Методическая статья

Двухместный Эмульсия поколения Использование Полидиметилсилоксан (PDMS) Коаксиальная Поток Фокус устройства

DOI:

10.3791/53516

⸱

25 декабря 2015 г.

 ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Микрофлюидные двойные эмульсии обычно используются устройства с моделируемой смачиваемостью или изготовленные на заказ стеклянные компоненты. В данной статье мы описываем изготовление и испытание генератора двойной эмульсии, полностью полидиметилсилоксана (PDMS), который не требует обработки поверхности или сложных производственных процессов и способен производить двойные эмульсии размером до 14 мкм.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Двойные эмульсии полезны в ряде биологических и промышленных применений, где важно иметь водную несущую жидкость. В данной статье представлено микрофлюидное устройство из полидиметилсилоксана (PDMS), способное генерировать двойные эмульсии вода/масло/вода с использованием коаксиальной фокусирующей геометрии, которая может быть полностью изготовлена с использованием мягкой литографии. Подобно эмульсионным устройствам, использующим стеклянные капилляры, двойные эмульсии могут образовываться в каналах с равномерной смачиваемостью и размерами, значительно меньшими по сравнению с размерами каналов. Трехмерная геометрия фокусировки потока достигается путем литья пары плит PDMS с использованием двухслойной мягкой литографии, а затем сопряжения плит вместе в конфигурации раскладушки. Дополнительные элементы блокировки, отлитые в плитах PDMS, обеспечивают точную регистрацию элементов на каждой из поверхностей плиты. Испытания прибора демонстрируют образование двойных эмульсий диаметром от 14 до 50 мкм при использовании больших каналов, устойчивых к загрязнению и засорению.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Двойные эмульсии состоят из капелек, отделенных от фазы несущей промежуточной несмешивающихся слоя жидкости, и представляют особый интерес из-за их потенциальных применений в промышленных, фармацевтических и биологических приложений 1. В некоторых случаях, способность инкапсулировать высокомолекулярных соединений значение в ядре двойной эмульсии в материал позволяет быть защищены и выпущен в контролируемым образом. Например, лекарственные средства могут быть инкапсулированы в условиях растворимости не подходит для внешнего жидкости-носителе 2. Кроме того, промежуточный слой масло можно использовать в качестве шаблона для капсулы инкапсуляции и доставки лекарств, косметики и питательных веществ 3. В биологии, двойные эмульсии полезны также при высокопроизводительного скрининга, поскольку они позволяют массовый количество суб-нанолитровых экспериментов, которые будут проводиться, то обнаруживается, и сортируются с помощью флуоресцентного активированного сортировки клеток (FACS) инструмент 4,5.

ENT "> Конструкция двойных эмульсий с желаемыми рабочими характеристиками требует точного контроля двойного размера эмульсии, состава и однородности. Несмотря на то, сыпучие процессы эмульгирования, такие как мембраны эмульгирования, используются в промышленности, в результате эмульсии обладают высокой полидисперсных, демонстрируя Широкий выбор функциональных свойств 1. Поле капель микрофлюидики естественно подходит поколение монодисперсных эмульсий с тщательно контролируемым составом 6. Микрожидкостных дважды поколение эмульсия была достигнута с двумя основными стратегиями, делая последовательный падение и потока стеклянный капилляр фокусировки. Двойные эмульсии могут генерироваться в плоских PDMS устройств, использующих двухступенчатую падение решений. Во-первых, водно-в-масле создаются с использованием типа вода-в-масле падение решений область устройства с гидрофобными стенками канала. Далее, эмульсия может быть текла или закачиваться в раскрывающемся решений регионе с гидрофильными стен подходят для масла в водепадение решений 4. Однако, гидрофильные обработка поверхности PMDS требует дополнительной стадии изготовления и часто временный 7. Наиболее управляемым и воспроизводимым способом образовывать двойные эмульсии является соосным поток фокусировки, метод впервые использованием стекл нного капилл микрофлюидики, в результате чего концентрический струи, содержащий три фазы сдвигается через небольшое отверстие, чтобы произвести монодисперсных капель 8. Этот метод позволяет для производства капель значительно меньше, чем размеры каналов, с точным размером и составом двойной эмульсии является функцией скорости потока каждой фазы. Большое различие между каплей и размера канала и защитного наружного кожуха предотвращает поток капель от контакта стенок канала, что делает ненужным обработку поверхности. Тем не менее, такие стеклянные приборы требуют специального изготовления конических советы капиллярных, наряду с тщательной сборки и герметизации. Предыдущие исследователи использовали 3D мягкую литографиюграфии для создания двойных эмульсий, используя поток фокусировки физику, но эти устройства производятся эмульсии с диаметром> 150 мкм 9,10, примерно на порядок больше, чем обычно, отсортированных объектов с FACS. Привлекательной альтернативой будет включать надежную функциональность и малой генерации капель стеклянной капиллярной коаксиального потока фокусировки с легкостью производства PDMS мягкой литографии.

