Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

דור של פולי שבשליטת גודל (אתילן גליקול) Diacrylate טיפות דרך דו-תלת-ממדי לזרום התמקדות Microfluidic מכשירים

Published: July 3, 2018 doi: 10.3791/57198
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1,2
1Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, 2The State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Tsinghua University

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי להמחיש את תהליכי ייצור וניסויים אימות של semi-three-dimensional (למחצה 3D) מיקוד זרימת microfluidic שבב על היווצרות droplet.

Abstract

פוליפוני אחיד ואת גודל-לשליטה (אתילן גליקול) diacrylate (PEGDA) טיפות ניתן לייצרו באמצעות הזרם התמקדות בתהליך במכשיר microfluidic. הנייר הזה מציעה semi-three-dimensional (למחצה 3D) מיקוד זרימת microfluidic שבב על היווצרות droplet. השבב polydimethylsiloxane (PDMS) היה מפוברק בשיטת הדפס אבן רכה רב-שכבתית. Hexadecane המכיל חומרים פעילי שטח שימש שלב רציף, PEGDA עם אולטרה סגול (UV) צילום-היוזם היה השלב התפזרו. פיתחה אפשרה את מתח הפנים המקומי להטיל ויצרו טיפ יותר cusped אשר קידם פורצים מיקרו-טיפות קטנות. כמו הלחץ של שלב התפזרו היה קבוע, בגודל של טיפות נהיה קטן יותר עם הגדלת לחץ מתמשך שלב לפני שלב התפזרו זרימה היה נשבר. כתוצאה מכך, טיפות עם וריאציה גודל מ מיקרומטר 1 מיקרומטר 80 קוטר ניתן להשיג באופן סלקטיבי על-ידי שינוי היחס לחץ בשני ערוצים כניסת, המקדם הממוצע של וריאציה נאמדת מתחת ל 7%. יתר על כן, טיפות יכול להפוך מיקרו-חרוזים על-ידי חשיפה UV עבור צילום-הפילמור. Conjugating מולקולות על פני מיקרו-חרוזים כאלה יש הרבה שימושים פוטנציאליים בתחומי ביולוגיה וכימיה.

Introduction

מערכות מבוססות-droplet microfluidic יש את היכולת לייצר מאוד monodisperse טיפות של ננומטר מיקרומטר קוטר טווח1 והחזק פוטנציאל גדול תפוקה גבוהה סמים גילוי2, סינתזה של מולקולות3 ,4ו-5בדיקות האבחון. בשל היתרונות הייחודיים של טיפות קטנות יותר, כגון פני השטח גדול יותר יחס נפח ויישומים בקנה מידה גדול עם צריכת microliters כמה מדגם, הטכנולוגיה משכה עניין נרחב במגוון רחב של תחומים. תחליב של שני נוזלים immiscible היא אחת השיטות האופייניות ביותר ליצירת droplet. בדוחות קודמים בתחום, חוקרים פיתחו מגוון רחב של גיאומטריות היווצרות droplet שונים, לרבות צומת t, מיקוד זרימה וזורמת משותפת גיאומטריות. ב גאומטריה צומת t, השלב התפזרו מועבר דרך ערוץ בניצב לתוך הערוץ הראשי, שבו זורם השלב רציף6,7. בגיאומטריה טיפוסי דו-ממדית (2D) מיקוד זרימה8,9 , הזרם מפוזר שלב זה לכסנתם מן הכביש הצדדי; והניח שיתוף זורם הגיאומטריה10,11, מצד שני, נים היכרות עם הזרם מפוזר שלב הוא co-axially בפנים נימי גדול עבור שותף זורם גאומטריה, כך הזרם מפוזר שלב זה לכסנתם מן לכל הכיוונים.

