Duplo Emulsion Geração de utilizar um dispositivo de polidimetilsiloxano (PDMS) Co-Axial Flow Foco

Resumo

A geração de emulsões duplas microfluídicas normalmente envolve dispositivos com molhabilidade padronizada ou componentes de vidro fabricados sob medida. Aqui descrevemos a fabricação e o teste de um gerador de emulsão dupla totalmente polidimetilsiloxano (PDMS) que não requer tratamento de superfície ou processos de fabricação complicados e é capaz de produzir emulsões duplas de até 14 μm.

Resumo

As emulsões duplas são úteis em várias aplicações biológicas e industriais nas quais é importante ter um fluido transportador aquoso. Este trabalho apresenta um dispositivo microfluídico de polidimetilsiloxano (PDMS) capaz de gerar emulsões duplas água/óleo/água usando uma geometria de foco de fluxo coaxial que pode ser fabricada inteiramente usando litografia suave. Semelhante aos dispositivos de emulsão que usam capilares de vidro, emulsões duplas podem ser formadas em canais com molhabilidade uniforme e com dimensões muito menores que os tamanhos dos canais. A geometria de focagem de fluxo tridimensional é obtida fundindo um par de lajes PDMS usando litografia macia de duas camadas e, em seguida, acoplando as lajes em uma configuração de concha. Os recursos de travamento complementares moldados nas lajes PDMS permitem o registro preciso de recursos em cada uma das superfícies da laje. O teste do dispositivo demonstra a formação de emulsões duplas de 14 μm a 50 μm de diâmetro ao usar canais grandes que são robustos contra incrustações e entupimentos.

Introdução

Emulsões duplas consistem em gotículas separadas a partir de uma fase de transportador por intermédio de uma camada de fluido, imiscível, e são de particular interesse devido a suas potenciais utilizações em aplicações industriais, produtos farmacêuticos e aplicações biológicas ^1. Em alguns casos, a capacidade de encapsular compostos de alto valor em um núcleo de emulsão dupla permite que o material a ser protegido e lançado de uma maneira controlada. Por exemplo, as drogas podem ser encapsulados sob condições de solubilidade não apropriados para o fluido de transporte externo ^2. Além disso, a camada intermédia do óleo pode ser usado como um modelo para a cápsula de encapsulamento e de entrega de drogas, cosméticos, e nutrientes ^3. Em biologia, emulsões duplos também são úteis para triagem de alto rendimento, porque eles permitem um grande número de experiências sub-nanolitros a ser levada a cabo, e, em seguida, detectados utilizando um classificados de células activadas por fluorescência (FACS) instrumento ^4,5.

ENT "> O design de emulsões duplas com características de desempenho desejadas exige o controlo preciso do tamanho de emulsão dupla, composição e uniformidade. Embora os processos de emulsificação a granel, tais como emulsificação da membrana, são usadas na indústria, as emulsões resultantes são altamente polidispersos, exibindo um grande variedade de propriedades funcionais ^1. O campo de gota de microfluídica é naturalmente adequadas a geração de emulsões monodispersas com composição cuidadosamente controlada ^6. geração de emulsão dupla Microfluidic foi conseguido com duas estratégias principais, para preparar queda seqüencial e de fluxo capilar de vidro de focagem. emulsões duplas podem ser gerado em planares dispositivos PDMS usando uma gota de duas fases processo de tomada. Em primeiro lugar, aquosa-em-óleo são criados a partir de água-em-óleo região de um dispositivo com as paredes do canal hidrofóbico de tomada de gota. Em seguida, a emulsão pode ser fluiu ou reinjetado em uma região de tomada de gota com paredes hidrofílicos adequados para óleo em águagota de tomada ^4. No entanto, o tratamento de superfície hidrófila de PMDS requer um passo de fabrico adicional e é muitas vezes temporária ^7. O método mais controlável e reproduzível para formar emulsões duplas é por fluxo de co-axial de focagem, utilizando uma técnica pioneira Microfluidics capilar de vidro, pelo qual um jacto concêntrico contendo as três fases é cortado por meio de um pequeno orifício para produzir gotas monodispersas ^8. Esta técnica permite a produção de gotículas muito mais pequenas do que as dimensões do canal, com o tamanho e a composição exacta da emulsão dupla é uma função das taxas de fluxo de cada fase. A grande diferença entre gota e tamanho do canal e do fluxo de bainha protetora externa impede gotas de entrar em contato com as paredes do canal, tornando desnecessário o tratamento de superfície. No entanto, esses dispositivos de vidro exigem fabricação personalizada de dicas de capilares afilados, juntamente com a montagem cuidadosa e selagem. Investigadores anteriores usaram litografia suave 3Dgrafia de gerar emulsões duplas utilizando fluxo de focagem física, mas estes dispositivos produziram emulsões com diâmetros> 150 uM ^9,10, cerca de uma ordem de grandeza maior do que os objectos tipicamente classificadas com FACS. Uma alternativa atractiva que incluem a funcionalidade robusta e pequena geração de gotículas de fluxo coaxial capilar de vidro de focagem com a facilidade de fabrico de PDMS litografia macia.

