Yöntem makalesi

Bir Polidimetilsiloksan (PDMS) Koaksiyel Akış Odak Aygıtı Kullanma Çift Emülsiyon Üretimi

DOI:

10.3791/53516

⸱

25 Aralık 2015

 ,  , 
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

Bu makalede

Özet

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

Mikroakışkan çift emülsiyon üretimi tipik olarak desenli ıslanabilirliğe veya özel fabrikasyon cam bileşenlere sahip cihazları içerir. Burada, yüzey işlemi veya karmaşık imalat işlemleri gerektirmeyen ve 14 μm'ye kadar çift emülsiyon üretebilen tamamen polidimetilsiloksan (PDMS) çift emülsiyon jeneratörünün imalatını ve testini açıklıyoruz.

Özet

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

Çift emülsiyonlar, sulu bir taşıyıcı sıvıya sahip olmanın önemli olduğu bir dizi biyolojik ve endüstriyel uygulamada faydalıdır. Bu makale, tamamen yumuşak litografi kullanılarak üretilebilen bir koaksiyel akış odaklama geometrisi kullanarak su/yağ/su çift emülsiyonları üretebilen bir polidimetilsiloksan (PDMS) mikroakışkan cihazı sunmaktadır. Cam kılcal damarlar kullanan emülsiyon cihazlarına benzer şekilde, düzgün ıslanabilirliğe sahip kanallarda ve kanal boyutlarından çok daha küçük boyutlara sahip kanallarda çift emülsiyonlar oluşturulabilir. Üç boyutlu akış odaklama geometrisi, iki katmanlı yumuşak litografi kullanılarak bir çift PDMS levhasının dökülmesi ve ardından levhaların kapaklı bir konfigürasyonda birleştirilmesiyle elde edilir. PDMS plakalarına kalıplanmış tamamlayıcı kilitleme özellikleri, döşeme yüzeylerinin her birindeki özelliklerin doğru bir şekilde kaydedilmesini sağlar. Cihaz testi, kirlenme ve tıkanmaya karşı sağlam büyük kanallar kullanılırken çapı 14 μm ila 50 μm arasında çift emülsiyonların oluştuğunu göstermektedir.

Giriş

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

Çift emülsiyonlar nedeniyle, endüstriyel, ilaç potansiyel kullanımı ve biyolojik uygulamalarda 1 bir ara, karışmayan sıvı tabaka ile, bir taşıyıcı faz ayrılır damlacıklarının oluşur ve özellikle ilgi çekicidir. Bazı durumlarda, çift emülsiyonun iç değeri yüksek bileşikleri kapsüllemek yeteneği malzemesi korunması ve kontrollü bir şekilde serbest kalmasını sağlar. Örnek vermek gerekirse, dış taşıyıcı akışkan 2 için uygun değildir çözünürlük koşullar altında kapsüllenebilir. Buna ek olarak, ara-ürün yağ tabakası ilaç, kozmetik, ve besin 3 kapsüllenmesi ve dağıtımı için bir kapsül şablon olarak kullanılabilir. Bunlar alt nanoliter deneylerin büyük bir sayı daha sonra, yürütülen algılanabilir ve (FACS) aleti 4,5 sıralama bir floresan-aktive edilmiş hücre kullanarak kriteri izin için biyolojide çift emülsiyonlar, ayrıca yüksek verimli tarama teknikleri de yararlıdır.