גודל droplet נקבע על-ידי התאמת יחס גודל ערוץ קצב זרימה, הגודל המינימלי המיוצר על ידי שותף זורם או צומת t הוא מוגבל לעשרות מיקרומטר. התמקדות-זרימה droplet היווצרות מערכת, שלושה מצבים של הפרידה droplet טופס על-ידי התאמת היחס הלחץ של שני שלבים ריכוז חומרים פעילי שטח, כולל טפטוף המשטר, המשטר לטוס ו זרימה-טיפ15. עצה-הזרמת מצב זה נקרא גם היווצרות פתיל, ואת המראה של דקה החוט ב"משיכת מהקצה של שלב התפזרו זרימה חרוט יתקיימו. מחקרים קודמים הדגימו טיפות פחות מ מיקרומטר כמה יכולים להיווצר על פי עצה-הזרמת תהליך ב- 2D או למחצה 3D מיקוד זרימה התקן8,12. עם זאת, כמו פתרון מימית המכילה ריכוז נמוך מאוד של PEGDA שימש את שלב התפזרו, היחס הצטמקות של חלקיקים PEGDA היה כ- 60% טיפות המקורי בקוטר לאחר צילום-פלמור, בעוד PEGDA ללא דילול כמו שלב התפזרו הובילו לא יציב הזרמת מידע מצב12. מתח פנים הוא פרמטר חשוב מתהליך אמולסיה, זה יקטן בשל התוספת של חומרים פעילי שטח לתוך הנוזל שלב רציפה, המוביל לירידה בגודל אגל, תדירות גבוהה יותר הדור13, עצה מאוד מעוקל, ו מניעת חוסר יציבות14. יתר על כן, כאשר ריכוז חומרים פעילי שטח בכמות גדולה הרבה יותר ריכוז קריטי מיצלה גבוה, מתח פנים כ מחזוריים במצב רוויה13 , מצב הזרמת עצה יכול להתרחש15.

מבוסס על תצפיות לעיל, בנייר זה, פיתחנו בגישה נתיישב לדור טיפות PEGDA באמצעות למחצה 3D מיקוד זרימה microfluidic, מכשיר מפוברק על ידי שיטת הדפס אבן רכה רב-שכבתית. שונה מהתקן טיפוסי 2D מיקוד זרימה, המכשיר תוך התמקדות זרימה למחצה 3D יש ערוץ רדוד שלב התפזרו ערוץ עמוק מתמשך שלב, כך השלב מפוזר יכול הטייה למעלה ולמטה לצד לרוחב. זה מספק מגוון גדול יותר התאמת מצב זרימה-התמקדות על-ידי הפחתת האנרגיה ואת הלחץ הדרוש פרידה droplet. שונה מן הדוח הקודם12, השלב התפזרו הוא מוודא כי היחס הצטמקות של חלקיקים PEGDA הוא נמוך מ 10%16; צילום PEGDAcontaining טהור-יוזם, השלב הרציף הוא התערובת של hexadecane המסת עם ריכוז גבוהות בתפזורת בסיס סיליקון nonionic חומרים פעילי שטח. גודל-לשליטה ואחידה טיפות יוצרו על-ידי התאמת היחס הלחץ של שני שלבים. הקוטר של טיפות משתנה מיקרומטר 80 1 מיקרומטר כמו הפרידה droplet תהליכי שינויים ממצב jetting למצב הזרמת עצה. בנוסף, החלקיק PEGDA סונתז בתהליך הפילמור צילום תחת חשיפה UV. מערכת microfluidic הדור droplet בקלות של ייצור תספק יותר אפשרויות עבור יישומים ביולוגיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. עובש ייצור

  1. עיצוב photomasks שני באמצעות תוכנת הציור. לתאר את קווי המתאר של המבנה microchannel להשתמש בשתי שכבות נפרדות עבור מסכת 1 ו- 2 באותו קובץ הציור, אז להבטיח כל החיבורים בין ערוצים שונים. הדפס שכבות שונות באופן עצמאי כדי כרום צלחת על הזכוכית על ידי ספק עם רזולוציה 1 מיקרומטר. ודא photomasks כהה עם מבנים מעוצב שקוף, כמו קוטביות שלילית.
    הערה: המסכה 1 מכיל את הערוץ כניסת מפוזר שלב דרך פתח בגוף. המסכה 2 כוללת את הערוץ כניסת פאזה רציפה, המסנן לשקע.
  2. במעבדה פוטוליתוגרפיה המיועד, לנקות רקיק סיליקון בקוטר 3 אינץ. למקם את לחם הקודש על coater ספין, את הריב להצמיד כשהפחד לצ'אק הספין. ספין-קואט 2-3 מ של סו-8 2025 photoresist שלילי על גבי כשהפחד 10 s ב 1,000 סל ד, אז 30 s ב-3000 סל ד, המספקת את עובי השכבה הראשונה של 20 מיקרומטר.
  3. אופים רך על פלטה 95 מעלות צלזיוס במשך 6 דקות. לאחר וופל מצופה מתקרר לטמפרטורת החדר (RT), לחשוף אותם דרך המסכה 1 תחת מקבילות 15 mW/cm2, 365 nm של UV על ס' 18 לאחר חשיפה, לאפות על גזייה 95 מעלות צלזיוס במשך 6 דקות, ולאחר מכן לאפשר כשהפחד להצטנן עד RT.
  4. חזור על תהליך ציפוי ספין. החל מ ל 2-3 של 2100 SU-8 photoresist שלילי על גבי כשהפחד 10 s ב 1,000 סל ד, אז 30 s ב 2000 סל ד, המספקת את עובי השכבה השנייה של מיקרומטר 130. לאחר האפייה רך על גזייה 95 מעלות צלזיוס במשך 35 דקות, מניחים את המסכה 2 photoresist השכבה השנייה לחשוף ב-30 s, אשר היה מיושר עם השכבה ערוץ שלב התפזרו על ידי aligner UV. לאחר חשיפה, אופים על פלטה 95 מעלות צלזיוס במשך 7 דקות.
  5. לפתח את לחם הקודש על ידי הטבעית בתוך אמבט מנוער של 50 מ של פרופילן גליקול מתיל אתר אצטט עד תכונות ברור על כשהפחד ולאחר מכן לשטוף אותו עם אתיל אלכוהול. לבסוף, במקום את לחם הקודש על פלטפורמת תרמוסטטי לאפיית קשה כבר שעתיים.