В этой статье мы опишем, двойной эмульсии генератор, который использует коаксиальный поток фокусировки для получения ≤ 50 мкм эмульсий и построен полностью с помощью 3D мягкую литографию 11. Наше устройство использует раскладушка подход изготовить устройства, которые включает в себя небольшой сдвига канала (рисунок 1) для аппроксимации процессов формирования эмульсии в вытащил стекло капиллярного сопла. Более того, эти устройства не требуют специального лечения поверхности, и все полимеры конструкция обеспечивает легкий и повторяемость изготовления подкожноalable к большому количеству одинаковых устройств. Здесь мы приводим дизайн, изготовление и тестирование генератора двойной эмульсии. Двухместный поколение эмульсия показано, надежный и повторяемый до диаметра капель от 14 мкм. Сочетание функциональности с легкостью изготовления делает это устройство привлекательным вариантом для развития новых двойных приложений эмульсии.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. SU8 Мастер Изготовление

  1. Дизайн микрожидкостных структуры для двух изготовления слоя с использованием программного обеспечения AutoCAD и имеют дизайн печатных по поставщику по плате фильма с разрешением 10 мкм. Детали конструкции прибора приведены в приложенной ссылкой 11 и канал геометрии показано на рисунке 1. Слои должны включать меток выравнивания, чтобы помочь располагать функции от каждого изготовления слоя 12.
  2. Поместите предварительно очищены 3-дюймовый диаметр кремниевой пластины на спин нанесения покрытий и включите вакуум, чтобы прикрепить его к патрона. Применение по 1 мл SU8-3035 в центре пластины и спина в течение 20 сек при 500 оборотах в минуту, то 30 сек при 2000 оборотов в минуту, обеспечивая толщину слоя 50 мкм.
  3. Удалить пластины и выпекать на 135 ° C плитке в течение 30 мин. Разрешить пластина для охлаждения до комнатной температуры, прежде чем перейти к следующему шагу.
  4. Expose покрытого пластины для 1-го слоя маски (рис 2А ) при коллимированным 190 мВт, 365 нм LED в течение 90 сек. После экспозиции, поместите пластину на 135 ° C плитке в течение 1 мин, затем охлаждают до комнатной температуры, прежде чем приступать к следующему шагу.
  5. Поместите пластину на спин нанесения покрытий и включите вакууме, чтобы прикрепить его к патрона. Применение по 1 мл SU8-2050 в центре пластины и спина в течение 20 сек при 500 оборотах в минуту, то 30 сек при 1375 оборотах в минуту, в результате чего слой, который обеспечивает дополнительную толщину 135 мкм.
  6. Снимите пластину и испечь на 135 ° C плитке в течение 30 мин, затем охлаждают до комнатной температуры, прежде чем перейти к следующему шагу.
  7. Совместите 2-й слой-маску (рис 2B) на геометрии рисунком в 1,3 и выставить пластины с покрытием в коллимированный 190 мВт, 365 нм LED в течение 3 мин. После экспозиции, поместите на 135 ° C плитке в течение 1 мин, затем охлаждают до комнатной температуры, прежде чем приступать к следующему шагу.
  8. Разработка маски путем погружения в ванну с перемешиваемой пропиленгликоля ацетате монометилового эфира в течение 30 мин. Вымойте пластинув изопропаноле и выпекать на 135 ° C плитке в течение 1 мин. Поместите разработанный мастер в 100 мм чашки Петри для PDMS литья.