ent "> istenen performans özellikleri ile çift emülsiyonlar tasarımı çift emülsiyon boyutu, kompozisyonu ve tekdüzelik hassas kontrolünü gerektirir. Böyle zar emülsifikasyonu olarak toplu emülsifikasyon süreçleri, sanayide kullanılmasına rağmen, ortaya çıkan emülsiyonlar, son derece polidispers olduğu bir sergileme işlevsel özellikleri 1. çeşitli. damlacık Mikroakiskan alan doğal dikkatle kontrol kompozisyon 6 monodispers emülsiyonlar nesil uygundur. Mikroakışkan çift emülsiyon üretimi odaklanan iki ana stratejiler, sıralı damla yapma ve cam kılcal akışı ile elde edilmiştir. Çift emülsiyonlar can verme süreci, iki aşamalı bir düşüş ile düzlemsel PDMS cihazlar üretilebilir. İlk olarak, sulu bir yağ-içinde-su emülsiyonları, bir yağ-içinde-açılan verme hidrofobik kanal duvarları ile bir cihazın bölgesi. İleri kullanılarak oluşturulur, emülsiyon olabilir akıyordu ya da su içinde yağ için uygun hidrofil duvarlı bir damla yapma bölgeye tekrar enjektedamla yapma 4. Bununla birlikte, pmds hidrofilik yüzey işlemi ek bir üretim aşamasını gerektirmekte ve 7 geçici genellikle. Çift emülsiyonlar oluşturmak için en kontrollü ve tekrarlanabilir bir yöntem eş eksenel akış odaklanarak olduğunu bir tekniktir üç faz içeren bir konsantrik jet monodispers damlacıklar 8 üretmek için küçük bir delikten makaslanmış sayede cam kılcal mikroakışkanları kullanarak öncülük etmiştir. Bu teknik, her fazının akış oranlarının bir fonksiyonu olduğu, çift emülsiyon kesin boyutu ve bileşimi ile, kanal boyutları çok daha küçük damlacıkların üretimine olanak sağlamaktadır. Damlacık ve kanal boyutu ve koruyucu dış kılıf akışı arasındaki büyük fark, kanal duvarlarını temas gereksiz yüzey işleme render gelen damlacıkları engeller. Ancak, bu tür cam cihazları dikkatli montaj ve sızdırmazlık birlikte, konik kılcal ipuçları özel imalat gerektirir. Önceki araştırmacılar 3D yumuşak litho kullanmışgrafisi fizik odaklama akış kullanılarak çift emülsiyonlar oluşturmak için, ancak bu cihazlar çapları> 150 mikron 9,10, genellikle FACS ile sıralanır nesnelerden daha büyük boyutlu kabaca bir sipariş ile emülsiyonlar üretti. Cazip bir alternatif PDMS yumuşak litografi üretim kolaylığı ile odaklama cam kapiller koaksiyel akışının güçlü işlevler ve küçük damlacık nesil içerir.

Bu yazıda 50 mikron emülsiyon ≤ üretmek için odaklama koaksiyel akışını kullanır ve tamamen 3D yumuşak litografi 11 kullanılarak inşa edilmiştir çift emülsiyon jeneratör açıklar. Bizim cihaz çekilmiş bir cam kılcal memesinde emülsiyon oluşumu süreçlerine yaklaştığı küçük kesme kanalı (Şekil 1) ihtiva cihazları imal etmek için bir kapaklı bir yaklaşım kullanır. Daha da önemlisi, bu cihazlar özel yüzey işlemi gerekebilir ve tüm polimer yapı kolay ve tekrarlanabilir üretim sc sağlarÇift cihaz çok sayıda alable. Burada, çift emülsiyon jeneratör tasarımı, imalatı ve test özetlemektedir. Çift emülsiyon üretimi 14 um damlacık çapları kadar sağlam ve tekrarlanabilir olduğu gösterilmektedir. Imalat kolaylığı ile fonksiyonellik bağlama bu cihaz yeni çift emülsiyon uygulamalarının geliştirilmesi için cazip bir seçenek haline getiriyor.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

1. SU8 Usta Fabrikasyon

  1. AutoCAD yazılımı kullanılarak iki katmanlı imalat için mikroakışkan yapıları tasarım ve 10 mikron çözünürlükte devre kartı film üzerine bir satıcı tarafından basılan tasarımları var. Cihaz tasarımı detayları ekli referans 11 de verilmiştir ve kanal geometrileri, Şekil 1 'de gösterilmiştir. Tabakaların her biri, imalat tabaka 12 özelliklerini düzenlemek yardımcı hizalama işaretleri içermelidir.
  2. Spin kaplayıcı bir ön temizlenmiş 3 inç çaplı silisyum gofret yerleştirin ve aynasının bunu tutturmak için vakum açın. 50 um arası bir tabaka kalınlığına sağlayan 2000 rpm'de 30 saniye daha sonra, 500 rpm'de 20 saniye boyunca gofret ve dönüş merkezinde SU8-3035 1 ml uygulanır.
  3. Gofret çıkarın ve 30 dakika süre ile 135 ° C sıcak plaka üzerinde pişirilir. Gofret sonraki adıma geçmeden önce oda sıcaklığına kadar soğumasını bekleyin.
  4. 1. katman maskesine kaplı gofret (Şekil 2A Açığa ) 90 sn için LED nm bir paralel 190 mW, 365 altında. Maruz kaldıktan sonra, bir sonraki adıma geçmeden önce, 1 dakika boyunca RT sonra serin bir 135 ° C ocak gofret yerleştirin.
  5. Spin kaplayıcı üzerine gofret yerleştirin ve aynasının bunu tutturmak için vakum açın. 135 um'lik bir kalınlık sağlayan bir ek tabaka ile sonuçlanan, 1375 rpm'de, sonra 30 saniye, 500 rpm'de 20 saniye boyunca gofret ve dönüş merkezinde SU8-2050 1 ml uygulanır.
  6. Bir sonraki aşamaya geçmeden önce, 30 dakika süre ile 135 ° C sıcak plaka üzerinde oda sıcaklığına kadar daha sonra soğuk gofret ve fırında çıkarın.
  7. 1.3 desenli geometri üzerine 2. katman maskesi (Şekil 2B) hizalayın ve 3 dakika boyunca LED nm bir paralel 190 mW, 365 kaplanmış gofret maruz. Maruz kaldıktan sonra, bir sonraki adıma geçmeden önce, 1 dakika süreyle 135 ° C ocak RT sonra serin yerleştirin.
  8. 30 dakika boyunca, propilen glikol monometil eter asetat içinde karıştırılan bir banyosu içinde daldırılması yoluyla maske geliştirir. Gofret yıkayın1 dakika süreyle 135 ° C ocak izopropanol ve fırında. PDMS kalıplama için 100 mm Petri kabındaki geliştirilen usta yerleştirin.

