Bir Polidimetilsiloksan (PDMS) Koaksiyel Akış Odak Aygıtı Kullanma Çift Emülsiyon Üretimi
25 Aralık 2015
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.
Bu prosedürün genel amacı, çift emülsiyonlar oluşturmak için koaksiyel akış odaklamasını kullanan tamamen poli dimetil suboksan mikroakışkan bir cihaz oluşturmak ve test etmektir. Bu yöntem, enzimlerin yönlendirilmiş evrimi ve nadir fenotiplerin tanımlanması gibi ultra yüksek verimli tarama gerektiren kimya ve biyolojideki temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Bu tekniğin ana avantajı, özel yüzey işlemleri olmadan yumuşak litografi imalatı kullanılarak çift emülsiyon jeneratörlerinin hızlı bir şekilde üretilmesini sağlamasıdır.
Başlamak için, iki katmanlı imalat için mikroakışkan yapıları tasarlayın. AutoCAD yazılımını kullanarak, tasarımların burada gösterilen referansta açıklandığı gibi 10 mikron çözünürlükte devre kartı filmine basmasını sağlayın. Önceden temizlenmiş üç inç çapında silikon gofretin ortasına bir ila iki mililitre SU 8 30 35 uygulayın, bir döndürme kodlayıcıya yerleştirin ve aynaya yapıştırın.
500 RPM'de 20 saniye ve ardından 2000 RPM'de 30 saniye döndürün. Gofretleri çıkarın ve 135 derece sıcak plakada 30 dakika pişirin. Bir sonraki adıma geçmeden önce gofretin oda sıcaklığına soğumasını bekleyin.
Şimdi kaplanmış gofreti, harmanlanmış bir LED ışığı altında 90 saniye boyunca ilk katman için maskeye maruz bırakın. Pozlamadan sonra, gofreti bir dakika boyunca 135 santigrat derece sıcak plakaya geri yerleştirin. Soğuduktan sonra, gofretin ortasına bir ila iki mililitre SUH 2050 uygulayın.
Gofret'i tekrar döndürme kodlayıcıya yerleştirin ve 500 RPM'de 20 saniye döndürün. Ardından 1.375 RPM'de 30 saniye döndürün. Sıkma kodlayıcı dönmeyi bıraktığında, gofreti çıkarın ve 30 dakika boyunca 135 santigrat derece sıcak plakaya geri koyun.
Ardından, bir sonraki adıma geçmeden önce gofreti tekrar oda sıcaklığına soğutun. İkinci katman için maskeyi önceki adımlarda desenlenen geometri üzerine hizalayın ve kaplanmış gofreti maruz kaldıktan sonra üç dakika boyunca bir kez daha UV ışığına maruz bırakın, gofreti bir dakika boyunca 135 santigrat derece sıcak plakaya yerleştirin. Soğuduktan sonra, gofreti karıştırılmış bir propilen glikol, monometil eter asetat banyosuna daldırarak maskeleri geliştirdi.
Banyoda 30 dakika kaldıktan sonra gofreti çıkarın ve izopropanol içinde yıkayın. Ardından, gofreti 135 santigrat derece sıcak plakada bir dakika pişirin. Gofreti soğutun ve ardından geliştirilen master'ı 100 milimetrelik bir Petri kabına yerleştirin.
Plastik bir kapta 50 gram silikon bazı ile beş gram kürleme maddesini birleştirerek bir grup PDMS hazırlayın. Bileşenleri karıştırmak için bir karıştırma çubuğu ile donatılmış bir döner alet kullanın ve ardından karışımı bir kurutucu içinde yaklaşık 30 dakika veya tüm hava kabarcıkları giderilene kadar gazdan arındırın. Daha sonra, PDMS'yi master'ın üzerine üç milimetre kalınlığa kadar dökün.
Daha sonra daha fazla gaz giderme için Petri kabını kurutucuya yerleştirin. Tüm baloncuklar çıkarıldıktan sonra, cihazı iki saat boyunca 60 santigrat derecede pişirin. PDMS cihazını bir neşter kullanarak kalıptan kesin ve desen tarafı yukarı bakacak şekilde temiz bir yüzeye yerleştirin.
Ardından, ana makine tarafından basılan 50 mikrometre sıvı işleme geometrisini içeren parça üzerinde cihazın iki tarafını ayırmak için PDMS'yi bir tıraş bıçağıyla ikiye bölün. Akışkan giriş ve çıkışlarını 0.75 milimetrelik bir biyopsi zımbası ile delin. Ardından, PDMS parçalarını desenli tarafları yukarı bakacak şekilde bir plazma odası plazmasına yerleştirin.