2. Изготовление устройства PDMS

  1. Подготовка 10: 1 PDMS путем объединения 50 г силиконовой базе 5 г отвердителя в пластиковую чашку. Смешайте содержимое с помощью роторного инструмента, оснащенного перемешивающим палки. Дегазации смеси внутри эксикаторе в течение 30 мин, или пока все пузырьки воздуха не будут удалены.
  2. Вылейте PDMS, чтобы дать толщину 3 мм над мастером и поместить обратно в эксикаторе в течение дальнейшего дегазации. После того как все пузырьки удалены, выпекать устройство при 60 ° С в течение 2 ч.
  3. Вырезать устройство от формы с помощью скальпеля и место на чистой поверхности с узорными стороной вверх. Вырезать форму PDMS в половине с лезвием отделить Master 1 из 2 Мастер (рис 3а). На кусок, содержащей геометрию обработки 50 мкм жидкости отпечаток Учителем 1, удар жидкостного входы и выходы с 0,75 мм биопсии удар.
  4. Плазменные лечения устройства в 1 мбар O 2 плазмы в течение 60 сек в 300 Вт для очистки плазмы. Влажный поверхность без отверстий кусок PDMS с каплей дистиллированной водой, чтобы временно замедлить PDMS-PDMS склеивания и служить в качестве смазки. При просмотре через стерео микроскоп, место Мастер 1 Мастер на 2 поверхности и сдвиньте поверхностей относительно пока механический замок не будет достигнута, когда углубленные рамы и выступающие кадров в рисунке 3А партнера.
  5. Поместите устройство в 60 ° C духовку и выпекать собранном устройстве (Фиг.3В) в течение двух дней при 60 ° С для выпаривания воды и полного сцепления.

3. Подготовка реагентов

  1. Заполните 1 мл шприц с дистиллированной водой для внутренней фазы.
  2. Заполните 1 мл шприц с HFE 7500 фторированного масла с 1 мас. % Поверхностно-активного вещества поверхностно биосовместимый 13 для средней фазы.
  3. Заполните 10 мл шприц с 10 мас. % Полиэтилене (ПЭГ) в воде раствора, содержащего 1 мас. % Твин 20 и 1 мас. % Додецилсульфата натрия для непрерывной фазе.

4. Подготовка системы

  1. Поместите микрожидкостных фишку на стадии инвертированного микроскопа в сочетании с цифровой камерой, способной <100 мкс выдержках.
  2. Установите все шприцы шприцевые насосы и приложите 27 г иглы. Прикрепите ~ 30 см длины ПЭ-2 трубки на иглах и вставьте концы в соответствующий ударил отверстия в устройстве.
  3. Вставка 10 см длины ПЭ-2 в выходное отверстие устройства и другой конец шланга в контейнер сбора отходов.
  4. Премьер-устройство, выполнив шприцевые насосы на высоких скоростях скоростей (2,000 мкл / мин), пока жидкость в сегментах труб достигает впускные отверстия устройства.

5. Эмульсия поколения

  1. Фокус микроскопа от региона, который содержит 50 мкм х 50 мкм отверстием иниже выхода канала.
  2. Установить шприцевые насосы, чтобы доставить жидкость в генератор двойной эмульсии при расходе 250 мкл / ч в течение внутренней фазы, 100 мкл / ч в течение средней фазы и 700 мкл / ч в течение непрерывной фазе и ждать 10 минут для уравновешивания.
  3. Поддержание скорости потоков внутренней и средней фазы при 250 мкл / ч и 100 мкл / ч, соответственно. Установите скорость потока внешней фазе при 1050 мкл / ч. Подождите 3-5 минут для генерации дважды эмульсии для стабилизации при этом наборе условий потока.
  4. Приобретать 5 сек видеоизображений при 30 Гц для автономной обработки через ручной анализ изображения.
  5. Повторите 5.3 и 5.4 с расходом, приведенным в таблице 1. Внутренний и средний расход фазовые остаются неизменными, а скорость потока фазы несущей изменяется путем изменения настройки в шприцевой насос.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Генератор двойной эмульсии состоит из коаксиального потока фокусировки устройства, созданного с помощью 3D PDMS изготовления (Рис. 1А) Геометрия позволяет, что формирование трехфазного коаксиального струи в быть стриженой в квадрат, 50 мкм х 50 мкм отверстие, что позволяет формирование вода / масло / вода двойного эмульсий (рис 1B, 1C Рисунок). Внутренний водную фазу и фазу со средним масла объединяются в соединении с размерами канала 10...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Двойной геометрия эмульсии генерирующая описано здесь предназначен для имитации физики стекло капиллярных устройств 8. В них, стеклянные капилляры выровнены цилиндрические используются для создания трехфазного коаксиального струи, что сдвигается на одинаковые капель двойной эмульсии. Функция нашего устройства 3D PDMS зависит от центральной выравнивания небольших функций, образованных с 50 мкм высотой изготовления с измерениями фазы несущей каналов, которые 320 мкм общей высоты. Существует значительный потенци...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа была поддержана премии исследований в Калифорнийском институте количественных биологических наук (QB3), в преодолении разрыва премии от Rogers Family Foundation, программы Фонда UCSF / Сандлер для прорыва биомедицинских исследований, грант от компании BASF, и NSF через Факультет раннего развития карьеры (Карьера) Программа (DBI-1253293).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
ФотошаблоныCadArt Servcies
3" силиконовые пластины, тип P, первичный тестовый классUniversity Wafers447
SU-8 3035MicrochemY311074
SU-8 2050MicrochemY111072
Sylgard 184 набор силиконовых эластомеровKrayden4019862
1 мл шприцыBD
шприцы 10 млBD309604
27 игл ГогеBD305109
PE 2 полиэтиленовые трубкиScientific Commodities, Inc.B31695-PE/2
Novec 7500Fisher Scientific98-0212-2928-5Широко известен как HFE 7500
Биосовместимое поверхностно-активное веществоRan Biotechnologies008-FluoroSurfactant
35 000 МВт PEGSigma Aldrich1546660
Tween 20Sigma AldrichP1369
Додецилсульфат натрия Сигма ОлдричL3771
309628

