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Artigo de método

Geração de tamanho controlado poli (etileno glicol) Diacrylate gotículas através de Semi-3-Dimensional Flow focando Microfluidic dispositivos

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DOI:

10.3791/57198

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3 de julho de 2018

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1Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, 2The State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Tsinghua University

Neste artigo

Resumo

Aqui, apresentamos um protocolo para ilustrar os processos de fabricação e verificando as experiências de um semi-three-dimensional (semi-3D) fluxo de focagem microfluidic chip para formação de gotículas.

Resumo

Gotículas de diacrylate (PEGDA.) uniforme e tamanho-controláveis poli (etileno glicol) poderiam ser produzidas através do fluxo focando o processo em um dispositivo microfluidic. Este trabalho propõe um semi-three-dimensional (semi-3D) fluxo de focagem microfluidic chip para formação de gotículas. O chip do polydimethylsiloxane (PDMS) foi fabricado usando o método de litografia macia multi-camada. Hexadecano contendo surfactante foi usado como a fase contínua e PEGDA com iniciador-foto do ultravioleta (UV) foi a fase dispersa. Surfactantes permitiu a tensão de superfície local soltar e formaram uma dica mais cúspides que promoveu quebrando em microgotículas. Como a pressão da fase dispersa era constante, o tamanho das gotas de tornou-se menor com o aumento da pressão da fase contínua antes de fase dispersa fluxo foi interrompido. Como resultado, as gotas com variação de tamanho de 1 µm a 80 µm de diâmetro poderiam ser alcançadas seletivamente, alterando a relação de pressão em dois canais de entrada, e o coeficiente médio de variação foi estimado para ser abaixo de 7%. Além disso, as gotas se transformava em microgrânulos pela exposição aos raios UV para foto-polimerização. Conjugação de biomoléculas superfície tão microgrânulos têm muitas aplicações potenciais nas áreas de biologia e química.

Introdução

Sistemas baseados em gotículas microfluidic têm a capacidade de produzir altamente monodisperso gotículas de nanômetros de micrômetro de diâmetro faixa1 e mantenha o grande potencial no elevado-throughput droga descoberta2, síntese de biomoléculas3 ,4e o diagnóstico teste5. Devido as vantagens únicas de gotículas menores, tais como a maior área de superfície a relação entre o volume e as aplicações em grande escala com consumo de alguns microlitros de amostra, a tecnologia tem atraído interesse extensa em uma ampla gama de campos. A emulsificação de dois líquidos imiscíveis é um dos métodos mais comuns para gerar gotículas. Em relatórios anteriores no campo, os pesquisadores desenvolveram uma variedade de geometrias de formação diferente da gota, incluindo entroncamento, fluxo de focagem e co fluindo geometrias. A geometria do entroncamento, a fase dispersa é entregue através de um canal perpendicular para o canal principal, na qual a fase contínua flui6,7. A típica bidimensional (2D) fluxo de focagem8,9 , na geometria do fluxo de fase dispersa é cortado de lateral; e para o co fluindo geometria10,11, por outro lado, um capilar introduzindo o fluxo da fase dispersa é colocado co-axial dentro de um capilar maior para a geometria co fluindo, para que o fluxo da fase dispersa é cortado de todas as direções.

O tamanho da gota é controlado ajustando a relação de taxa de tamanho e fluxo de canal, e o tamanho mínimo produzido por co fluindo ou entroncamento é limitado a dezenas de micrômetros. Para o sistema de formação de gotículas fluxo de focagem, três modos de separação da gota formam ajustando a relação de pressão de duas fases e a concentração de surfactante, incluindo o gotejamento regime, o regime de jorrando e streaming de ponta15. Dica-fluxo contínuo modo também é chamado de formação do segmento e a aparência de uma fina será observado o segmento de desenho da ponta do cone de fluxo da fase dispersa. Estudos anteriores demonstraram gotículas menor que alguns micrômetros poderiam ser gerados que ponta-fluxo contínuo processo em 2D ou 3D semi fluxo-foco dispositivo8,12. No entanto, como uma solução aquosa contendo uma concentração muito baixa de PEGDA foi usada como a fase dispersa, a taxa de encolhimento de partículas PEGDA era cerca de 60% de gotas de diâmetro originais após foto-polimerização, enquanto PEGDA sem diluição como o fase dispersa levou ao modo instável streaming de ponta12. Tensão interfacial é um parâmetro importante do processo de emulsão e diminuirá devido à adição de tensoativo para o líquido da fase contínua, levando à diminuição do tamanho das gotas, maior frequência de geração13, ponta altamente curvada, e prevenção de instabilidade14. Além disso, quando a concentração de surfactante em massa é muito maior do que a concentração crítica micelle, a tensão interfacial é aproximadamente invariável no estado saturado13 e o modo streaming de ponta pode ocorrer15.