Neste artigo, descreve um gerador de emulsão dupla que utiliza o fluxo de co-axial com foco para a produção de ≤ 50 mm emulsões e é construído inteiramente em 3D utilizando litografia macia ^11. O nosso dispositivo utiliza uma abordagem de concha para fabricar dispositivos que inclui um pequeno canal de corte (Figura 1) para aproximar os processos de formação de emulsão em um bico capilar de vidro puxado. Mais importante ainda, estes dispositivos requerem nenhum tratamento de superfície específica, e toda a construção de polímero proporciona fácil e reproduzível sc fabricaçãoalable para um grande número de dispositivos duplicados. Aqui, descrevemos o projeto, fabricação e testes do gerador de emulsão dupla. Geração de emulsão dupla é mostrado para ser robusta e reproduzível para baixo para diâmetros de gotículas de 14 mm. O acoplamento de funcionalidade com a facilidade de fabrico torna este dispositivo uma opção atraente para o desenvolvimento de novas aplicações de emulsão dupla.

Protocolo

1. SU8 Mestre Fabrication

1. Projetar as estruturas microfluídicos para dois fabricação camada utilizando o software AutoCAD e têm os desenhos impressos por um fornecedor em filme placa de circuito com resolução de 10 m. Os detalhes da concepção do dispositivo são dadas em uma referência anexado ¹¹ e as geometrias de canal são mostradas na Figura 1. As camadas deverá incluir marcas de alinhamento para ajudar a colocar características de cada camada ^{12 de} fabricação.
2. Coloque uma pré-limpeza de 3 polegadas de diâmetro wafer de silício em um revestidor de rotação e ligue o vácuo para afixá-lo para o mandril. Aplicar 1 ml de SU8-3035 no centro da bolacha e centrifugação durante 20 segundos a 500 rpm, em seguida 30 segundos a 2000 rpm, proporcionando uma espessura de camada de 50 um.
3. Remover a bolacha e assar em uma placa de aquecimento de 135 ° C durante 30 min. Permitir que o wafer arrefecer à RT antes de passar para a próxima etapa.
4. Exponha o wafer revestido para o ^st máscara de camada 1 (Figura 2A ) sob uma colimado 190 mW, 365 nm LED para 90 seg. Após a exposição, a colocar sobre uma bolacha de 135 ° C placa de aquecimento durante 1 min, em seguida, arrefecer attemperatura ambiente, antes de prosseguir para o passo seguinte.
5. Coloque o wafer no revestidor de rotação e ligue o vácuo para afixá-lo para o mandril. Aplicar 1 ml de SU8-2050 no centro da bolacha e centrifugação durante 20 segundos a 500 rpm, em seguida 30 segundos a 1375 rpm, o que resulta em uma camada que proporciona uma espessura adicional de 135 uM.
6. Remover a bolacha e assar em uma placa de aquecimento de 135 ° C durante 30 min, em seguida, arrefecer attemperatura ambiente, antes de passar para a próxima etapa.
7. Alinhar a camada de máscara 2 ^ND (Figura 2B) para a geometria modelada em 1.3 e expor a pastilha revestida a uma colimado 190 mW, a 365 nm LED durante 3 min. Após a exposição, colocar sobre uma placa de aquecimento de 135 ° C durante 1 min, em seguida, arrefecer attemperatura ambiente, antes de prosseguir para o passo seguinte.
8. Desenvolver as máscaras por imersão num banho em agitação de acetato de éter propilenoglicol monometílico, durante 30 min. Lava-se a bolachaem isopropanol e assar em uma placa de aquecimento de 135 ° C durante 1 min. Colocar o mestre desenvolvido numa placa de Petri de 100 mm para a moldagem por PDMS.

2. PDMS fabricação de dispositivos

1. Preparar 10: 1 PDMS combinando 50 g de base de silicone com 5 g de agente de cura em um copo de plástico. Misture o conteúdo com uma ferramenta rotativa equipada com um pedaço de pau mexa. Desgaseificar a mistura no interior de um exsicador durante 30 minutos, ou até que todas as bolhas de ar são removidas.
2. Despeje o PDMS para dar uma espessura de 3 mm sobre o mestre e coloque de volta no secador durante mais de desgaseificação. Uma vez que todas as bolhas são removidas, o dispositivo de cozer a 60 ° C durante 2 horas.
3. Corte o dispositivo a partir do molde utilizando um bisturi e coloque sobre uma superfície limpa, com o lado modelado up. Cortar o molde PDMS ao meio com uma lâmina de barbear para separar master 1 da Master 2 (Figura 3a). Na peça que contém a geometria manuseio 50 um fluido impresso por Master 1, socos fluídicos as entradas e saídas com 0,75 mm de punção para biópsia.
4. Plasma tratar os dispositivos a 1 mbar _de O2 no plasma durante 60 segundos em um aspirador de plasma 300 W. Molhar a superfície da peça unpunched de PDMS com uma gota de água Dl para retardar temporariamente PDMS-PDMS ligação e servir como um lubrificante. Durante a visualização através de um microscópio estéreo, lugar Master 1 no Master 2 superfície e deslize as superfícies relativamente até que um bloqueio mecânico é alcançada quando os quadros recesso e molduras salientes na Figura 3A companheiro.
5. Coloque o dispositivo num forno de 60 ° C e assar o dispositivo montado (Figura 3B) durante dois dias a 60 ° C para evaporar a água e a ligação completa.

