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Chemistry

合成聚( Published: February 27, 2016 doi: 10.3791/52813

Protocol

1.母模通过光刻水动力聚焦微流控芯片(手足口病)的制备

  1. 设计用于根据制造商的方案使用计算机辅助设计(CAD)软件的手足口病( 图1a)的光掩模。
  2. 冲洗用丙酮,异丙醇(IPA),和去离子(DI)水4'的硅晶片,从晶片去除有机和无机灰尘。
  3. 清洁带O 2等离子体的硅晶片在100瓦的功率为5分钟,以增加晶片和SU-8之间的接合强度。
  4. 旋涂将4ml负光致抗蚀剂的SU-8 2150到晶片以3000rpm进行30秒以实现厚度150μm(在图1b b1)中
  5. 放置在电炉上的SU-8涂布的晶片在65℃5分钟,设定温度至95℃,然后离开热板在晶片30分钟,软烘烤。
  6. 放置设计光掩模在晶片上,并在一个掩模对准暴露于UV光(260毫焦耳厘米-2,26秒,10毫瓦厘米-2)( B2 1b)中
  7. 执行曝光后烘烤在电炉上(65℃5分钟,然后95℃,12分钟)。
  8. 开发通过在10分钟的SU-8显影剂浴浸渍晶片,然后将其转移到新鲜的显影剂5秒,以获得清洁的表面。
  9. 冲洗晶片20秒用DI水并用N 2气干燥它为10秒(在 B3 1b)中 。使用制造晶片在第2节的主模聚二甲基硅氧烷(PDMS)铸造。

2.通过PDMS铸造加工的手足口病

  1. 使用1节作为主模铸造PDMS获得的图形晶片。
  2. 混合的PDMS预聚物和在10的重量比的固化剂均匀地:​​1;例如,使用1克固化剂为10克PDMS预POLYM的呃。
  3. 倒入PDMS预聚合物到主模和在真空室中脱气它为1小时(B4在图1b)。
  4. 母模与PDMS预聚物放入烘箱中在65℃下3小时。
  5. 切割该固化的PDMS成用锋利的解剖刀单个芯片的规模。小心剥离用手从母模的固化的PDMS复制品。
  6. 重复步骤2.2至2.5,以获得相同的PDMS复制品。
  7. 入口冲床和出口孔成使用空穴冲床具有比连接管的外径稍小直径的副本中的一个。
  8. 应用空气等离子体处理,使用一个电晕每个副本的接合面积。34
    注意使用电晕在通风良好的地方,以避免臭氧积聚。
  9. 下降5微升甲醇到空气等离子处理的区域。精细对准两个相同的PDMS副本用手manipu制造的手足口病特征研,并通过显微镜(B5 图1b)检查调整。
    注意:空气等离子体处理过的PDMS复制品是相当粘且难以操纵。因此,5微升甲醇加入到空气等离子处理的表面以用作润滑剂。
  10. 放置手足口病在设定至65℃过夜烘箱加强(B6在图1b)二PDMS复制品之间的结合。键的两个相同的PDMS复制品来增加手足口病的微通道的高度和操作过程中避免在微流体通道的微滴的堵塞。

图1
图1:手足口病的制备过程概述 (a)该光掩模为手足口病的设计参数为手足口病的制作过程( )插图。ftp_upload / 52813 / 52813fig1large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。

3.的NIPAAm丰富的制备(N-丰富)的NIPAAm和贫(N-差)由超饱和的NIPAAm相分离阶段

  1. 使用涡旋混合器1;:以1 AW / w比例溶解于DI水中的NIPAAm单体例如,溶解在10ml去离子水将10克的NIPAAm的( 图2a的第一图像)。
    注意:一旦的NIPAAm单体在室温下充分溶解,溶液出现混浊( 图2a的第二图像)。这种现象是第一个线索已经成功发生过饱和的NIPAAm单体的那溶解度诱导相分离。
  2. 允许单体溶液以在垂直位置在室温下静置至少15分钟。顶部相是富N相,和更密集底部相是N差相( 图2a的第三图像)。个的密度简丰富和N-差相分别为0.93±0.01和0.99±0.01克厘米-3。15
  3. 当分离两相界面变得清晰,轻轻取出加入2ml从富N和N-差相单体溶液通过不使用吸管扰乱这个接口。
  4. 加入4毫克N,N'甲基双丙烯酰胺(MBAAm)作为交联剂和4mg 4-(2-羟基乙氧基)苯基- (2-羟基-2-丙基)酮作为光引发剂到N-丰富和N所提取的国定贫困单体溶液以制备用于低交联剂浓度芯的液体1和2(2毫克毫升-1)样品(b1和图2b b2)中。
  5. 重复先前的步骤3.3,并添加80毫克MBAAm和4mg 4-(2-羟基乙氧基)苯基 - (2-羟基-2-丙基)酮向每个提取的N-丰富和N-差单体溶液以制备芯流体图1和2对于高交联剂浓度(40毫克毫升-1)样品(b3和 B4URE 2b)中。
  6. 溶解油表面活性剂的10%(重量)到矿物油来制备鞘液(b5在图2b)。