Baseia as observações acima, neste trabalho, desenvolvemos uma abordagem superficial para geração de gotículas PEGDA usando um semi-3D fluxo de focagem microfluidic dispositivo, fabricado pelo método de litografia macia multi-camada. Diferentes do dispositivo de fluxo de focagem 2D típico, o dispositivo de fluxo de focagem semi-3D tem um canal raso fase dispersa e um canal de fase profunda contínua, para que a fase dispersa pode ser cortada de cima e para baixo ao lado lateral. Isso fornece maior gama de ajuste para o modo de fluxo-foco, reduzindo a energia e a pressão necessária para a separação da gota. Diferente do anterior relatório12, a fase dispersa é puro PEGDAcontaining foto-iniciador, certificando-se que a taxa de encolhimento de partículas PEGDA é inferior a 10%,16; e a fase contínua é a mistura de hexadecano dissolvendo-se com uma concentração alta em massa de tensoativo não iônico à base de silicone. Gotículas de tamanho controlável e uniformes foram produzidas, ajustando a relação de pressão de duas fases. O diâmetro de gotas muda de 80 µm a 1 µm, como a separação da gota processa alterações do modo jorrando para o modo streaming de ponta. Além disso, a partícula PEGDA foi sintetizada através do processo de foto-polimerização sob exposição aos raios UV. O sistema de microfluidic de geração de gotículas com facilidade de fabricação irá fornecer mais possibilidades para aplicações biológicas.

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Protocolo

1. fabricação do molde

  1. Duas máscaras usando um software de desenho de projeto. Descrever o contorno da estrutura microchannel e use duas camadas separadas para máscara 1 e 2 no mesmo arquivo de desenho, por isso, verifique todas as conexões entre os diferentes canais. Imprima diferentes camadas independentemente para placa no vidro por um vendedor com resolução de 1 µm de cromo. Certifique-se de que as máscaras são escuras com estruturas projetadas transparentes, como uma polaridade negativa.
    Nota: A máscara 1 contém o canal de entrada de fase dispersa e um orifício. A máscara 2 contém o canal de entrada da fase contínua, o filtro e a tomada.
  2. No laboratório designado fotolitografia, limpe uma bolacha de silicone de 3 polegadas de diâmetro. Coloque a bolacha em um aplicador de rotação, ligue o aspirador para fixar a hóstia para o chuck de volta. Rotação-casaco 2-3 mL de SU-8 2025 fotorresiste negativo para a bolacha de 10 s a 1.000 rpm, então 30 s a 3.000 rpm, fornecendo a espessura da primeira camada de 20 µm.
  3. Asse macio em uma chapa de 95 ° C por 6min. Depois a bolacha revestida esfria à temperatura ambiente (RT), expô-lo através da máscara 1 sob um colimado 15 mW/cm2, 365 nm de UV para 18 s. pós-exposição, asse em uma chapa de 95 ° C por 6min e, em seguida, permitir a bolacha arrefecer à RT
  4. Repita o processo de revestimento de rotação. Aplicar 2-3 mL de SU-8 2100 fotorresiste negativo para a bolacha de 10 s a 1.000 rpm, então 30 s a 2.000 rpm, fornecendo a espessura da segunda camada de 130 µm. Depois Asse macio em uma chapa de 95 ° C por 35 min, coloque a máscara 2 sobre a segunda camada fotorresiste para expor por 30 s, que foi alinhado com a camada de canal de fase dispersa por um alinhador de UV. Pós-exposição, asse em uma chapa de 95 ° C por 7 min.
  5. Desenvolva a bolacha por imersão num banho de 50 mL de propileno glicol acetato de éter metílico mexido até características tornam-se claras sobre a bolacha e, em seguida, lavagem-a com álcool etílico. Finalmente, coloque a bolacha na plataforma termostática para assar por 2 h.

