Dubbele Emulsion Generation Met een Polydimethylsiloxaan (PDMS) Co-axiale Flow Focus Device

Samenvatting

De generatie van microfluïdische dubbele emulsies omvat doorgaans apparaten met een patroon van bevochtigbaarheid of op maat gemaakte glazen onderdelen. Hier beschrijven we de fabricage en het testen van een geheel uit polydimethylsiloxaan (PDMS) bestaande dubbele emulsiegenerator die geen oppervlaktebehandeling of gecompliceerde fabricageprocessen vereist en die in staat is om dubbele emulsies tot 14 µm te produceren.

Samenvatting

Dubbele emulsies zijn nuttig in een aantal biologische en industriële toepassingen waarbij het belangrijk is om een waterige dragervloeistof te hebben. Dit artikel presenteert een polydimethylsiloxaan (PDMS) microfluïdisch apparaat dat in staat is om water/olie/water dubbele emulsies te genereren met behulp van een coaxiale flow focusing geometrie die volledig kan worden vervaardigd met behulp van zachte lithographie. Net als emulsieapparaten die glazen capillairen gebruiken, kunnen dubbele emulsies worden gevormd in kanalen met uniforme bevochtigbaarheid en met afmetingen die veel kleiner zijn dan de kanaalgroottes. Driedimensionale flow focusing geometrie wordt bereikt door een paar PDMS platen te gieten met behulp van tweeklaagse zachte lithographie, waarna de platen in een scharnierende configuratie worden samengevoegd. Aanvullende vergrendelingsfuncties die in de PDMS platen zijn gevormd, maken de nauwkeurige registratie van functies op elk van de plaatoppervlakken mogelijk. Apparaattests tonen de vorming van dubbele emulsies aan van 14 µm tot 50 µm in diameter, terwijl grote kanalen worden gebruikt die robuust zijn tegen vervuiling en verstopping.

Inleiding

Dubbele emulsies bestaan ​​uit druppels gescheiden van een dragerfase met een tussenliggende, niet mengbare vloeistoflaag en zijn van bijzonder belang vanwege hun potentiële toepassingen in industriële, farmaceutische en biologische toepassingen ^1. In sommige gevallen, het vermogen om hoogwaardige verbindingen in te kapselen in de kern van een dubbele emulsie stelt te beschermen materiaal en vrijgegeven op een gecontroleerde manier. Bijvoorbeeld kunnen geneesmiddelen worden ingekapseld onder oplosbaarheid omstandigheden niet geschikt voor de uitwendige dragerfluïdum ^2. Bovendien kan de tussenlaag olielaag worden gebruikt als een capsule sjabloon voor het inkapselen en de aflevering van geneesmiddelen, cosmetica en voedingsmiddelen ^3. In de biologie, dubbele emulsies zijn ook bruikbaar in high throughput screening, omdat ze toestaan ​​dat een groot aantal sub-nanoliter experimenten uit te voeren, daarna gedetecteerd en gesorteerd met behulp van een fluorescentie-geactiveerde celsortering (FACS) instrument ^4,5.