Cihaza, 300 watt'lık bir plazma temizleyicide 60 saniye boyunca bir milibarda oksijen plazması uygulayın. Daha sonra numuneleri çıkarın ve cihazı bir stereo mikroskopta görüntülerken geçici bir kayganlaştırıcı görevi görmesi için söndürülmemiş PDMS parçasının yüzeyini bir damla DI su ile ıslatın. Plazma ile işlenmiş yüzeyleri bir araya getirin ve mekanik bir kilit elde edilene kadar yüzeyleri kaydırın.
Girintili çerçeveler ve çıkıntılı çerçeveler eşleştiğinde, bir kez monte edildikten sonra, cihazı 60 derecelik bir fırına koyun ve suyu buharlaştırmak ve yapıştırmayı tamamlamak için iki gün pişirin. Daha sonra monte edilmiş cihazı birkaç damla kürlenmemiş PDMS kullanarak bir cam slayta sabitleyin, yapıyı 60 derece fırında bir saat pişirin. PDMS yerini iyileştirmek için, en az 100 mikrosaniye deklanşör hızlarına sahip bir dijital kamera ile birleştirilmiş ters çevrilmiş bir mikroskop sahnesindeki mikroakışkan çip.
Daha sonra, üç adet 10 mililitrelik şırıngayı şırınga pompalarına monte edin ve her birine 27 gauge iğne takın. İğnelerin her birine yaklaşık 30 santimetre PE iki boru takın ve tüplerin gevşek uçlarını cihazdaki uygun delinmiş deliklere yerleştirin. Daha sonra cihazın çıkış portuna 10 santimetre uzunluğunda bir PE iki yerleştirin ve diğer ucunu bir atık toplama kabına yerleştirin.
Kurulduktan sonra, şırınga pompalarını yüksek hızlarda çalıştırarak cihazı doldurun. Pompaları durdurun. Boru segmentlerindeki sıvı, cihazın giriş portlarına ulaştığında, mikroskobu çipin 50 x 50 mikrometre deliği içeren bölgesine odaklayın ve çerçeveyi, aşağı akış çıkış kanalını içerecek şekilde ayarlayın.
Şırınga pompalarını, sıvıyı çift emülsiyon jeneratörüne iç faz için saatte 250 mikrolitre, orta faz için saatte 100 mikrolitre ve saatte 700 mikrolitre akış hızında iletecek şekilde ayarlayın. Sürekli faz için. Sistemin dengelenmesi için 10 dakika bekleyin.
Ardından, dış fazın akış hızını saatte 1050 mikrolitreye yükseltin. Çift emülsiyon oluşumunun bu akış koşulları altında stabilize olması için üç ila beş dakika daha bekleyin. Stabilize edildikten sonra, 30 hertz'de beş saniyelik video görüntüleri elde edin.
Videoları manuel görüntü analizi ile çevrimdışı işleme için kaydedin. Eşlik eden metin protokolünün birinci tablosunda bulunan değerleri kullanarak dış fazın akış hızını değiştirirken bu işlemi tekrarlayın. İç ve orta fazların oranlarını koruyun.
Bu işlem sırasında, çift emülsiyon cihazı çeşitli akış koşullarında test edildi. Çeşitli boyutlarda mono dağılmış çift emülsiyonların oluşumunu göstermek için, sürekli fazın iç ve orta fazın toplamına oranı her görüntünün üzerinde gösterilmiştir. Seçilen akış oranları için damlacık çaplarının histogramları, üretilen damlacıkların boyutundaki nispi tekdüzeliği gösterir.
Elde edilen çift emülsiyonlar, ortalama %5,2'lik bir çap katsayısı varyasyonu üretirCihaz, orifis genişliğinden önemli ölçüde daha küçük çift emülsiyon oluşturma yeteneği gösterir ve artan akış oranları ile net bir azalma eğilimi gösterir. Test edilen en yüksek taşıyıcı faz akışında, 50'ye 50 mikrometre delik kullanılarak 14 mikrometre çift emülsiyon oluşturuldu. Bu teknik, kimyasal ve biyolojik araştırmacıların standart akış sitometrisi algılama platformlarıyla uyumlu damlacık mikroakışkan deneyleri gerçekleştirmelerinin yolunu açar.