2. fabricação de Chip Microfluidic Flow-foco semi-3D

  1. Monômero de PDMS Mix e seu agente de cura em uma relação de peso ligeiramente diferentes para a parte superior e as camadas de fundo, normalmente de 10:1 para a camada superior e 8:1 para a camada inferior, usando agitador automático pomada para 4 min.
    Nota: As lajes PDMS superior e inferior são preparadas em uma relação um pouco diferente (10:1 e 8:1 respectivamente) da base PDMS para agente de cura, aumentando a força de ligação. Quando a proporção de 5:1 é escolhida para a camada inferior, a laje PDMS inferior mais aguerrida dificulta o alinhamento e reduz a força de ligação, devido à falta de flexibilidade. Além disso, a espessura da laje inferior PDMS é cerca de 1 mm para adaptar a distância de trabalho de microscópio. O chip deforma-se facilmente sob a alta pressão quando é escolhida a proporção de 1:15.
  2. Despeje a mistura no molde silicone concluído em um prato de petri de 90 mm e fornecer uma espessura de 2 ~ 3 mm. Coloque-o em uma câmara de vácuo e desgaseificar até todas as bolhas de ar desaparecem. Curar a 80 ° C, durante 1 h no forno.
  3. Permita o PDMS arrefecer RT. uso um bisturi para cortar o dispositivo pelo menos 3 mm longe as características e lentamente retire a camada PDMS do wafer de silício. Socar a entrada da fase dispersa, a entrada da fase contínua e a saída na camada superior de PDMS usando um soco de diâmetro de 0,75 mm.
  4. Limpe o PDMS com fita adesiva para remover partículas de poeira. Plasma tratar a parte superior e inferior camadas PDMS simultaneamente por 2 min em um plasma W 300 limpador. Coloque a camada superior da superfície da camada inferior e deslize as superfícies relativamente até características estão alinhadas a visualização através de um microscópio estéreo.
  5. Cure o dispositivo em um forno a 120 ° C por um dia aumentar a força e completar a ligação.

3. reagentes preparação

  1. Preparar a solução da fase contínua: hexadecano dissolvendo-se 18 vol % à base de silicone não iónico surfactante.
  2. Preparar a solução da fase dispersa: hidrofílico poli (etileno glicol) diacrylate (PEGDA, 255 MW,) contendo 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (98%, 224 MW) na concentração de 5 mg/mL como o foto-iniciador e rodamina B ( 95%, 479.01 MW) em uma concentração de 1 mmol/L, como os corantes fluorescentes.
  3. Encha os reservatórios de 1ml de controlador de pressão pneumática com a fase contínua. Encha a ponta de carregamento de gel de 200 µ l com a fase dispersa.

4. sistema preparação

  1. Coloque o dispositivo microfluidic semi-3D no palco do microscópio óptico invertido, visualização com uma câmera de alta velocidade.
  2. Conectar o tubo de propileno (FEP) de etileno fluorado no buraco perfurado da fase contínua, anexando um curto tubo de aço inoxidável e, em seguida, insira a extremidade de uma carga de gel de ponta no orifício perfurado da fase dispersa. Insira um comprimento de 20 cm de tubo de FEP na saída no aparelho e coloque a extremidade de um tubo de centrífuga de 15 mL.
    Nota: A configuração do sistema é ilustrada na Figura 1.