ent "> Het ontwerp van de dubbele emulsies met de gewenste prestatiekenmerken vereist de nauwkeurige controle van de dubbele emulsie omvang, de samenstelling en uniformiteit. Hoewel bulk emulgatie procedures, zoals membraan emulgeren, worden gebruikt in de industrie, de resulterende emulsies zeer polydisperse, vertoont een uiteenlopende functionele eigenschappen ^1. Het gebied van druppel microfluïdische is die passen het genereren van monodisperse emulsies met zorgvuldig gecontroleerde samenstelling ^6. microfluïdische dubbele emulsie generatie is bereikt met twee hoofdstrategieën, opeenvolgende daling maken en glazen capillaire stroming gericht. Double emulsies gegenereerd in vlakke PDMS inrichtingen via een tweestaps druppel vormingsproces. Eerst waterig-in-olie emulsies gemaakt met een water-in-olie-druppel waardoor gebied van een apparaat met hydrofobe kanaalwanden. Vervolgens kan de emulsie stroomde of opnieuw geïnjecteerd in een druppel die regio met hydrofiele muren geschikt voor olie in waterdrop-maken ^4. Echter, hydrofiele oppervlaktebehandeling van PMDS vereist een extra fabricagestap en vaak tijdelijk ^7. De meest controleerbare en reproduceerbare werkwijze dubbele emulsies is door co-axiale scherpstellen, een techniek pionier behulp glascapillair microfluïdische, waarbij een concentrische straal die de drie fasen wordt afgeschoven door een kleine opening om monodisperse druppels ⁸ te produceren. Deze techniek maakt de productie van druppeltjes veel kleiner dan de afmetingen kanaal, waarbij de exacte omvang en samenstelling van de dubbele emulsie een functie is van het debiet van elke fase. Het grote verschil tussen de druppel en kanaal grootte en de beschermende buitenmantel stroom voorkomt druppeltjes in contact komen het kanaal muren, waardoor oppervlaktebehandeling overbodig. Echter, zoals glas apparaten vereisen aangepaste fabricage van taps toelopende capillaire tips, samen met een zorgvuldige montage en afdichting. Vorige onderzoekers hebben 3D zachte litho gebruiktgraphy dubbele emulsies gebruikt stroming gericht natuurkunde genereren, maar deze apparaten geproduceerd emulsies met een diameter> 150 um ^9,10, ruwweg een orde van grootte groter dan objecten kenmerkend gesorteerd met FACS. Een aantrekkelijk alternatief zou het robuuste functionaliteit en kleine druppel generatie glazen capillaire stroming coaxiaal gericht met het gemak van vervaardiging van PDMS zachte lithografie bevatten.

In dit artikel beschrijven we een dubbele emulsie generator die gebruik maakt van co-axiale richten voor de productie van ≤ 50 micrometer emulsies en is gebouwd volledig met behulp van 3D zachte lithografie ^11. De inrichting gebruikt een clamshell benadering apparaten die een kleine afschuiving kanaal (figuur 1) aan de emulsievorming processen benaderen in een getrokken glazen capillair mondstuk fabriceren. Wat nog belangrijker is, deze apparaten vereisen geen specifieke oppervlaktebehandeling en de alle polymeer constructie biedt eenvoudige en herhaalbare fabricage scalable een groot aantal dubbele apparaten. Hier schetsen we het ontwerp, de fabricage en het testen van de dubbele emulsie generator. Dubbele emulsie generatie weergegeven robuust en herhaalbaar beneden naar druppel diameter van 14 urn te zijn. De koppeling van de functionaliteit met gemak van fabricage maakt dit apparaat een aantrekkelijke optie voor de ontwikkeling van nieuwe dubbele emulsie toepassingen.