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Van Der Graaf, S., Schroën, C. G. P. H., Boom, R. M. Preparation of double emulsions by membrane emulsification - A review. J. Membrane Sci. 251 (1-2), 7-15 (2005).
  2. Laugel, C., Baillet, A. P., Youenang Piemi, M., Marty, J., Ferrier, D. Oil-water-oil multiple emulsions for prolonged delivery of hydrocortisone after topical application: comparison with simple emulsions. Int. J. Pharm. 160 (1), 109-117 (1998).
  3. Kim, S. H., Kim, J. W., Cho, J. C., Weitz, D. A. Double-emulsion drops with ultra-thin shells for capsule templates. Lab Chip. 11 (18), 3162-3166 (2011).
  4. Lim, S. W., Abate, A. R. Ultrahigh-throughput sorting of microfluidic drops with flow cytometry. Lab Chip. 13 (23), 4563-4572 (2013).
  5. Bernath, K., Hai, M., Mastrobattista, E., Griffiths, A. D., Magdassi, S., Tawfik, D. S. In vitro compartmentalization by double emulsions: sorting and gene enrichment by fluorescence activated cell sorting. Anal. Biochem. 325 (1), 151-157 (2004).
  6. Seemann, R., Brinkmann, M., Pfohl, T., Herminghaus, S. Droplet based microfluidics. Rep. Prog. Phys. 75 (1), 016601(2012).
  7. Bauer, W. A. C., Fischlechner, M., Abell, C., Huck, W. T. S. Hydrophilic PDMS microchannels for high-throughput formation of oil-in-water microdroplets and water-in-oil-in-water double emulsions. Lab Chip. 10 (14), 1814-1819 (2010).
  8. Utada, A. S., Lorenceau, E., Link, D. R., Kaplan, P. D., Stone, H. A., Weitz, D. A. Monodisperse double emulsions generated from a microcapillary device. Science. 308 (5721), 537-541 (2005).
  9. Chang, F. C., Su, Y. C. Controlled double emulsification utilizing 3D PDMS microchannels. J. Micromech. Microeng. 18 (6), 065018(2008).
  10. Romanowsky, M. B., Abate, A. R., Rotem, A., Holtze, C., Weitz, D. A. High throughput production of single core double emulsions in a parallelized microfluidic device. Lab Chip. 12 (4), 802-807 (2012).
  11. Tran, T. M., Cater, S., Abate, A. R. Coaxial flow focusing in poly(dimethylsiloxane) microfluidic devices. Biomicrofluidics. 8 (1), 016502(2014).
  12. Lithography. , Available from: https://www.memsnet.org/mems/processes/lithography.html (2015).
  13. O'Donovan, B., Eastburn, D. J., Abate, A. R. Electrode-free picoinjection of microfluidic drops. Lab Chip. 12 (20), 4029-4032 (2012).
  14. Chang, F. C., Lin, H. H., Su, Y. C. Controlled W/O/W double emulsification in 3-D PDMS micro-channels. 3rd IEEE Int. Conf. Nano/Micro Eng. Mol. Syst. NEMS, , 792-795 (2008).
  15. Romanowsky, M. B., Abate, A. R., Rotem, A., Holtze, C., Weitz, D. A. High throughput production of single core double emulsions in a parallelized microfluidic device. Lab Chip. 12 (4), 802(2012).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи