Protocol
포토 리소그래피를 통해 유체 역학을 중심으로 미세 유체 장치 (HFMD)에 대한 마스터 금형 1. 제작
- 제조 업체의 프로토콜에 따라 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 소프트웨어를 사용하여 HFMD (그림 1a)에 대한 포토 마스크를 디자인합니다.
- 웨이퍼로부터 유기 및 무기 먼지를 제거 아세톤, 이소 프로필 알코올 (IPA), 및 탈 (DI) 물 (4 ')의 실리콘 웨이퍼를 씻어.
- 웨이퍼와 SU-8의 접합 강도를 증가시키기 위해 5 분 동안 전력 100 W로 O 2 플라즈마로 실리콘 웨이퍼를 청소한다.
- 스핀 코트 네가티브 포토 레지스트 4 ㎖, SU-8 2150, 웨이퍼 상에 30 초간 3000 rpm에서 150 μm의 (도 1b에 B1)의 막 두께를 달성한다.
- 65 ° C에서 5 분 동안 열판에 SU-8 코팅 된 웨이퍼를 놓고 95 ° C까지 온도를 설정하고 부드러운 빵을 30 분 동안 열판에 웨이퍼를 둡니다.
- 배치웨이퍼 위에 포토 마스크를 설계하고 마스크 얼 라이너에 자외선 (260 엠제이 cm -2, 10 mW의 형상 관리 -2 26 초)에 노출 (그림에서 B2 1B).
- 핫 플레이트 (5 분 65 ° C 한 후 95 ° C 12 분)에 베이킹 후 노출을 수행합니다.
- 10 분간 SU-8 현상액 욕에 침지하여 웨이퍼를 개발하고 깨끗한 표면을 얻기 위하여 5 초 동안 새로운 현상에 옮긴다.
- DI 물에 20 초 동안 웨이퍼를 씻어 N 2 가스로 10 초 동안 그것을 건조 (그림에서 B3 1B). 제 2 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 주조 마스터 몰드로 제작 된 웨이퍼를 사용합니다.
PDMS 주조를 통해 HFMD 2. 제작
- PDMS 주조 마스터 주형으로서 제 1에서 얻은 패턴 웨이퍼를 사용한다.
- PDMS 예비 중합체 10의 중량 비율로 균일 경화제 믹스 : 1; 예를 들어, PDMS 사전 polym 10g을위한 경화제의 1g을 사용하여어.
- 마스터 주형으로 PDMS를 예비 중합체를 붓고 (도 1b에 B4)를 진공 챔버에서 1 시간을 탈기.
- 3 시간 동안 65 ° C의 오븐에 PDMS 사전 폴리머와 마스터 몰드를 놓습니다.
- 날카로운 메스를 사용하여 단일 칩의 크기로 경화 된 PDMS를 잘라. 조심스럽게 손으로 마스터 몰드로부터 경화 된 PDMS 복제 벗겨.
- 반복 동일한 PDMS 복제를 얻기 위해 2.2 2.5 단계.
- 입구 펀치와 연결 관의 외경보다 약간 작은 직경을 갖는 홀 - 펀칭기를 사용하여 레플리카 중 하나에 구멍 출구.
- 코로나 treater를 사용하여 각 복제의 본딩 영역 행 플라즈마 처리를 적용한다. (34)
주의 : 오존 발생을 방지하기 위해 통풍이 잘 영역에서 코로나 treater를 사용합니다. - 에어 플라즈마 처리 영역에 메탄올 5 μl를 삭제합니다. 미세 손 manipu으로 HFMD를 제작하는 두 개의 동일한 PDMS 복제를 정렬 LATION, 그리고 (그림 1b에서 B5) 현미경을 통해 정렬을 확인합니다.
참고 : 공기 플라즈마 처리 된 PDMS 복제가 상당히 끈적하고 조작하기가 어렵다. 따라서, 메탄올 5 μL가 윤활제로서 기능하는 공기 플라즈마 처리 된 표면에 첨가된다. - (그림 1b에서 B6)이 PDMS 복제본 간의 유대를 강화하기 위해 65 ° C 하룻밤으로 설정 오븐에서 HFMD를 놓습니다. 본드 두 동일한 PDMS 복제본 HFMD의 마이크로 채널의 높이를 증가시키고 동작 중에 미세 유체 채널에 미세 방울의 막힘을 방지한다.
그림 1 : HFMD 제작 절차의 개요 HFMD에 대한 포토 마스크의 () 설계 매개 변수를 설정합니다.. HFMD에 대한 제조 과정의 (b)의 그림입니다.ftp_upload / 52813 / 52813fig1large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
NIPAAm 풍부한 3. 준비 (N 리치) 및 (N-가난한) 과포화 NIPAAm의 상 분리에 의한 페이즈 NIPAAm 가난한
- 볼텍스 믹서를 사용하여 1; 1 AW / w 비로 DI 물 NIPAAm 단량체 녹이고 예를 들어, DI 물 10ml에 NIPAAm의 10g (도 2a의 제 화상)을 녹인다.
주 : NIPAAm 단량체가 완전히 실온에서 용해되면, 용액을 혼탁 (도 2a의 제 화상)을 보인다. 이 현상은 과포화 NIPAAm 단량체의 용해도 유도 상분리 성공적 발생 제 큐이다. - 단량체 용액을 적어도 15 분 동안 실온에서 수직 자세로 안정 할 수있다. 상부상은 N 리치 상이며, 밀도 하부상은 N 부족한 위상 (도 2a의 세번째 이미지)이다. 일의 밀도전자 N-풍부하고 N-가난한 단계는 각각 0.93 ± 0.01 및 0.99 ± 0.01 g cm -3이다. (15)
- 두 단계를 분리 인터페이스가 분명해진다 때, 조심스럽게 피펫을 사용하여이 인터페이스를 방해하지 않고 N-풍부하고 N-가난한 단계에서 단량체 용액 2 ㎖의 압축을 풉니 다.
- 상기 추출 된 N-N에 풍부한 광개시제 N 4 mg의 추가, N '가교제로서 -methylenebisacrylamide (MBAAm) 및 4- (2- 히드 록시에 톡시) 페닐 4 mg의 (2- 히드 록시 -2- 프로필) 케톤, 불쌍한 단량체 솔루션은 낮은 가교제 농도의 핵심 유체 1과 2 (2 mg을 ml의-1) 샘플 (B1 및도 2b 그림에서 B2)를 제조 하였다.
- 이전 단계 3.3를 반복하고 코어 유체를 제조 추출 N - 풍부 및 N 부족한 단량체 용액의 각각에 MBAAm 80 mg의 4- (2- 히드 록시에 톡시) 페닐 (2- 히드 록시 -2- 프로필) 케톤 4 mg을 추가 도 1 및 높은 가교제 농도가 2 (40 mg을 용액 1) 시료 (B3 및 B4도URE 2B).
- (도 2b에서 B5) 피복 액을 제조 광유로 오일의 계면 활성제 10 중량 %를 녹인다.
그림 2 :. 야누스 Microhydrogel 합성 자재 준비 () 과포화 NIPAAm의 상 분리를 통해 N-풍부하고 N-가난한 단량체 솔루션의 준비. (b)는 재료 및 프로토콜에 사용 된 실험 장치의 세부 사항입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
야누스 Microhydrogels 4. 합성 HFMD를 사용하여
- 로드 핵심 유체의 2 ml의 1, 2 (B1, B2 또는 B3, B4에서 인터넷 gure 2B) 세 개의 분리 된 3 ㎖ 주사기로하고 칼집 유체 (그림 2b에 B5). 주사기 펌프에 주사기를 탑재하고 튜브 (그림을 사용하는 (B). 수집 저수지에 HFMD의 유체 출구를 연결하는 튜브를 사용하여 HFMD의 적절한 유체 입구에 각 주사기를 연결합니다.
- 각각의 주사기 펌프 세트 2, 2, 10 μL 분 -1의 유량으로 코어 (1) 및 액체 (2)와 피복 유체를 주입.
- (선택적) 조정은 코어 (1) 및 (2) 유체의 유량 야누스 microdroplet 양쪽의 상대적 음량 비율을 조정한다.
- 수직으로 1cm 정도 떨어진 수집 저장조로부터 UV 광원을 배치. UV 광원에 전환하고 시각적으로 야누스 microhydrogels의 지속적인 생산을 모니터링 할 수 있습니다.
주의 : UV 보호 - 고글 microhydrogel 생산을 모니터링. - 원뿔 튜브로 제작 된 야누스 microhydrogels를 수집하고 IPA를 사용하여 세척한다. 그런 다음, 원뿔 튜브 (5 분 780g)을 해결하기 위해 원심 분리microhydrogels.
- 반복 단계 4.6 여러번 완전 야누스 microhydrogels 주변 광유를 제거한다.
- 0.005 %의 물 계면 활성제와 단계를 반복 4.6 만 사용 DI 물 (v / v)로 대신 IPA의 야누스 microhydrogels 주위에 남은 IPA를 제거합니다.
- 10 ㎖의 유리 병 포함 DI 물에 완전히 세척 야누스 microhydrogels를 저장합니다.
야누스 Microhydrogels의 이방성 열 응답 성 5. 분석
- 24 웰 플레이트에 제 4 절에서 합성 야누스 microhydrogels을 배치 피펫을 사용합니다. 단층 웰의 바닥면에 형성 될 때까지 15 초 microhydrogels 정착 할 수있다.
- 5 배 대물 렌즈와 수직 광학 현미경을 사용하여 24 ° C에서 야누스 microhydrogel의 이미지를 얻습니다.
- 웰 플레이트에 따라 열전 모듈을 설정하고 야누스 마이크로 함유 용액의 온도를 증가시키기 위해이 모듈의 전압을 제어32 ° C에 하이드로 겔.
- 32 ℃에서 다시 한번 5 배 대물 렌즈와 수직 광학 현미경을 사용하여 야누스 microhydrogel의 이미지를 얻습니다.
- 반복 통계 분석에 대해 다른 야누스 microhydrogel을 선택 돌보는, 5.2-5.4 24 번 단계를 반복합니다.
- 24 및 32 ℃에서 여러 야누스 microhydrogels 25의 이미지에서, 제조자의 지시에 따른 이미지 분석 소프트웨어를 사용 야누스 microhydrogels의 PN-풍부한 PN 부족한 부분의 반경을 측정한다.
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Representative Results
도 3a는 HFMD 통해 야누스 microhydrogels를 합성하는 데 사용되는 실험 장치의 개략도를 나타낸다. N - 풍부 및 N 부족한 상 정확하게 코어 유체 1 및 2로 HFMD에 주입 한 후 병합 때문에 레일리 모세관 불안정 광유 시스 액에 의한 오리피스에서 야누스 미세 방울로 분해 하였다. 도 3b에 도시 된 바와 같이 결과적으로, N-N 풍부한 부족한 상 이루어지는 야누스 미세 방울 성공적으로 생성되었다. 미세 방울의 직경은 2 % 미만의 편차 (CV)의 계수가 190 ㎛,. 두 상을 안정적으로 분리되어 있기 때문에 미세 방울의 야누스 명확 구획 내부 형태를 관찰 하였다. 각각의 위상이 다른 섞이지하고 상 사이의 확산은 거의 무시할 수 있음에 유의해야한다. microdroplet 내부 N - 풍부 및 N 부족한상의 부피비 C였다도 3c에 도시 된 바와 같이, 주사기 펌프를 통해 각각의 단량체 용액의 유량을 변경함으로써 ontrolled. N - 풍부 및 N 부족한 단량체 용액에 첨가 광개시제이어서하여 각각 PN - 풍부 및 PN-가난한 N - 풍부 및 N 부족한 단계의 중합을 유도, UV 광에 대한 노출에 의해 유발 하였다.
도 3을 사용 HFMD 야누스 미세 방울의 생성 야누스 미세 방울을 발생 HFMD의 (a) 회로도.. (나) 단계 N-풍부하고 N-가난한 구성 야누스 미세 방울의 광학 현미경 사진. (다) 야누스 미세 방울은 N-풍부하고 N-가난한상의 다른 볼륨 비율로 얻은 (: 3, 1 : 1, 3 : 1). 더 큰 보려면 여기를 클릭하십시오이 그림의 버전입니다.
도 4는 야누스 microhydrogel의 PN-풍부한 PN 부족한 부분 사이 NIPAAm 단량체 농도의 차이에 의해 발생 microhydrogels의 이방성 열전 응답 거동을 나타낸다. (2) 40 mg을 용액 -1 다른 가교제 농도 야누스 microhydrogels는 얻어진 하이드로 겔의 열 응답 성 거동에 가교제 농도의 효과를 조사하기 위해 제작되었다. 도 4에 도시 된 바와 같이, 가교 결합제 농도가 증가 LCST 상하 microhydrogels의 가역적 인 부피 변화의 감소 결과.
그림 4 : 야누스 Microhydrogels의 온도 응답에 응답 야누스 microhydrogels의 이방성 볼륨 변경됩니다.온도 변화가 PN-풍부하고 PN-가난한 부분 사이의 NIPAAm 단량체 농도의 차이에 의해 유도 하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
기름에 24 ° C, 24 ° C의 물, 그리고 물에 32 ° C :도 5a는 개략도 및 환경과 온도 변화에 따라 야누스 미세 방울 / microhydrogels의 광학 현미경 사진을 보여줍니다. 도 5b에 도시 된 바와 같이, 열 응답 성을 정량화하기 위해, 야누스 미세 방울 / microhydrogels의 반경을 측정했다. 도 5b에 오차 막대는 25 야누스 microhydrogels에서 측정 된 반경의 표준 편차를 나타냅니다. 야누스 microhydrogels의 각 부분의 반경은 화상 해석 소프트웨어를 사용하여 촬영 한 화상에서 결정되었다. 단량체 액적 상태(그림 5a 및도 5b 그림에서 A1), N-풍부하고 N-가난한 단계의 반경은 거의 동일했다. 야누스 microhydrogels의 PN-풍부하고 PN 부족한 부분 사이의 반경에 약간의 차이로 인해에 비해 N-가난한 단계에서 낮은 NIPAAm 단량체 농도 (그림 5a와 그림 B에서 a2)의 중합 후 관찰되었다 N 리치 상. 야누스 microhydrogels 모두 PN-풍부하고 PN 부족한 부분은 실온에서 DI 물에 완전히 부어 있었다. 팽창 단계에서, PN 리치 부의 팽윤 PN 부족한 부분보다도 컸다; 간접으로, 눈 사람 모양의 야누스 microhydrogels는 (그림 5a와 그림 B에서 A3)을 얻었다. 흥미롭게도, 32 ° C에서 수축 후의 microhydrogels의 반경 (도 5a 및 5b 도면에서 A4) HFMD 생성 미세 방울의 반경과 유사 하였다.
그림 5 :. 이방성 열 응답 성을 가진 야누스 Microhydrogels () 도식 다이어그램과 야누스 미세 방울 / microhydrogels의 광학 현미경 사진 (스케일 바는 100 μm의입니다). (나) 환경 및 온도 변화에 응답 야누스 미세 방울 / microhydrogels의 반경 변화 : 24 ° C 물에 24 ° C, 물에 32 ° C, 기름에. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 6a는 N-풍부하고 N-가난한 단량체 솔루션의 용해 특성을 보여줍니다. 지용성 염료 (오일 레드 O와 오일 블루 N) 및 수용성 염료 (노란색과 녹색 식품 염료) 강하게 N-RIC에 용해하는 것을 선호각각 h와 N-가난한 단량체 솔루션. 이들 용해 특성에 기초하여, 상호 혼합없이 지방 - 수용성 염료를 함유 야누스 NIPAAm 단량체 미세 방울은 제안 된 프로토콜을 사용하여 생성 하였다. 도 6b에 도시 된 바와 같이, 오일 레드 O 및 녹색 식품 색소는 각각 대표 유기화 친수성 물질로서 선택 하였다. UV 중합 후 두 염료를 함유 야누스 microhydrogels 성공적도 6c에 도시 된 방법으로 합성 하였다. 이러한 결과는 야누스 microhydrogel이 유기화 / 소수성 이중 캐리어 재료로서 적용 할 수 있다는 것을 알 수있다.
그림 6 : 유기화와 야누스 Microhydrogels / 친수성로드 기능 () N-풍부하고 N-가난한 단량체 솔루션의 용해 특성.. 지방 - 수용성 염료 강하게 preferr에드는 각각 N-풍부하고 N-가난한 단량체 용액에 용해합니다. 상호 혼합없이 지방 - 수용성 염료를 함유 야누스 미세 방울의 (b) 생성. (다) 지방 - 수용성 염료를 포함하는 중합 된 야누스 microhydrogels. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
두 비혼 화성 기재는 일반적으로 야누스 microhydrogels를 합성하는데 사용된다. 최근까지, 동일한 기재로 이루어지는 야누스 microhydrogels이 드물게보고하고,보고 야누스 microhydrogels 인해 성분 물질의 혼 화성에 의한 외란에 투명한 내부 형태를 가지고 있지 않았다.이 프로토콜 35, 36, 우리는 방법을 보여 명확 실형 구조 전적으로 단일 모재 PNIPAAm 이루어지는 야누스 microhydrogels를 합성.
야누스 microhydrogels 합성에 중요한 단계로, 우리는 과포화 NIPAAm 단량체 용액의 상분리 현상을 소개했다. 상분리 현상 수집 N - 풍부 및 N-불량한 위상 솔루션은 비혼 화성이고 N-N-풍부한 불량한 위상 간의 교란은 거의 무시할 수있다. 야누스 미세 방울의 N-풍부하고 N-가난한 위상이 비 혼합은 엄마였다HFMD에 intained과 야누스 microhydrogels의 형태도 중합 후 보존되었다.
우리는 프로토콜이 시간당 10 5 야누스 microhydrogels의 속도로 단 분산 야누스 microhydrogels의 손쉬운 제조 할 수 있기 때문에 야누스 microhydrogels를 합성하는 방법으로 HFMD을 적용했다. 이 작품에서 새롭게 디자인 된 HFMD가 제대로 수백 마이크로 미터의 순서 내에서 크기와 야누스 microhydrogels 제조를 제작 하였다; HFMD의 미래 디자인은 작은 크기의 야누스 microhydrogels를 생성 할 수 있습니다.
야누스 microhydrogels의 또 다른 연구는 N-풍부하고 N-빈약 한 단계에서 다른 NIPAAm 농도에서 발생하는 두 가지 특성을 밝혔다. 첫째, 다른 NIPAAm 농도 이루어지는 야누스 microhydrogels 온도 변화에 응답하여 이방성 열 응답 거동을 나타내었다. 가교제 비율 단량체 잘 알려져있다 디레ctly 하이드로 겔의 팽윤의 정도에 영향을 NIPAAm 37 분자의 양을 N 리치 상에 N - 결핍상에서보다 일반적으로 더 높다.; 따라서, 단량체는 N 리치 상에 비 가교제의 농도는 모두 동일한 위상 사용될 때 N 부족한 위상보다 크다을 가교제. 결과적으로 야누스 하이드로 겔의 PN 풍부한 부분은 온도 변화에 응답하여 PN 부족한 부분에 비해 더 큰 부피 변화를 겪게된다. 둘째, 야누스 microhydrogels 교차없이 혼합 친수성 / 친 유성 로딩 성능을 나타냈다. 수용성 염료 N 부족한 단량체 용액에서 잘 용해하면서 지용성 염료 N 리치 모노머 용액에 잘 용해시킨다. N - 풍부 및 N 부족한 단량체 용액의 용해 콘트라스트 특성은 각 단량체 용액 NIPAAm 분자와 상호 작용 한 후에 남은 자유 물 분자의 가용성의 차이로부터 유도된다. 이 POSS 때문에N 리치 모노머 용액보다 남은 자유 물 분자의 상대적으로 높은 수를 esses, N 부족한 단량체 용액을 쉽게 수용성 염료 내의 친수성 극성 분자를 분해 할 수있다. 대조적으로, 수용성 염료는 몇없는 물 분자와 상호 작용할 수있는 N 리치 모노머 용액에 난 용성을 나타내었다. 지용성 염료와 혼합 될 때 결과적으로, N-N 풍부한 부족한 단량체 용액은 반대 결과를 보였다. 합성 야누스 microhydrogels은 상호 혼합없이 구획 내부 형태와 유기화 / 친수성 이중 재료 캐리어로 사용될 수있다.
미래의 응용 프로그램
야누스 microhydrogels의 신규 한 특징은 기능성 미립자의 개발과 다중 약물 캡슐화를 달성하기 위해 이용 될 수있다. 우리는 과포화 NIPAAm의 상 분리하고이를 근거로이 야누스 microhydrogels의 합성 프로토콜은 새로운 물질에 소개 있다고 생각다기능 야누스 microhydrogels의 고급 합성 가능성이있는 L 플랫폼.
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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 |
References
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