Protocol

1. SU8 Master Fabrication

1. Het ontwerp van de microfluïdische structuren voor twee lagen fabricage met behulp van AutoCAD-software en hebben de ontwerpen gedrukt door een verkoper op printplaat film met 10 micrometer resolutie. De details van inrichting ontwerp worden gegeven in een aangrenzende referentie ¹¹ en het kanaal geometrieën zijn weergegeven in figuur 1. De lagen moeten bevatten uitrichtkenmerken om legeren features uit elke fabricage laag ^12.
2. Plaats een pre-gereinigd 3 inch diameter silicium wafer op een spin coater en zet de stofzuiger om het aan te brengen op de boorkop. Breng 1 ml SU8-3035 in het midden van de wafel en centrifugeren gedurende 20 sec bij 500 rpm, daarna 30 sec bij 2000 rpm, die een dikte van 50 urn.
3. Verwijder de wafer en bakken op 135 ° C gedurende 30 min kookplaat. Laat de wafer afkoelen tot kamertemperatuur alvorens naar de volgende stap.
4. Expose de gecoate wafer naar de ¹ e laag masker (figuur 2A ) in het kader van een gecollimeerde 190 mW, 365 nm LED gedurende 90 sec. Na blootstelling, plaatst de wafer op een 135 ° C kookplaat gedurende 1 minuut, daarna afkoelen tot kamertemperatuur alvorens tot de volgende stap.
5. Plaats de wafer op de spin coater en zet de stofzuiger om het aan te brengen op de boorkop. Breng 1 ml SU8-2050 in het midden van de wafel en centrifugeren gedurende 20 sec bij 500 rpm, daarna 30 sec bij 1375 rpm, wat resulteert in een laag die een extra dikte van 135 urn geeft.
6. Verwijder de wafer en bakken op 135 ° C kookplaat gedurende 30 minuten, daarna afkoelen tot kamertemperatuur voordat u naar de volgende stap.
7. Lijn de ² e laag masker (figuur 2B) op de geometrie patroon in 1.3 en de gecoate wafer bloot te stellen aan een gecollimeerde 190 mW, 365 nm LED voor 3 min. Na blootstelling, te plaatsen op een 135 ° C kookplaat gedurende 1 minuut, daarna afkoelen tot kamertemperatuur alvorens tot de volgende stap.
8. Ontwikkeling van de maskers door onderdompeling in een geroerd bad van propyleenglycolmonomethylether acetaat gedurende 30 min. Was de waferin isopropanol en bakken op 135 ° C gedurende 1 min kookplaat. Plaats de ontwikkelde meester in een 100 mm petrischaal voor PDMS vormen.

2. PDMS Device Fabrication

1. Bereid 10: 1 PDMS door het combineren van 50 g silicone basis met 5 g hardingsmiddel in een kunststof beker. De inhoud met een draaiend gereedschap uitgerust met een roerstokje. Ontgas het mengsel in een exsiccator gedurende 30 minuten of totdat alle luchtbellen worden verwijderd.
2. Giet de PDMS tot een dikte van 3 mm over de meester te geven en plaats terug in de exsiccator voor verdere ontgassen. Zodra alle luchtbellen worden verwijderd bak de inrichting bij 60 ° C gedurende 2 uur.
3. Snijd het apparaat uit de mal met behulp van een scalpel en leg ze op een schone ondergrond met het patroon omhoog. Snijd de PDMS mal in de helft met een scheermesje om Master 1 scheiden van Master 2 (Figuur 3a). Op het stuk met de 50 pm fluid handling geometrie ingeprent door Master 1, punch de vloeibare in- en uitlaten met een 0,75 mm biopsie punch.
4. Plasma behandeling van de apparaten op 1 mbar _O 2 plasma gedurende 60 seconden in een 300 W plasma schoner. Nat het oppervlak van de ongeperforeerde stuk PDMS met een druppel DI water om tijdelijk vertragen PDMS PDMS-bonding en dienen als een smeermiddel. Tijdens het bekijken via een stereo-microscoop, plaats Master 1 op Master 2 oppervlak en schuif de oppervlakken relatief tot een mechanische vergrendeling wordt bereikt wanneer de verzonken frames en uitstekende frames in figuur 3A mate.
5. Plaats het apparaat in een 60 ° C oven en bak de samengestelde inrichting (figuur 3B) gedurende twee dagen bij 60 ° C om het water en volledige binding verdampen.

3. Bereiding van reagentia

1. Vul 1 ml spuit met gedestilleerd water voor de innerlijke fase.
2. Vul 1 ml spuit met HFE 7500 gefluoreerd olie met 1 gew. % Biocompatibel oppervlakteactieve oppervlakteactieve ^{13 voor} de middelste fase.
3. Vul 10 ml spuit met 10 gew. % Polyethyleene glycol (PEG) in water bevattende 1 gew. % Tween 20 en 1 gew. % Natriumdodecylsulfaat voor de continue fase.