5. formação de gotas

  1. Coloque o dispositivo na bancada de trabalho de um microscópio invertido e certifique-se de que a junção de diferentes canais aproximadamente está localizada na posição da fonte de luz do microscópio. Foco do microscópio invertido em uma região que contém a interseção de duas fases, a região do orifício e o canal a jusante.
  2. Conjunto de pressões de duas fases, usando o controlador de pressão pneumática para entregar o líquido lentamente para a região de interseção, com 15 mbar para a fase dispersa e 30 mbar para a fase contínua. Espere 3 min para estabilização e equilíbrio até o fluxo de fluido estável carregando sem bolhas e resíduo PDMS.
  3. Os parâmetros na interface de usuário do software de controle de entrada. Ajustar a pressão da fase dispersa como a pressão de base-nível do sistema para uma constante, por exemplo, mantê-lo em 45 mbar. Aumentar a pressão da fase contínua até que o modo de separação de emulsão é alterado da jorrar para o modo streaming de ponta e, em seguida, espere 5 min para estabilização.
  4. Coloque a extremidade do tubo de FEP conectando o furo de saída para o tubo de centrifugação para recolher as gotas.

6. PEGDA partículas coleta e caracterização

  1. Fixar o tubo de centrifugação obliquamente a fixação. Obter as partículas PEGDA através da solidificação rápida pela exposição aos raios UV quando fase líquida de fluxo para o tubo.
  2. Ao finalizar o processo de coletando, a amostra e observar as partículas PEGDA através do microscópio fluorescente com 20 X ou 60 objetos X, respectivamente.
    Nota. As imagens digitais fluorescentes capturadas pela câmera são analisadas por uma rotina de software sob medida. A imagem é primeira deconvolução baseada o algoritmo R-L17 para eliminar o efeito de desfocagem do fora-de-foco de luz e a esfera de objetos na imagem são extraídos com base no método de deteção de borda sagaz; Finalmente, o diâmetro de cada objeto da esfera pode ser calculado usando Hough transformação18. Como resultado, média e desvio padrão dos diâmetros dos objetos da esfera em cada imagem podem ser estimados.

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Resultados

O chip de microfluidic fluxo de focagem semi-3D foi fabricado usando técnicas de litografia macia multi-camada conforme descrito acima. O processo de fabricação e os resultados para o molde mestre no protocolare mostrado na Figura 2. A primeira camada, que proporciona um canal de 65 µm de largura por introduzir a fase dispersa e uma 50 µm Largura do orifício (Figura 2um), é de 20 µm de espessura. Uma camada de es...

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Discussão

A geração de gotículas no modo de focagem fluxo usando 2D e semi-3D microfluidic dispositivo anteriormente foi desenvolvida em uma variedade de relatórios8,9,15,19,20, 21. Nestes sistemas, o líquido aquoso que não poderia ser solidificado foi escolhido como a fase dispersa, tais como água desionizada8...

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Divulgações

Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado pela pesquisa fundamental Shenzhen financiamento (Grant no. JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665 e JCYJ20160317152359560). Os autores que gostaria de agradecer a Prof Y. Chen no Shenzhen institutos de avançada tecnologia, da Academia Chinesa de ciências para suporta.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Bolacha de silícioHuashi Co., Ltd
SU-8 2025, 2100Microchem Co.
desenvolvedor do SU-8Microchem Co.
máscara de cromoQingyi Precision Mask Making Co., Ltd
polidimetilsiloxano (PDMS)Dow CorningSylgard 184
poli (etilenoglicol) diacrilato (PEGDA)Sigma26570-48-9
2-hidroxi-40- (2-hidroxietoxi) -2-metilpropiofenonaTCIH1361-5Gfotoiniciador
HexadecaneSigma544-76- 3
ABIL EM 90CHT144243-53-8surfactantes
Rodamina BAladdin81-88-9corante fluorescente
Spin Coater
Máquina
Agitador automático de pomadaThinkyARV-310
FornoBluePard
Microscópio ópticoOLYMPUSIX71
Câmera de alta velocidadeHamamatsu, JapãoORCA-flash
MAESFLO Sistema de Controle de Fluidos MicrofluídicosFLUIGENTMFCS-EZ
UV lâmpadaFUTANSI365 nm Luz UV, 8000 MW/CM2
Y111069, Y020100de litografia

Referências

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