2. למחצה 3D מיקוד זרימת Microfluidic שבב פבריקציה נוספת

  1. PDMS מיקס מונומר והסוכן ריפוי שלה על יחס משקל שונה במקצת העליון ואת הרבדים התחתון, בדרך כלל 10:1 על השכבה העליונה, ו- 8:1 השכבה התחתונה, באמצעות משחה אוטומטי מסית במשך 4 דקות.
    הערה: הלוחות PDMS העליון והתחתון מוכנים על יחס שונה במקצת (10:1 ל- 8:1 בהתאמה) של בסיס PDMS לסוכן ריפוי, שיפור החוזק מליטה. כאשר 5:1 יחס נבחר לשכבה התחתונה, המתים במצב של PDMS התחתון מקשה יישור והקטנת מליטה כוח בשל חוסר גמישות. בנוסף, העובי של לוח PDMS התחתון הוא בערך 1 מ בהתאמת המרחק עבודה של מיקרוסקופ. השבב מתעוות בקלות תחת לחץ גבוה כאשר 15:1 יחס נבחר.
  2. שופכים את התערובת לתבנית סיליקון שהושלמו בצלוחית 90-מ מ ולספק עובי של 2 ~ 3 מ"מ. למקם אותו בתוך תא ואקום, דגה עד נעלמים כל בועות האוויר. לרפא ב 80 ° C לשעה בתנור.
  3. אפשר את PDMS להתקרר לשימוש RT. אזמל כדי לחתוך את המכשיר לפחות 3 מ מ מן התכונות, לאט קילוף השכבה PDMS מ כשהפחד סיליקון. פונץ ' לים מפוזר שלב, את כניסת פאזה רציפה ולשקע בשכבה העליונה PDMS באמצעות אגרוף 0.75 מ מ קוטר.
  4. לנקות את PDMS עם דבק כדי להסיר חלקיקי אבק. פלזמה להתייחס שכבות PDMS החלק העליון והחלק התחתון בו זמנית למשך 2 דקות בפלזמה W 300 מנקה. מניחים את השכבה העליונה על פני השכבה התחתונה והחלק את המשטחים יחסית עד תכונות מיושרים במלונות דרך מיקרוסקופ סטריאו.
  5. לרפא את המכשיר בתוך תנור ב 120 מעלות צלזיוס למשך יום אחד לשפר את הכוח להשלים מליטה.

3. ריאגנטים הכנה

  1. להכין את הפתרון של שלב רציף: Hexadecane על ידי המסת 18 vol % מבוססי סיליקון nonionic חומרים פעילי שטח.
  2. להכין את הפתרון של שלב מפוזרת: פוליפוני הידרופיליות (אתילן גליקול) diacrylate (PEGDA, MW 255,) המכילים 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (98%, MW 224)-ריכוז של 5 מ"ג/מ"ל צילום-יוזם, ו- rhodamine B ( 95%, MW 479.01)-ריכוז של 1 mmol/L כמו צבעי פלורסנט.
  3. למלא את המאגרים 1 מ"ל של בקר לחץ פנאומטי עם השלב רציפה. למלא את הטיפ 200 µL ג'ל טעינה עם השלב התפזרו.

