장치 새로운 더블 에멀젼 응용 프로그램의 개발을위한 매력적인 옵션이 있습니다.

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프로토콜

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1. SU8 마스터 제작

  1. AutoCAD 소프트웨어를 사용하여 두 개의 층을 제조하기위한 미세 유체 구조를 디자인하고 10 μm의 해상도로 회로 기판 필름 공급 업체에서 인쇄 된 디자인을 가지고있다. 장치 설계의 세부 사항은 첨부 된 기준 (11)에 부여하고, 채널 형상은도 1에 도시되어있다. 각 층은 층 (12)의 제조에서의 기능을 배치 할 수 있도록 정렬 마크를 포함한다.
  2. 스핀 코터에 미리 청소 3 인치 직경의 실리콘 웨이퍼를 놓고 척에 부착하는 진공를 켜. 50 ㎛의 막 두께를 제공하고, 2,000 rpm에서 30 초, 500 rpm에서 20 초간 스핀 웨이퍼의 중심에 SU8-3035 1 ㎖를 적용.
  3. 웨이퍼를 제거하고, 30 분 동안 135 ° C 열판에 굽는다. 웨이퍼는 다음 단계로 이동하기 전에 실온으로 냉각되도록.
  4. 1 차 레이어 마스크로 코팅 된 웨이퍼 (그림 2A 노출 ) 90 초 동안 LED nm의 평행 190 mW의 365 미만. 노출 후, 다음 단계를 진행하기 전에, 1 분 동안 실온에 다음 시원한를 135 ° C 형 열판에 웨이퍼를 놓습니다.
  5. 스핀 코터에 웨이퍼를 놓고 척에 부착하는 진공의 전원을 켭니다. 135 ㎛의 두께의 부가 층을 제공 결과, 1,375 rpm에서 30 초, 500 rpm에서 20 초간 스핀 웨이퍼의 중심에 SU8-2050 1 ㎖를 적용.
  6. 다음 단계로 이동하기 전에 30 분 동안 135 ° C의 열판에 RT에 다음 멋진 웨이퍼와 빵을 제거합니다.
  7. 1.3 패턴 형상에 2 차 레이어 마스크 (그림 2B)를 맞추고 3 분 동안 LED nm의 평행 190 mW의 365에 코팅 된 웨이퍼를 노출. 노출 후, 다음 단계를 진행하기 전에, 1 분 동안 135 ° C의 열판에 RT에 다음 시원한 놓습니다.
  8. 30 분 동안 프로필렌 글리콜 모노 메틸 에테르 아세테이트 교반 조에서 침지하여 마스크를 개발한다. 웨이퍼를 세척1 분 동안 135 ° C의 열판에 이소프로판올 및 빵에. PDMS 성형 100mm 페트리 접시에서 개발 마스터를 놓습니다.

2. PDMS 소자 제조

  1. 플라스틱 컵에 경화제 5 g과 실리콘계의 50g을 조합하여 1 PDMS : 10을 준비한다. 볶음 스틱 장착 된 회전 도구를 사용하여 내용을 섞는다. 모든 기포가 제거되고 30 분 동안, 또는 건조기 내부까지 혼합물을 탈기.
  2. 마스터 이상 3mm의 두께를주고 더 탈 가스에 대한 데시 케이 터에 다시 배치 할 PDMS를 붓고. 일단 모든 기포를 제거하고, 2 시간 동안 60 ℃에서 구워 장치.
  3. 패턴면을 위로하여 깨끗한 표면에 메스과 장소를 사용하여 금형에서 장치를 잘라. 마스터 2 (그림 3a)에서 석사 (1)를 분리하기 위해 면도날로 절반에 PDMS 몰드를 잘라. 마스터 (1)에 의해 임프린트 된 50㎛의 유체 취급을 포함하는 형상 부재에, 0.7와 유체 유입구 및 출구를 펀치5mm 생검 펀치.
  4. 플라즈마는 300 W 플라즈마 청소기에 60 초 동안 1 mbar에서의 O 2 플라즈마에 장치를 취급합니다. 일시적 PDMS-PDMS 본딩을 지연 및 윤활제 역할을 DI 물 방울 PDMS의 unpunched 조각의 표면을 적시고. 마스터 2면에 스테레오 현미경, 장소 마스터 1을 통해보기 및 기계식 잠금 장치가 달성 될 때까지 상대적으로 표면을 밀어 동안 때 오목 프레임과 그림 3A 메이트에서 돌출 프레임.
  5. 60 ° C의 오븐에서 장치를 놓고 물과 완전한 결합을 증발시켜 60 ℃에서 이틀 동안 조립 된 장치 (도 3b)을 굽는다.

시약 3. 준비

  1. 내부 단계의 증류수로 1 ML의 주사기를 채우십시오.
  2. 1 중량으로 HFE 7500 불소계 오일 1 ML의 주사기를 채우십시오. 중간 단계에 대한 % 생체 적합성 계면 활성제 계면 활성제 (13).
  3. 10 중량으로 10 ML의 주사기를 채우십시오. % 폴리에틸렌1 중량 % 함유하는 수용액에서는 E 글리콜 (PEG). % 트윈 20과 1 중량. 연속 상 % 나트륨 도데 실 설페이트.