2. PDMS Cihaz İmalatı

  1. Plastik bir kap içinde sertleştirici 5 g silikon baz 50 g birleştirerek 1 PDMS: 10 hazırlayın. Bir karıştırma çubuğu ile donatılmış bir döner aracı ile içeriği karıştırın. Tüm hava kabarcıkları bertaraf edilmiştir, 30 dakika boyunca, ya kadar bir desikatör içinde karışım gaz çıkışına.
  2. Master üzerinde 3 mm kalınlığında vermek ve daha fazla gaz alma için desikatöre geri yerleştirmek için PDMS dökün. Bir kez tüm kabarcıklar kaldırılır, 2 saat süre ile 60 ° C 'de fırında cihazı.
  3. Desenli yüzü yukarı bakacak şekilde temiz bir yüzey üzerinde bir neşter ve yer kullanarak kalıp cihazı kesin. Usta 2 (Şekil 3a) dan master 1 ayırmak için bir jilet ile yarım PDMS kalıp kesin. Usta 1 tarafından basılmış 50 mikron sıvı taşıma geometrisini içeren parçasına, bir 0.7 ile akışkan giriş ve çıkış yumruk5 mm biyopsi yumruk.
  4. Plazma 300 W plazma temizleyici 60 saniye boyunca 1 mbar O 2 plazması cihazları tedavi. Geçici PDMS PDMS bağlama geciktirir ve bir kayganlaştırma maddesi olarak hizmet etmek DI su damla PDMS deliksiz parçasının yüzeyi ıslatılır. Master 2 yüzey üzerinde bir stereo mikroskop, yer Master 1 ile görüntüleme ve mekanik kilit elde edilene kadar, nispeten yüzeyleri kaydırın ederken zaman girintili çerçeveleri ve Şekil 3A arkadaşı çıkıntılı çerçeveler.
  5. 60 ° C'lik bir fırında Cihazı ve su ve yapışmasını tam buharlaşmaya 60 ° C 'de iki gün süre ile birleştirilmiş cihaz (Şekil 3B) fırında.

Reaktiflerin 3. Hazırlık

  1. İç faz damıtılmış su ile 1 ml şırınga doldurun.
  2. 1 wt ile HFE 7500 florlu yağ ile 1 ml şırınga doldurun. Orta faz için% biyo-uyumlu bir yüzey aktifi 13.
  3. 10 wt ile 10 ml şırınga doldurun. % Polietilen1 kadarını ihtiva eden su çözeltisi içinde e glikol (PEG) içerebilir. % Tween 20 ve 1 wt. % Sürekli bir faz için sodyum dodesil sülfat.

4. Sistem Hazırlama

  1. <100 mikro-saniye deklanşör hızları yeteneğine sahip dijital kamera ile birleştiğinde bir ters mikroskop sahnede mikroakışkan çip yerleştirin.
  2. Şırınga pompaları tüm şırınga monte ve 27 G iğne takın. Iğne ~ PE-2 boru 30 cm uzunlukta takın ve uygun cihazda delik delinmiş içine gevşek uçları takın.
  3. Aracının çıkış portuna PE-2 bir 10 cm uzunluğunda yerleştirin ve bir atık toplama kabı diğer ucunu yerleştirin.
  4. Prime boru kesimleri sıvı kadar hızlarda yüksek oranda şırınga pompaları (2000 ul / dakika) çalıştırarak cihaz, giriş kapısı ulaşır.