图2
图2:对杰纳斯Microhydrogel合成材料准备 )通过的NIPAAm过饱和相分离富N和N-差单体溶液制备方法。 ( )材料,并在协议中使用实验装置的详细信息。 请点击此处查看该图的放大版本。

使用手足口病剑锋Microhydrogels 4.合成

  1. 负载2 ml的核心的流体1和2(B1,B2或B3,B4在连接古尔2b)和所述鞘液(b5在图2b)成三个独立3毫升注射器。 装入注射器到注射器泵和用管( 图(b)中 。使用管将手足口病的流体出口连接至收集储存各注射器连接到手足口病的适当的流体入口。
  2. 设定注射器泵和在2,2,和10微升分钟-1的流速注入芯流体1和流体2和鞘液,分别。
  3. (可选的)调谐芯流体1和流体2的流速以调节的Janus微滴的每一侧的相对体积比。
  4. UV光源垂直约1cm从收集容器离开的位置。切换UV光源和视觉监控连续生产剑锋microhydrogels的。
    注意使用UV监测microhydrogel生产时保护护目镜。
  5. 收集制造剑锋microhydrogels成一个锥形管,并使用IPA清洗。然后,离心锥形管(780克5分钟),以解决microhydrogels。
  6. 重复步骤4.6几次以除去完全包围的Janus microhydrogels矿物油。
  7. 重复步骤4.6但使用去离子水为0.005%的水的表面活性剂(体积/体积)代替IPA以除去剩余的IPA周围的Janus microhydrogels。
  8. 在10ml的小瓶含去离子水储存充分洗涤剑锋microhydrogels。

5.剑锋Microhydrogels的各向异性热反应性分析

  1. 使用移液管,从第4节合成的Janus microhydrogels放入一个24孔板中。允许直到在孔的底部表面上形成的单层的microhydrogels沉降15秒。
  2. 获得使用具有5X物镜直立光学显微镜在24℃下实现Ja​​nus microhydrogel的图像。
  3. 设置孔板下的热电模块和控制该模块的电压,以增加包含的Janus微将溶液的温度水凝胶至32℃。
  4. 在32℃下再次通过使用直立光学显微镜用5X物镜获取的Janus microhydrogel的图像。
  5. 重复步骤5.2-5.4 24次,同时注意选择不同的剑锋microhydrogel进行统计分析。
  6. 从在24和32℃下不同的Janus microhydrogels的25幅图像,测量根据制造商的说明使用图像分析软件的Janus microhydrogels的富PN和PN-差部分的半径。

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Representative Results

图3a给出用于通过手足口病,合成的Janus microhydrogels实验装置的示意图。富 - N和N-差相恰恰注入手足口病为核心的流体1和2,然后合并并在由矿物油的,因为瑞利毛细不稳定性的鞘流体孔口分成的Janus微滴。因此, 如图3b中已成功生成富N和N-差相构成的Janus微滴。微滴的直径为190微米具有小于2%的变化(CV)的系数。观察到的Janus微滴的清晰条块内部形态,因为这两个阶段被稳定地分离。应当注意的是,每一个阶段是在其它不混溶的各相之间的扩散几乎可以忽略不计。一个微滴内的富 - N和N-差相的体积比为:C通过改变各单体溶液的流速通过注射器泵中, 如图3c中所示ontrolled。在富N和N-差单体溶液中加入光引发剂,然后通过暴露于UV光引发的,从而诱导富N和N-差分阶段PN-丰富和PN-差,分别的聚合。

图3
图3:使用手足口病剑锋微滴生成的手足口病的产生剑锋微滴( )示意图 )N丰富和N-差相组成的微滴剑锋光学显微照片。与富N和N-差的阶段不同的体积比(c)获得剑锋微滴(1:3,1:1,3:1)。 请点击此处查看大图版本这个数字。


图4描述了造成剑锋microhydrogel的丰富PN和PN-贫困地区之间的NIPAAm单体浓度差异microhydrogels的各向异性热水瓶响应行为。的Janus microhydrogels以2和40mg毫升-1不同交联剂浓度制成审查交联剂浓度对所得到的水凝胶的热响应行为的影响。如在图4中所示,在交联剂浓度的增加导致了在上方和下方的LCST的microhydrogels的可逆体积变化减小。

图4
图4:剑锋Microhydrogels的温度响应在剑锋microhydrogels各向异性量的变化响应温度变化是由在富PN和PN-贫困地区之间的NIPAAm单体浓度的差异引起的。 请点击此处查看该图的放大版本。


图5a示出的示意图,并且响应于环境和温度变化的Janus微滴/ microhydrogels的光学显微照片:24℃下在油中,24℃的水中和32℃的水中。量化热响应性,我们测量了的Janus微滴/ microhydrogels的半径, 如图5b所示 。在图5b中的误差棒表示所测量的半径的25的Janus microhydrogels标准偏差。实现Janus microhydrogels的各部分的半径是从利用图像分析软件的拍摄图像来确定。在单体液滴状态(在图5a图5b a1)中,富- N和N-差相的半径几乎相同。聚合(A2 图5a图二 )由于在N穷相,在比较低的NIPAAm单体浓度后观察到的剑锋microhydrogels的丰富PN和PN-贫困地区之间的半径在微小的差别的N-丰富的阶段。剑锋microhydrogels的两个丰富PN和PN-贫困地区都在去离子水中充分膨大在室温下。在溶胀步骤中,PN富部分的溶胀比的PN贫部分的更大;必然,获得雪人字形剑锋microhydrogels( 图5a图B A3)。有趣的是,microhydrogels的在32℃下收缩后的半径类似于在手足口病产生的微滴的半径(A4在图5a图5b)。


图5:用各向异性热响应剑锋Microhydrogels( )示意图和剑锋微滴/ microhydrogels的光学显微(比例尺为100微米)。 ( )在应对环境和温度变化剑锋微滴/ microhydrogels半径变化:24℃的油中,24℃的水,32℃的水。 请点击此处查看该图的放大版本。


图6a示出富- N和N-差单体溶液的溶解性质。脂溶性染料(油红O和油蓝N)和水溶性染料(黄色和绿色食品染料)强烈倾向于溶解到N RICH和N-差单体溶液,分别。基于这些溶出特征,通过使用所提出的协议生成含有脂肪 - 和水溶性染料无交叉混合的Janus的NIPAAm单体的微滴。油红O和绿色食用色素分别选作代表亲有机物质和亲水性的材料, 如图6b所示 。紫外聚合后,成功地合成了含有两种染料的Janus microhydrogels,在图6c中所示这些结果表明实现Janus microhydrogel可以为亲有机物质/亲水双物质载体得到应用。

图6
图6:有机物质的剑锋Microhydrogels /亲水荷载能力 )丰富的N和N-差单体溶液溶解性能脂肪 - 和水溶性染料强烈preferrED在富N和N-差单体溶液分别溶解。含有脂肪-和水溶性染料无交叉混合的Janus微滴(b)的生成。 (c)含脂肪-和水溶性染料聚合剑锋microhydrogels。 请点击此处查看该图的放大版本。

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Discussion

两种不混溶基材料通常用于合成的Janus microhydrogels。直到最近,由相同的基本材料制成的Janus microhydrogels很少报道和所报告的Janus microhydrogels没有一个明确的内部的形态,由于所引起的元件材料的可混溶性的紊乱。35,36在这个协议中,我们展示了一个方法合成完全在单一基体材料,PNIPAAm的组成,具有明确条块结构的Janus microhydrogels。

如以合成的Janus microhydrogels一个关键步骤中,我们介绍过饱和的NIPAAm单体溶液的相分离现象。从相分离现象的收集富N和N-相位不佳解决方案是不混溶和丰富的N和N-差相之间的干扰几乎可以忽略不计。 N型丰富和N-差相在微​​滴剑锋这混溶是马intained在手足口病和剑锋microhydrogels的形态,甚至在聚合后保存。

我们施加的手足口病,以合成的Janus microhydrogels因为该协议允许容易地生成单分散的Janus microhydrogels的每小时10 5的Janus microhydrogels的速率的方法。在这项工作中新设计的手足口病已正确制造用于与几百微米的数量级内的尺寸生产的Janus microhydrogels;手足口病未来的设计可能是能够生产更小尺寸的剑锋microhydrogels。

剑锋microhydrogels的进一步研究发现从富N和N-差不同阶段的NIPAAm浓度源于两种不同的特性。首先,不同的NIPAAm浓度构成的两面神microhydrogels响应于温度变化表现出各向异性热 - 反应行为。至交联剂比率的单体是众所周知的可怕ctly影响水凝胶的溶胀水平37的NIPAAm分子的量在富N相通常比在N-差相高得多。因此,单体与交联剂在富N相比大于在N差相较大时交联剂的相同浓度使用这两个阶段。因此,两面神水凝胶的富PN-部分经受与响应于温度变化的PN贫部相比较大的体积变化。其次,剑锋microhydrogels展出亲有机/亲水承载能力无交叉混合。脂溶性染料充分溶解在N富单体溶液中,同时该水溶性染料被充分溶解在N差单体溶液。富 - N和N-差单体溶液的对比溶出性质是从与各单体溶液的NIPAAm分子相互作用后剩下的自由水分子的可用性差而得。由于POSSS弯一个同等较高数量剩自由水分子比的N富单体溶液中,N-差单体溶液可以很容易地溶解水溶性染料中的亲水性的极性分子。与此相反,水溶性染料在富N-二单体溶液,其可只用几个自由水分子相互作用表现出溶解性差。因此,当用脂溶性染料混合富N和N-差单体溶液显示出相反的结果。合成的Janus microhydrogels可以用作与没有交叉混合条块内部形态亲有机/亲水双物质载体。

未来的应用

的Janus microhydrogels的新颖的特征可被用于开发官能微粒和实现多药物包封。我们相信,根据该过饱和的NIPAAm的相分离为这些的Janus microhydrogels合成协议引入了一个新的本草升平台与多功能剑锋microhydrogels先进合成的潜力。

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silicon wafer LG Siltron 4", Test grade Wafer for master mold fabrication
Acetone Samchun Pure Chemical A0097 Cleaning silicon wafer
Isopropyl alcohol (IPA) Daejung Chemicals & Metals 5035-4404 Cleaning silicon wafer
Water purification system Merck Millipore EMD Millipore RIOs Essential 5 Prepering  deionized water
O2 plasma machine Femto Science VITA-A Cleaning silicon wafer
SU-8 2150 negative photoresist MicroChem Y111077 0500L1GL Photoresist for master mold fabrication
Hot plate Misung Scientific HP330D, HP150D Baking SU-8
SU-8 developer Microchem Y020100 4000L1PE Developing SU-8
Mask aligner system for photolithograpy Shinu Mst Co. CA-6M Photolithography
Sylgard 184 silicone elastomer kit Dow Corning 1064891 PDMS casting
Laboratory Corona Treater Electro-technic Products Inc. Model BD-20AC PDMS air plasma treatment 
N-isopropylacrylamide (NIPAAm) Sigma-Aldrich 415324-50G Monomer
N,N'-methylenebisacrylamide (MBAAm) Sigma-Aldrich 146072-100G Crosslinker of NIPAAm
4-(2-hydroxyethoxy)phenyl-(2-hydroxy-2-propyl)ketone, Irgacure 2959 BASF 55047962 Photoinitiator of NIPAAm
ABIL EM 90 Evonik Industries 201109 Sufactant for oil
Vortex mixer Scientific Industries Inc. Vortex-Genie 2 Mixing
Tygon tubing Saint-Gobain I.D. 1/32", O.D. 3/32", Wall 1/32" Connecting tube between syringes and HFMD
UV light source Hamamatsu Spot light source LC8 Polymerization from NIPAAm to PNIPAAm
Syringes, NORM-JECT (3 ml) Henke-Sass Wolf GmbH 22767 Loading of materials
Syringe pump KD Scientific KDS model 200 Perfusion of materials
Tegitol Type NP-10 Sigma-Aldrich NP10-500ML Surfactant for water
Oil red O Sigma-Aldrich O0625-25G Dye for N-rich phase
Oil Blue N Sigma-Aldrich 391557-5G Dye for N-rich phase
Yellow food dye Edentown F&B NA Dye for N-poor phase
Green food dye Edentown F&B NA Dye for N-poor phase
Power supply Agilent E3649A Power source for thermoelectric module
Thermoelectric module Peltier FALC1-12710T125 Temparature control
Centrifuge machine Labogene 1248R Settling down microhydrogels
24-well plate SPL Life Sciences 32024 Reservoir for observation
Optical microscope Nikon ECLIPSE 80i Optical observation
Image analysis software IMT i-Solution Inc. iSolutions DT Measurement of radius

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References

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化学,第108,剑锋颗粒,水凝胶,微流体,聚(
合成聚(<em&gt;ñ</em&gt; -isopropylacrylamide)剑锋Microhydrogels各向异性热响应能力和亲有机/亲水承载能力
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