4. Systeem Voorbereiding

1. Plaats de microfluïdische chip op het podium van een omgekeerde microscoop in combinatie met een digitale camera die van <100 psec sluitersnelheid.
2. Monteer alle spuiten op spuitpompen en bevestig 27 G naalden. Hechten ~ 30 cm lengte van de PE-2 slangen op de naalden en steek de losse eindjes in de daarvoor bestemde gaten in het apparaat.
3. Plaats een 10 cm lengte van de PE-2 in de uitgang poort van het apparaat en plaats het andere uiteinde in een verzameling afvalcontainer.
4. Vul het apparaat door uitvoering van de spuitpompen bij hoge snelheden (2000 pl / min) tot de vloeistof in de buissegmenten bereikt de inlaatpoorten van de inrichting.

5. Emulsion Generation

1. Focus de microscoop op een gebied dat de 50 um x 50 urn opening en het bevatdownstream exit kanaal.
2. Stel de spuitpompen om vloeistof te leveren aan een dubbele emulsie generator stroomsnelheden van 250 pl / uur gedurende de binnenfase, 100 ul / uur gedurende de middenfase, en 700 ul / uur voor de continue fase en wacht 10 minuten evenwichtstoestand.
3. Handhaaf de stroomsnelheden van de binnenste en middelste fasen bij 250 pl / uur en 100 ul / uur, respectievelijk. Stel het debiet van de uitwendige fase bij 1050 ul / uur. Wacht 3-5 min voor de dubbele emulsies generatie te stabiliseren in het kader van deze set van stroom omstandigheden.
4. Verwerven 5 sec van videobeelden bij 30 Hz voor offline verwerking via handmatige beeldanalyse.
5. Herhaal 5,3 en 5,4 met de stroomsnelheden in tabel 1. De binnen- en middenfase debiet constant gehouden en de dragerfase stroomsnelheid wordt gevarieerd door het instellen van de injectiepomp.

Resultaten

De dubbele emulsie generator bestaat uit een co-axiale focusseerinrichting gemaakt met behulp van 3D-PDMS fabricage (Figuur 1A). De geometrie maakt dat de vorming van een driefasig coaxiaal jet wordt afgeschoven in een vierkant, 50 um x 50 urn openingen, waardoor de vorming van water / olie / water emulsies double (figuur 1B, figuur 1C). De inwendige waterige fase en de oliefase middelste samengebracht bij een verbinding met kanaalafmeti...

Discussie

De dubbele emulsie genererende geometrie beschreven is ontworpen om de fysica van glazen capillaire inrichtingen ⁸ nabootsen. In deze, zijn afgestemd cilindrische glazen capillairen gebruikt om een ​​driefase coaxiale jet die wordt geschoren in uniform dubbele emulsiedruppeltjes creëren. De functie van onze 3D PDMS inrichting afhankelijk van de centrale lijn van kleine elementen gevormd met 50 micrometer lang fabricage met draaggolffase kanalen die 320 urn totale hoogte. Er is een significant potentieel om mi...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Photomasks	CadArt Servcies
3" silicon wafers, P type, virgin test grade	University Wafers	447
SU-8 3035	Microchem	Y311074
SU-8 2050	Microchem	Y111072
Sylgard 184 silicone elastomer kit	Krayden	4019862
1 ml syringes	BD	309628
10 ml syringes	BD	309604
27 gaugue needles	BD	305109
PE 2 polyethylene tubing	Scientific Commodities, Inc.	B31695-PE/2
Novec 7500	Fisher Scientific	98-0212-2928-5	Commonly knowns als HFE 7500
Biocompatable surfactant	Ran Biotechnologies	008-FluoroSurfactant
35,000 MW PEG	Sigma Aldrich	1546660
Tween 20	Sigma Aldrich	P1369
Sodium dodecyl sulfate	Sigma Aldrich	L3771