Bu videoyu izledikten sonra, basit tüm PDMS yapım tekniklerini kullanan mikroakışkan, çift emülsiyon jeneratörlerinin nasıl üretileceğini ve test edileceğini iyi anlamış olmalısınız.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu makale, çift emülsiyonlar oluşturmak için tasarlanmış tamamen polidimetilsiloxan (PDMS) mikroakışkan cihazının üretimi ve testini açıklar. Cihaz, koaksiyel akış odaklama kullanarak üretim sürecini özel yüzey işlemleri ihtiyacını ortadan kaldırarak basitleştirir.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Mikroakışkanlar
- Emülsiyonu oluşturma
- Yumuşak litografi
Arka Plan
- Çift emülsiyonlar kimya ve biyoloji alanındaki çeşitli uygulamalarda önemlidir.
- Geleneksel yöntemler genellikle karmaşık üretim teknikleri ve yüzey işlemleri gerektirir.
- PDMS kullanımı daha kolay ve verimli cihaz üretimine olanak tanır.
- Koaksiyel akış odaklama, çift emülsiyonlar oluşturmak için önemli bir tekniktir.
Çalışmanın Amacı
- Çift emülsiyonlar üretmek için basitleştirilmiş bir yöntem geliştirmek.
- Biyokimyasal uygulamalarda yüksek verimli tarama kolaylaştırmak.
- Enzimlerin yönlendirilmiş evrimi ve nadir fenotiplerin tanımlanmasını sağlamak.
Kullanılan Yöntemler
- AutoCAD yazılımı kullanarak mikroakışkan yapıları tasarlamak.
- Yüksek çözünürlüklü devre kartı filmi üzerine tasarımları basmak.
- Cihaz üretimi için silikon yongalar üzerine SU-8 fotorezisti uygulamak.
- PDMS çift emülsiyon jeneratörünün performansını test etmek.
Ana Sonuçlar
- PDMS cihazı 14 µm'ye kadar çift emülsiyonlar başarıyla üretti.
- Üretim süreci geleneksel yöntemlere göre basitleştirildi.
- Cihaz, yüksek verimli uygulamalar için potansiyel gösterdi.
- Sonuçlar, stabil çift emülsiyonlar üretmede etkinliği gösteriyor.
Sonuçlar
- Tamamen PDMS çift emülsiyon jeneratörü, karmaşık cihazlara karşı uygun bir alternatiftir.
- Bu yöntem, kimya ve biyoloji alanlarındaki araştırma yeteneklerini önemli ölçüde artırabilir.
- Gelecek uygulamaları enzim evrimi ve fenotip tanımlamasını içerebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
This PDMS microfluidic device enables rapid, high-throughput generation of uniform double emulsions for biochemical screening applications. By eliminating complex fabrication and surface treatments, it supports scalable workflows in enzyme evolution and rare phenotype identification. The technology enhances predictive confidence in early discovery by providing reproducible, droplet-based assay systems compatible with flow cytometry detection.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through controlled microenvironment generation for enzyme screening.
- Operational Value: Supports ultra-high throughput screening by producing monodisperse double emulsions at defined flow rates.
- Predictive Value: Facilitates lead identification by allowing screening of rare phenotypes in isolated aqueous compartments.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates standardized double emulsions from 14 µm to 50 µm for consistent biochemical reactions.
- Reproducibility: Demonstrates low coefficient of variation (5.2%) in droplet size across flow conditions.
- Platform Compatibility: Produces emulsions suitable for downstream analysis via standard flow cytometry platforms.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Enables screening workflows that bridge target validation to preclinical candidate evaluation.
- Mechanistic De-risking: Allows functional assessment of enzyme variants in confined aqueous phases to reduce false positives.
- Scalability: Uses robust, large channels resistant to fouling for sustained screening campaigns.
Pipeline & Workflow Integration
The device fits within the discovery continuum from target validation through lead identification, supporting assay development and screening readiness.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by enabling compartmentalized biochemical reactions in double emulsions.
- Screening: Provides assay-ready droplet generation with quantitative size control for compound or variant evaluation.
- Analytics: Yields measurable outputs (droplet diameter, uniformity) for comparing screening conditions.
- Translational Research: Connects early screening hits to preclinical validation through standardized emulsion-based assays.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable microfluidic platform adaptable to various screening targets without re-fabrication.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation through reproducible microenvironment control.
- Operational Value: Enables standardization and scalability of emulsion-based assays across projects.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing biological false hits in high-throughput screens.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of enzyme variants or chemical leads based on screening fidelity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic design and soft lithography fabrication.
- Depends on access to plasma bonding equipment and precision syringe pumps.
- Necessitates standardization of fluidic connections and tubing across teams.
- Adaptation to different viscosities or surfactants may require flow rate re-optimization.
- Practical limitation: Device performance depends on precise flow rate control and orifice alignment.