4. 시스템 준비

  1. <100 마이크로 초 셔터 속도를 낼 수있는 디지털 카메라와 결합 거꾸로 현미경의 무대에서 마이크로 유체 칩을 놓습니다.
  2. 주사기 펌프에 모든 주사기를 탑재하고 27 G 바늘을 연결합니다. 바늘 ~ PE-2 튜브의 30cm 길이를 연결하고 해당 장치에 구멍을 천공으로 느슨한 끝을 삽입합니다.
  3. 장치의 출력 포트에 PE-2의 10cm 길이를 삽입하고 폐기물 수집 용기에서 다른 쪽 끝을 배치합니다.
  4. 프라임 튜브 세그먼트에서 유체의 속도까지 높은 속도로 시린지 펌프 (000 μL / 분)를 실행하여 장치는 장치의 흡입구에 도달한다.

5. 에멀젼 생성

  1. 50 μm의 × 50 μm의 구멍과를 포함하는 지역에 현미경 초점하류 출구 채널.
  2. 연속 상 250 μL / 내부 단계의 시간, 100 μL / 중간 단계의 시간, 700 μL / hr의 유량으로 이중 에멀젼 발생기에 유체를 제공하고 평균 10 분을 기다려야 주사기 펌프를 설정합니다.
  3. 각각 250 μL / 시간에서 100 μL / 시간 내측 및 중간 단계의 유량을 유지한다. 1,050 μL / 시간 외측 위상의 유량을 설정한다. 이중 에멀젼 생성이 유동 조건의 설정에 따라 안정을 위해 3 ~ 5 분을 기다립니다.
  4. 수동 이미지 분석을 통해 오프라인으로 처리를위한 30 Hz에서 영상 5 초를 취득.
  5. 표 1에 주어진 유량과 5.3 및 5.4를 반복한다. 내측 및 중간 단계의 유량은 일정하게 유지되고 반송파 위상 유량 주사기 펌프의 설정을 조절함으로써 변화된다.

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결과

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이중 에멀젼 발생기 3D PDMS 제조를 (도 1a)를 사용하여 만든 공동 축류 집속 장치로 구성된다. 지오메트리는 삼상 동축 제트의 형성 물 / 오일 / 물 이중 에멀젼 (도 1b,도 1c)의 형성을 허용 광장 × 50 μm의 오리피스 50㎛의로 전단 될 수있다. 내부 수상과 유상 중간 10 ㎛, 채널 치수에 함께 접합하게된다 × 50 μm의 (도 1D, 지점 "1"). 갑작스런 팽창 채널 확장에 도달 할 때까지 때문에 PDMS의 소수성, 불소계 오일 안아 채널 벽 및 유체와 같은 채널의 중심에 내부 상 체류가 연속 제트 여행 (도 1D, 포인트 "2" ). 이 위치에서, 내부 두 단계는 320 μm의 높이 junc의 중심에 주입수성 담체상의 상대적 동심 도입을 허용 기. 세 단계는 50...

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토론

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여기에 설명 된 이중 에멀젼 발생 형상은 유리 모세관 장치 (8)의 물리를 모방하도록 설계된다. 이들에 정렬 원통형 유리 모세관 균일 이중 에멀젼 방울에 전단되는 삼상 동축 제트을 만드는 데 사용됩니다. 우리 3D PDMS 소자의 기능은 전체 높이가 320 μm의 아르 반송파 위상 채널과 50 μm의 높이로 형성 작은 ​​제작 기능의 중앙 정렬에 의존한다. 마스크가 정확히 정렬되지 않는 경우에 50 μm의 높이 형상과 관련하여 단계 170에서 2 차 층을 마스크에 의해 패터닝 키 기능 틀리게에 대한 상당한 잠재력이있다. 적절한 정렬은 포토 패터닝 동안 함께 배치되는 마스크로 예컨대 동심원 같은 얼라인먼트 마크를 설계함으로써 도움을받을 수있다. 상기 장치의 두 반쪽의 PDMS 플라즈마 본딩 최종 디바이스의 상당한 오정렬을 초래할 수 초 과정이다. 플라즈마 본딩단계 2.4에서 우리는 본딩을 지연 및도 3a에 도시 된 정렬 프레임이 잠금으로 허용 할 수 있도록 조...

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공개 사항

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저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

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이 작품은 양적 생명 과학의 캘리포니아 공과 대학 (QB3), 로저스 가족 재단, 혁신적인 생물 의학 연구, BASF에서 보조금에 대한 UCSF / 샌들러 재단 프로그램에서 브리징 격차 상, 그리고 NSF를 통해로부터 연구 상 수상에 의해 지원되었다 학부 조기 경력 개발 (경력) 프로그램 (DBI-1253293).

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
포토 마스크CadArt Servcies
3 "실리콘 웨이퍼, P 형, 버진 테스트 등급대학 웨이퍼447
SU-8 3035MicrochemY311074
SU-8 2050MicrochemY111072
Sylgard 184 실리콘 엘라스토머 키트Krayden4019862
1 ml 주사기BD
10ml 주사기BD309604
27 게이지 바늘BD305109
PE 2 폴리에틸렌 튜브Scientific Commodities, Inc.B31695-PE/2
Novec 7500Fisher Scientific98-0212-2928-5일반적으로 HFE 7500으로 알려져 있음
생체 호환 가능한 계면활성제Ran Biotechnologies008-FluoroSurfactant
35,000 MW PEGSigma Aldrich1546660
Tween 20Sigma AldrichP1369
소듐 도데실 설페이트 시그마 알드리치L3771
309628

참고문헌

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