5. Emülsiyon Üretimi

  1. 50 mm x 50 mm delik ve içeren bir bölgeye mikroskop odaklanınaşağı çıkış kanalı.
  2. Sürekli bir faz için, 250 ul / İç faz için saat, 100 ul / orta aşama için saat ve 700 ul / saat akış hızında çift emülsiyon üretecine akışkanı sevk ve dengeyi 10 dakika beklemek şırınga pompaları ayarlayın.
  3. Sırasıyla 250 ul / saat ve 100 ul / st'de iç ve orta fazın akış oranları muhafaza edin. 1050 ul / saat, dış fazının akış hızını ayarlayın. Çift emülsiyonlar nesil akış koşulları bu seti altında stabilize etmek için 3-5 dakika bekleyin.
  4. Manuel görüntü analizi ile çevrimdışı işleme için 30 Hz video görüntülerinin 5 sn edinin.
  5. Tablo 1 'de verilen bir akış oranı ile 5.3 ve 5.4 tekrarlayın. Iç ve orta fazı akış oranlarının sabit tutulması ve taşıyıcı fazının akış hızı, bir şırınga pompası ayar ayarlayarak değiştirilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

Çift emülsiyon jeneratör 3D PDMS Fabrikasyon (Şekil 1A) kullanılarak oluşturulan bir eş eksenel akış odaklama aygıtın oluşur. Geometrisi üç fazlı koaksiyal jet oluşumunun su / yağ / su emülsiyonları, çift (Şekil 1B, Şekil 1C) oluşumuna izin veren, bir kare, x, 50 um menfez 50 um olarak kesilmiş olanak sağlar. İç sulu faz ve orta yağ fazı 10 um kanal boyutları olan bir birleşme kısmında bir araya getirilir x 50 um (Şekil 1D,

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

Burada anlatılan çift emülsiyon üreten geometri cam kılcal cihazlarının 8 fiziğini taklit için tasarlanmıştır. Bunlarda, hizalanmış silindirik cam kılcal kısımların düzgün çift emülsiyon damlacıkları haline kesilmiş olan bir üç fazlı koaksiyal püskürmesi oluşturmak için kullanılır. Bizim 3D PDMS cihazın işlevi toplam yüksekliği 320 mm olan taşıyıcı faz kanallarını 50 mikron boyunda imalat ile oluşturulan küçük özellikler merkez hizalama bağlıdır. Maskeleri doğru hizada değilse 50 mikron boyunda geometri ile i...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Teşekkürler

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

Bu çalışma Sayısal Biosciences için California Institute (QB3), Rogers Aile Vakfı, Cephe Biyomedikal Araştırma, BASF'den bir hibe için UCSF / Sandler Vakfı Programı Bridging Gap Ödülü ve NSF aracılığıyla bir Araştırma Ödülü ile desteklenmiştir Fakülte Erken Kariyer Gelişimi (KARİYER) Programı (DBI-1253293).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Fotoğraf maskeleriCadArt Servcies
3" silikon gofretler, P tipi, bakire test sınıfıÜniversite Gofretleri447
SU-8 3035MicrochemY311074
SU-8 2050MicrochemY111072
Sylgard 184 silikon elastomer kitiKrayden4019862
1 ml şırıngaBD
10 ml şırıngaBD309604
27 gaugue iğnesiBD305109
PE 2 polietilen boruScientific Commodities, Inc.B31695-PE / 2
Novec 7500Fisher Scientific98-0212-2928-5Yaygın olarak HFE 7500 Biyouyumlu
yüzey aktif maddeRan Biotechnologies008-FluoroSurfactant
35.000 MW PEGSigma Aldrich1546660
Tween 20Sigma AldrichP1369
Sodyum dodesil sülfat ve nbsp;Sigma AldrichL3771
309628 olarak bilinir

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

PDMS Microfluidic DeviceCoaxial Flow FocusingSoft Lithography FabricationWater Oil Water EmulsionsMicrofluidic Chip DesignSyringe Pump SetupPlasma Bonding TechniqueDroplet Size AnalysisFlow Cytometry Compatibility

İlgili makaleler