3. Preparação dos Reagentes

1. Encha seringa de 1 mL com água destilada para a fase interior.
2. Preencha seringa de 1 ml com HFE 7500 óleo fluorado com um peso. % Surfactante biocompatível surfactante ^{13 para a} fase intermediária.
3. Preencha seringa de 10 ml com 10 wt. % Polietilenoe glicol (PEG) em solução de água contendo 1 em peso. % De Tween 20 e 1 em peso. % De dodecilsulfato de sódio para a fase contínua.

4. Sistema de Preparação

1. Coloque o chip microfluídico no palco de um microscópio invertido acoplado com uma câmera digital capaz de <100 ms velocidades do obturador.
2. Montar todas as seringas em bombas de seringa e anexar 27 agulhas G. Anexar ~ 30 cm de comprimento de tubagem de PE-2 sobre as agulhas e inserir as extremidades soltas na apropriado perfurados orifícios no dispositivo.
3. Inserir um comprimento de 10 cm de EP-2 para a porta de saída do dispositivo e colocar a outra extremidade num contentor de recolha de resíduos.
4. Primeiro o dispositivo, executando as bombas de seringa, a altas taxas de velocidades (2,000 mL / min) até que o fluido nos segmentos de tubagem atinge os orifícios de entrada do dispositivo.

5. Emulsão Geração

1. Concentre o microscópio sobre uma região que contém o 50 um x 50 um orifício eocanal de saída a jusante.
2. Definir as bombas de seringa para fornecer o fluido para o gerador de emulsão dupla a taxas de fluxo de 250 mL / h durante a fase interior, com 100 ul / h durante a fase de meio, e 700 ul / h durante a fase contínua e esperar 10 minutos para equilíbrio.
3. Manter as velocidades de fluxo das fases interna e meia em 250? L / h e 100 l / h, respectivamente. Definir a taxa de fluxo da fase exterior em 1.050 mL / hr. Espere 3-5 minutos para a geração de casal emulsões para estabilizar sob este conjunto de condições de escoamento.
4. Adquirir 5 segundos de imagens de vídeo a 30 Hz para processamento off-line através de análise de imagem manual.
5. Repetir 5.3 e 5.4 com as taxas de fluxo indicadas na Tabela 1. As taxas de fluxo da fase interna e do meio são mantidas constantes e a taxa de fluxo da fase portadora é variada por ajustamento da configuração da bomba de seringa.

Resultados

O gerador de emulsão dupla é constituída por um dispositivo de focagem de fluxo coaxial criado utilizando PDMS 3D fabricação (Figura 1A). A geometria permite que a formação de um jacto coaxial de três fases para ser cortada num quadrado, de 50 um x 50 um orifício, permitindo a formação de água / óleo / água emulsões duplas (Figura 1B, Figura 1C). A fase aquosa interna e a fase de óleo secundária são unidas numa junção com dimensões de ca...

Discussão

A geometria de geração de emulsão dupla descrito aqui é projetado para imitar a física de dispositivos de capilares de vidro ^8. Nestes, capilares de vidro cilíndricos alinhados são usadas para criar um jacto coaxial de três fases, que é cortado em gotículas uniformes de emulsão dupla. A função do nosso dispositivo de PDMS 3D é dependente do alinhamento central das características pequenas formadas com 50 mm de altura de fabricação da fase da portadora com canais que são de 320 mícrons na altura total. Existe ...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Photomasks	CadArt Servcies
3" wafers de silício, tipo P, grau de teste virgem	University Wafers	447
SU-8 3035	Microchem	Y311074
SU-8 2050	Microchem	Y111072
Sylgard 184 kit de elastômero de silicone	Krayden	4019862
seringas de 1 ml	BD
seringas de 10 ml	BD	309604
27 agulhas de gauge	BD	305109
PE 2 tubo de polietileno	Scientific Commodities, Inc.	B31695-PE/2
Novec 7500	Fisher Scientific	98-0212-2928-5	Comumente conhecido como HFE 7500
Surfactante Biocompatível	Ran Biotechnologies	008-FluoroSurfactant
35,000 MW PEG	Sigma Aldrich	1546660
Tween 20	Sigma Aldrich	P1369
Dodecil sulfato de sódio	Sigma Aldrich	L3771