4. הכנת המערכת

  1. מניחים את המכשיר microfluidic למחצה 3D על השלב של מיקרוסקופ אופטי הפוכה, במלונות עם מצלמה במהירות גבוהה.
  2. להתחבר fluorinated אתילן פרופילן (FEP) הצינור חורים מנוקבים של שלב רציף על-ידי הצמדת שפופרת מפלדת קצר, ולאחר מכן הכנס סוף טיפ הטעינה ג'ל לתוך החור מנוקב של שלב התפזרו. הכנס באורך 20 ס מ של שפופרת FEP לשקע את ההתקן ולמקם את הקצה שפופרת צנטרפוגה 15-mL.
    הערה: התצורה של המערכת מודגם באיור1.

5. טיפות היווצרות

  1. להניח את המכשיר על עבודה, שעליו מונחים של מיקרוסקופ הפוכה ולהבטיח כי הצומת בין ערוצים שונים ממוקם בערך במצב של מקור האור של המיקרוסקופ. פוקוס המיקרוסקופ הפוכה על אזור הכולל שני-שלבים לצומת, האזור דיזה במורד הערוץ.
  2. הגדר לחצים לשני שלבים באמצעות לחץ פנאומטי בקר לספק נוזלים באיטיות לאזור מצטלבים, עם 15 mbar לשלב התפזרו, mbar 30 בשלב רציף. המתן 3 דקות מייצב, equilibration עד זרימה יציבה נושאת אין בועות ושיירי PDMS.
  3. קלט את הפרמטרים על ממשק המשתמש של התוכנה שליטה. להגדיר את הלחץ של שלב התפזרו ככל שהלחץ ברמת הבסיס של המערכת כדי קבוע, לדוגמה, לשמור עליו-45 mbar. להגביר את הלחץ של פאזה רציפה עד מצב הפרידה אמולסיה השתנה מ לטוס למצב הזרמת עצה ולאחר מכן המתן 5 דקות לייצוב.
  4. מניחים בקצה צינור FEP החור עודפים מתחבר צינור צנטריפוגה כדי לאסוף את טיפות.

6. PEGDA חלקיקים אוסף ואפיון

  1. לתקן את הצינור צנטריפוגה aslant הנורה. להשיג את החלקיקים PEGDA דרך התמצקות מהירה על ידי חשיפה UV כאשר שלב נוזלי זורמים אל הצינור.
  2. לאחר סיום תהליך איסוף, לטעום ולבחון את החלקיקים PEGDA מבעד למיקרוסקופ פלורסנט עם 20 X או אובייקטים X 60 בהתאמה.
    הערה. שהתמונות הדיגיטליות פלורסנט שנתפסו על ידי המצלמה מנותחים על-ידי שיגרה תוכנות מחשב. התמונה היא deconvolution הראשון מבוסס על אלגוריתם R-L17 לחסל את השפעת blurring החוצה-של-התמקדות אור, ואת הספרה האובייקטים בתמונה מופקים המבוסס על שיטת זיהוי קצה מורכב; לבסוף, הקוטר של כל אובייקט כדור ניתן לחשב באמצעות טרנספורמציה האף18. כתוצאה מכך, וסטיית של הקוטר של ספירת אובייקטים ב כל תמונה יכול להיות מוערך.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

השבב למחצה 3D מיקוד זרימת microfluidic היה מפוברק באמצעות טכניקות הדפס אבן רכה שכבתיים כמתואר לעיל. תהליך ייצור ואת תוצאות עובש מאסטר ב- protocolare באיור 2. השכבה הראשונה, אשר מספק ערוץ רחב מיקרומטר 65 היכרות עם השלב מפוזרת ולא של 50 מיקרומטר רחב דיזה (איור 2), הוא 20 מיקרומטר עובי. שכבת עובי תוספת מיקרומטר 130 משמש כדי לספק את הערוץ פאזה רציפה וערוץ יציאה (איור 2b). איור 2 ג מציג תבנית המוגמר. הוחל מסנן הים נועד למנוע פסולת של החורים אגרוף את PDMS מלהיכנס. הדבר נעשה על מנת להתגבר על סתימת ב כגדולים (איור 2d).

לאחר בדיית התבניות מאסטר, תהליך הליהוק של תוצאות באופן פרטי בפרוטוקול מוצגים באיור3. החצי העליון והתחתון -חתיכות במבנים משוקף מוכנות תוך שימוש PDMS. באמצעות אגרוף 0.75 מ מ לקדוח חורים כניסת ולשקע לתוך השכבה העליונה של PDMS. לאחר טיפול פלזמה חמצן בעת ובעונה אחת, התכונות של העליון והלוחות PDMS התחתון מיושרים עם פחות שגיאות יישור אשר אינה משפיעה באופן משמעותי את ביצועי המכשיר. האורך של המכשיר כל למחצה 3D הוא כ 5 ס מ. ניסינו את האסימונים ארוך 10 ס מ הוספת במורד הערוץ. עם זאת, קשה יותר, גדול יותר השבב היישור לעבד עקב הגדלת אזור יישור. בנוסף, השבב קצר יותר (כגון 2.5 ס שבב ארוך השתמשנו) גם עושה תהליך יישור קשה בשל חוסר גמישות.

המכשיר למחצה 3D מיקוד זרימה microfluidic, תהליך יצירת droplet טיפוסי מומחשים באיור 4. בגלל הפרשי עומק התעלה מפוזר שלב וערוץ פאזה רציפה, הזרם מפוזר שלב צפוי להיות סחוט מכל הכיוונים על ידי זרם פאזה רציפה. כתוצאה מכך, נוזל חרוט סימטרי עצה טפסים כדי לייצר טיפות ללא הרף. גודל טיפות משתנה על ידי היחס הלחץ של זרימה שלבים התפזרו ומתמשך. לניסויים שלנו, הלחץ של מפוזר שלב (PD) נשמר קבוע כמו הלחץ ברמת הבסיס, ואת הלחץ של פאזה רציפה (PC) משתנה, להשפיע על הטיית הכוח, כך לשנות תהליכי פרידה ' droplet ' המצב jetting למצב הזרמת עצה, כמוצג באיור5. טיפות הם פני השטח למוצק על ידי חלקיקים ויוצרים צילום-הפילמור. חשיפה UV polymerizes של מונומר ב טיפות. איור 6 מציג תמונות פלורסנט של חלקיקים עם יחס לחץ שונים; ניתוח תמונות חושף את גודל רביב, אשר מותווים כפונקציה של היחס הלחץ באיור 7... על ידי השוואה עם שיטת מעגל חשמלי24, המעגל השקול fluidic מוצג הבאים איור 7. אנחנו בערך מחושב ההתנגדות הידראולי לשלושה חלקים: הערוץ מפוזר שלב הוא 1.26 X 1014הרשות הפלסטינית • s • ז-3 (R3); הסכום של דיזה, במורד הערוץ הוא 6.08 X 1012הרשות הפלסטינית • s • ז-3 (R4 + R5); הערוץ פאזה רציפה ומסנן הן 2.19 X 1012הרשות הפלסטינית • s • ז-3 (R2) 1.10 X 1012הרשות הפלסטינית • s • ז-3 (R1). קשרי הגומלין בין כל resistances הידראולי, זרימה המחירים מוצגים להלן:

Equation 1

Equation 2

Equation 3

PB הוא הלחץ של הצטלבות של שני שלבים microchannel. כאשר הלחץ של מפוזר שלב (P.D) נשמר ב 45 mbar, היחס לחץ מומר יחס קצב הזרימה המתאימה:

QC = 0.8859PC - 1.62891

QD = 2.1302 - 0.0217PC

גודל droplet מותווים כפונקציה של היחס בין קצב זרימה באיור 7 c. הדמות עולה כי היחס הלחץ הגובר (PC / P.D) מוביל לזרימה שלב פיזור כשנקודת לתוך הטיפ spindlier ואת ה-droplet יורדת. טווח גודל החלקיקים PEGDA משתנה בין 1 מיקרומטר 80 מיקרומטר עם מקדם ממוצע וריאציה (CV) מתחת ל- 7%. טיפות קטנות יותר נצפו מבעד למיקרוסקופ פלורסנט עם אובייקט X 60, אז היו רק תריסר או טיפות בתצוגה של המיקרוסקופ. בנוסף, טיפות קטנות היו בערך עשרים או שלושים בפיקסלים לרדיוס. . זה היה קשה לאפיין את המקדמים של השונות של טיפות קטנות יותר, הבסיס קטן יוביל חישוב לא מדויק, אז קורות החיים של אלה טיפות קטנות היו מסומנות.

Figure 1
איור 1 : התצורה של מערכת הניסוי אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: מאטר קרקע רב שכבתית הדפס אבן רכה. (א) את המסכה 1 משמש היווצרות תכונות 20 מיקרומטר. הבסיס מכיל את הערוץ מפוזר שלב דרך פתח בגוף. (ב') המסכה 2 משמש היווצרות תכונות מיקרומטר 130. הבסיס מכיל את הערוץ פאזה רציפה וערוץ יציאה. מאסטר מונוליטי (c) . (ד) ציור CAD, SEM של המסנן, הממוקם ב לים כדי למנוע סתימת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: השלכת, מליטה תהליכים עבור השבב microfluidic PDMS. (א) תרשים סכמטי של ההרכבה של המכשיר PDMS למחצה 3D. (b) מבנים של PDMS סלאב תחת התקן מונוליטי microfluidic(ג) ב- SEM. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: המחשה עובד עקרון המערכות למחצה 3D מיקוד זרימה microfluidic. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5 : המחשה המגים זריחה של תהליכים שונים של הפרידה droplet. (-ד) מצב jetting ו- (e-f) מצב זרימה-טיפ. PC הוא הלחץ של פאזה רציפה, PD הוא הלחץ של שלב התפזרו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6 . PEGDA חלקיקים תחת לחץ שונים יחס. קרינה פלואורסצנטית תמונות של חלקיקים בגדלים שונים, חלקיקים תחת (-b) מיקרוסקופ אופטי ו- (c-d) קונאפוקלית לייזר מיקרוסקופ סריקה. PC הוא הלחץ של פאזה רציפה, PD הוא הלחץ של שלב התפזרו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 7
איור 7 . גודל droplet. (א) המתאימה גדלים על בסיס היחס לחץ. ריבוע שחור מייצגת התפלגות גודל ' droplet ', כתב עילי המספרים המקדם המקביל של וריאציה. טיפות קטנות שקשה לאפיין את המקדמים של השונות של טיפות קטנות יותר, אז קורות חיים אלה טיפות קטנות היו מסומנות. (b) איור של מעגל fluidic. (ג) היחס בין יחס קצב זרימה וגודל droplet. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הדור של טיפות במצב מיקוד זרימה באמצעות 2D ולמחצה 3D microfluidic התקן קודם לכן פותחה ב מגוון רחב של דוחות8,9,15,19,20, 21. במערכות אלו, הנוזל מימית לא יכול להיות פני השטח למוצק נבחר שלב התפזרו, כגון מים יונים8,15,20,21, של תמיסה מימית של נתרן הידרוקסיד19 ואת היווצרות מצב יציב הזרמת טיפ צריך התמיכה של מתח גבוה שדה חשמלי8,21. בנוסף, מערכת היווצרות droplet מיקוד זרימה מסוג דומה של מים זכים, עם תמיסה מימית ריכוז נמוך של PEGDA12, אשר יציב יותר האחד של שימוש PEGDA ללא דילול כמו השלב התפזרו.

במערכת שלנו למחצה 3D מיקוד זרימת microfluidic ללא שדה חשמלי מתח גבוה, פתרון PEGDA מדולל שימש הנוזל שלב התפזרו, הגדלת הקושי לתהליך הפרידה של טופס droplet יציב. מצאנו כי מצב זרימה-טיפ היה יציב יותר על ידי הגדלת ריכוז חומרים פעילי שטח; בנוסף, הגדלת ריכוז חומרים פעילי שטח ירד המתח השטח המקומי ויצרו טיפ יותר cusped, המוביל אל הירידה גודל ' droplet '. כתוצאה מכך, ניתן לקבל טיפות (1 מיקרומטר מיקרומטר 80 קוטר) גודל-לשליטה על-ידי התאמת רק היחס לחץ, תוך הקלה של ייצור ואופן הפארמצבטית גבוהה.

עם זאת, יש מגבלה גדולה למערכת שלנו למחצה 3D מיקוד זרימה microfluidic. PDMS הוא סוג של חומר גמיש כך מצב זרימה-התמקדות יהפוך יציבה תחת לחץ גבוה עקב דפורמציה של microchannel. בנוסף, למרות נמסר ש-hexadecane הזה יגרום PDMS נפיחות22, אנו לא מבחינים דפורמציה משמעותית בגרימת שלנו microchannel על ידי אפקט כזה. מיקרומטר 80 ו- 100 מיקרומטר ערוץ רחב עבור השלב התפזרו נבחרו, דפורמציה קלה נצפתה כאשר הלחץ גדל. אז, אנו ממליצים כי קצב הזרימה באזור דיזה הוא גבוה מדי תחת לחץ גבוה כזה, מובילים להרכב בלתי נמנע, אבל לא בגלל ההשפעה נפיחות של hexadecane. התקן שטוח לגמרי יתכופף מעט לאחר שימוש מתמשך במשך 7 שעות. זה לוקח בערך 4 שעות כדי למדוד של קבוצת נתונים מעשיים, המכשיר יש לא היה מעוות להפליא. יתר על כן, זה שווה לחקור אם תהליך הפרידה והמזרחיים באמצעות צומת t הביא מצב מיקוד זרימה לא יציבה. Y-צומת, המבנה תוך התמקדות זרימה עם זווית בין שני ערוצים שלב (כולל 15°, 45° 65°) נבחר לעשות עדין זרימה-התמקדות על מצב יציב יותר. עם זאת, אין מצב הזרמת עצה אירעה תחת התקנים אלה microfluidic, ויצרו טיפות רק גדול יותר תחת מצב לטוס. גם דווח כי הרוחב המלא של זרימה מפוזר שלב היה בערך 30 מיקרומטר תחת יחס בלחץ גבוה באמצעות Y-לצומת23. בסופו של דבר, הלחץ בסיס ברמת שהוחלו על השלב התפזרו היה נמוך במקצת, לחץ נמוך מפחית את התדירות הדור, במיוחד עבור טיפות קטנות יותר. קצב ייצור יותר צפויה לרכוש דרך מבנה paralleled בעבודתנו בעתיד.

רביב קטן גורם יחס השטח בנפח גבוה יותר, שמוביל שיעור תגובה גבוה יותר ויעילות. בביולוגיה, ה-droplet קטן ישמש עבור נוגדן ההקרנה, גילוי תרופות על ידי קישוט surficial, כימוס על-ידי הוספת מולקולות ביולוגיות, כגון ממוקד גנטי התאים ואת לעשיית חלקיקים פונקציונליים על-ידי הוספת מגנטי פלורסנט חומר. אנו מקווים כי פרוטוקולים שלנו, הנוגעים פבריקציה נוספת של למחצה 3D מיקוד זרימת PDMS התקן ויצירת רביב קטן, תתרום לימודי מתמשך ועמוקה כזו שדה, ניתן להשתמש במגוון רחב של יישומים ביולוגיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי מחקר בסיסי שנג'ן מימון (מענק מס ' JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665, JCYJ20160317152359560). המחברים רוצה להודות פרופסור י' חן שנג'ן מכונים מתקדמים הטכנולוגי, האקדמיה הסינית למדעים לתומכים.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silicon wafer Huashi Co., Ltd
SU-8 2025, 2100 Microchem Co. Y111069
SU-8 developer Microchem Co. Y020100
Chromium mask Qingyi Precision Mask Making Co., Ltd
polydimethylsiloxane(PDMS) Dow Corning Sylgard 184
poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) Sigma 26570-48-9
2-hydroxy-40-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone TCI H1361-5G photoinitiator
Hexadecane Sigma 544-76- 3
ABIL EM 90 CHT 144243-53-8 surfactants
Rhodamine B Aladdin 81-88-9 fluorescent dye
Spin Coater
Lithography machine
Automatic ointment agitator Thinky ARV-310
Oven BluePard
Optical microscope OLYMPUS IX71
High-speed camera Hamamatsu, Japan ORCA-flash
MAESFLO Microfluidic Fluid Control System FLUIGENT MFCS-EZ
UV lamp FUTANSI 365 nm UV light, 8000 MW/CM2

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab on a chip. 8, 198-220 (2008).
  2. Xiao, Q., et al. Novel multifunctional NaYF4:Er3+,Yb3+/PEGDA hybrid microspheres: NIR-light-activated photopolymerization and drug delivery. Chemical communications. 49, 1527-1529 (2013).
  3. Pan, M., Kim, M., Blauch, L., Tang, S. K. Y. Surface-functionalizable amphiphilic nanoparticles for pickering emulsions with designer fluid-fluid interfaces. RSC Adv. 6, 39926-39932 (2016).
  4. Zhang, L., et al. Microfluidic synthesis of rigid nanovesicles for hydrophilic reagents delivery. Angewandte Chemie. 54, 3952-3956 (2015).
  5. Shembekar, N., Chaipan, C., Utharala, R., Merten, C. A. Droplet-based microfluidics in drug discovery, transcriptomics and high-throughput molecular genetics. Lab on a chip. 16, 1314-1331 (2016).
  6. Soh, G. Y., Yeoh, G. H., Timchenko, V. Numerical investigation on the velocity fields during droplet formation in a microfluidic T-junction. Chemical Engineering Science. 139, 99-108 (2016).
  7. Chiarello, E., Derzsi, L., Pierno, M., Mistura, G., Piccin, E. Generation of Oil Droplets in a Non-Newtonian Liquid Using a Microfluidic T-Junction. Micromachines. 6, 1825-1835 (2015).
  8. Moyle, T. M., Walker, L. M., Anna, S. L. Controlling thread formation during tipstreaming through an active feedback control loop. Lab on a chip. 13, 4534-4541 (2013).
  9. Moon, B. U., Abbasi, N., Jones, S. G., Hwang, D. K., Tsai, S. S. Water-in-Water Droplets by Passive Microfluidic Flow Focusing. Analytical chemistry. 88, 3982-3989 (2016).
  10. Zhu, P., Tang, X., Wang, L. Droplet generation in co-flow microfluidic channels with vibration. Microfluidics and Nanofluidics. , 20 (2016).
  11. Kim, S. H., Kim, B. Controlled formation of double-emulsion drops in sudden expansion channels. Journal of colloid and interface science. 415, 26-31 (2014).
  12. Jeong, W. C., et al. Controlled generation of submicron emulsion droplets via highly stable tip-streaming mode in microfluidic devices. Lab on a chip. 12, 1446-1453 (2012).
  13. Peng, L., Yang, M., Guo, S. S., Liu, W., Zhao, X. Z. The effect of interfacial tension on droplet formation in flow-focusing microfluidic device. Biomedical microdevices. 13, 559-564 (2011).
  14. Nunes, J. K., Tsai, S. S., Wan, J., Stone, H. A. Dripping and jetting in microfluidic multiphase flows applied to particle and fiber synthesis. J Phys D Appl Phys. , 46 (2013).
  15. Anna, S. L., Mayer, H. C. Microscale tipstreaming in a microfluidic flow focusing device. Physics of Fluids. 18, 121512 (2006).
  16. Liu, H., et al. Microfluidic synthesis of QD-encoded PEGDA microspheres for suspension assay. J. Mater. Chem. B. 4, 482-488 (2016).
  17. Richardson, W. H. Bayesian-based iterative method of image restoration. Journal of the Optical Society of America. 62, 55-59 (1972).
  18. Mukhopadhyay, P., Chaudhuri, B. B. A survey of Hough Transform. Pattern Recognition. 48, 993-1010 (2015).
  19. Ward, T., Faivre, M., Stone, H. A. Drop production and tip-streaming phenomenon in a microfluidic flow-focusing device via an interfacial chemical reaction. Langmuir: the ACS journal of surfaces and colloids. 26, 9233-9239 (2010).
  20. Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using "flow focusing" in microchannels. Applied Physics Letters. 82, 364 (2003).
  21. Kim, H., et al. Controlled production of emulsion drops using an electric field in a flow-focusing microfluidic device. Applied Physics Letters. 91, 133106 (2007).
  22. Dangla, R., Gallaire, F., Baroud, C. N. Microchannel deformations due to solvent-induced PDMS swelling. Lab on a chip. 10, 2972-2978 (2010).
  23. Chiu, Y. J., et al. Universally applicable three-dimensional hydrodynamic microfluidic flow focusing. Lab on a chip. 13, 1803-1809 (2013).
  24. Oh, K. W., Lee, K., Ahn, B., Furlani, E. P. Design of pressure-driven microfluidic networks using electric circuit analogy. Lab on a chip. 12, 515-545 (2012).

Tags

הנדסה גיליון 137 למחצה 3D microfluidic בהתקן הדפס אבן רכה זרימה התמקדות חלקיקי PEGDA זרימה דו-שלבית
דור של פולי שבשליטת גודל (אתילן גליקול) Diacrylate טיפות <em>דרך </em>דו-תלת-ממדי לזרום התמקדות Microfluidic מכשירים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wu, Y., Qian, X., Mi, S., Zhang, M., … More

Wu, Y., Qian, X., Mi, S., Zhang, M., Sun, S., Wang, X. Generation of Size-controlled Poly (ethylene Glycol) Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices. J. Vis. Exp. (137), e57198, doi:10.3791/57198 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter