ضعف مستحلب الجيل باستخدام Polydimethylsiloxane (PDMS) المشارك المحوري تدفق التركيز الأجهزة

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Cole, R. H., Tran, T. M., Abate, A. R. Double Emulsion Generation Using a Polydimethylsiloxane (PDMS) Co-axial Flow Focus Device. J. Vis. Exp. (106), e53516, doi:10.3791/53516 (2015).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

تتكون المستحلبات مزدوجة من قطرات فصل من مرحلة الناقل عن طريق وسيطة، طبقة السوائل إمتزاج، وذات أهمية خاصة نظرا للاستخدامات المحتملة في الصناعية والأدوية، والتطبيقات البيولوجية 1. في بعض الحالات، والقدرة على تغليف مركبات ذات القيمة العالية في جوهر مستحلب مزدوج لتتيح المواد المراد حمايتها وأفرج عنه في الطريقة التي تسيطر عليها. على سبيل المثال، قد تكون مغلفة المخدرات في ظل ظروف الذوبان يست مناسبة للالسائل الناقل الخارجي 2. بالإضافة إلى ذلك، فإن الطبقة المتوسطة النفط يمكن أن تستخدم كنموذج كبسولة للتغليف وتسليم الأدوية ومستحضرات التجميل، والمواد الغذائية 3. في علم الأحياء، والمستحلبات مزدوجة هي مفيدة أيضا في ارتفاع الفرز الإنتاجية لأنها تسمح لعدد هائل من التجارب نانولتر الفرعي التي يتعين الاضطلاع بها، ثم الكشف عن وفرزها باستخدام الخلايا مضان تنشيط الفرز (FACS) أداة 4،5.

والأنف والحنجرة "> تصميم المستحلبات مزدوجة مع خصائص الأداء المطلوب يتطلب مراقبة دقيقة من ضعف حجم مستحلب، وتكوينها، والتوحيد. وعلى الرغم من عمليات استحلاب السائبة، مثل استحلاب الغشاء، وتستخدم في الصناعة، والمستحلبات الناتجة polydisperse للغاية، التي تتسم مجموعة واسعة من الخصائص الفنية 1. إن مجال قطيرة على microfluidics يناسب بشكل طبيعي توليد المستحلبات monodisperse مع تكوين تسيطر عليها بعناية 6. وقد حقق الجيل مستحلب مزدوجة ميكروفلويديك مع اثنين من الاستراتيجيات الرئيسية، وصنع انخفاض متسلسل والزجاج تدفق شعري التركيز. مستحلبات مزدوجة يمكن أن تتولد في الأجهزة PDMS مستو باستخدام قطرة من خطوتين عملية صنع أولا، يتم إنشاء المستحلبات مائي في الزيت باستخدام الماء في الزيت المنطقة من جهاز بجدران قناة مسعور صنع الهبوط. وبعد ذلك، يمكن للمستحلب يكون تدفقت أو إعادة حقنه في منطقة صنع انخفاض مع الجدران ماء مناسبة عن النفط في المياه4 اتخاذ الهبوط. ومع ذلك، والمعالجة السطحية للماء من إيضاحية يتطلب خطوة إضافية تلفيق وغالبا ما تكون مؤقتة 7. الأسلوب الأكثر السيطرة عليها وتكرار لتشكيل المستحلبات المزدوجة هو من خلال التركيز تدفق محوري المشترك، رائدة تقنية تستخدم على microfluidics الزجاج الشعرية، حيث يتم المنفصمة طائرة متحدة المركز التي تحتوي على المراحل الثلاث من خلال فتحة صغيرة لإنتاج قطرات monodisperse 8. هذا الأسلوب يسمح لإنتاج قطرات أصغر بكثير من أبعاد القناة، مع حجم الدقيق وتكوين مستحلب مزدوجة كونه وظيفة من معدلات تدفق كل مرحلة. الفرق كبير بين قطرة وحجم القناة واقية تدفق غمد الخارجي يمنع قطرات من الاتصال جدران القناة، مما يجعل المعالجة السطحية غير ضروري. ومع ذلك، فإن هذه الأجهزة الزجاج تتطلب تصنيع العرف من النصائح الشعرية مدبب، جنبا إلى جنب مع الجمعية الدقيق والختم. وقد استخدم المحققون السابق 3D يثو لينةgraphy لتوليد المستحلبات مزدوجة باستخدام تدفق التركيز الفيزياء، ولكن هذه الأجهزة تنتج المستحلبات بأقطار> 150 ميكرون 9،10، ما يقرب من أمر من حجم أكبر من الكائنات فرزها عادة مع FACS. سيكون بديلا جذابا تشمل وظائف قوية وتوليد قطرات صغيرة من الزجاج الشعرية تدفق محوري التركيز مع سهولة تصنيع PDMS الطباعة الحجرية الناعمة.

في هذه الورقة، ونحن تصف مولد مستحلب مزدوج يستخدم المشارك محوري تدفق التركيز على إنتاج ≤ 50 ميكرون المستحلبات والتي شيدت تماما باستخدام 3D لينة الطباعة الحجرية 11. يستخدم الجهاز لدينا نهج صدفي لصنع الأجهزة التي تضم قناة القص الصغيرة (الشكل 1) لتقريب عمليات تشكيل مستحلب في فوهة الزجاج الشعرية سحبت. الأهم من ذلك، وهذه الأجهزة لا تحتاج إلى المعالجة السطحية محددة، ويوفر بناء كل البوليمر سهلة وقابلة للتكرار تلفيق الشوريalable لعدد كبير من الأجهزة مكررة. هنا، ونحن الخطوط العريضة لتصميم وتصنيع واختبار مولد مستحلب مزدوجة. يظهر جيل مستحلب مزدوجة أن تكون قوية وقابلة للتكرار وصولا الى أقطار قطرة من 14 ميكرون. اقتران الوظائف مع سهولة تلفيق يجعل هذا الجهاز خيارا جذابا لتطوير تطبيقات مستحلب مزدوجة جديدة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. SU8 تصنيع ماستر

  1. تصميم الهياكل ميكروفلويديك لمدة تلفيق طبقة باستخدام برنامج أوتوكاد ولها التصميمات المطبوعة من قبل بائع على الفيلم لوحات الدارات الكهربائية مع 10 ميكرون القرار. وبالنظر إلى تفاصيل تصميم الجهاز في اشارة المرفقة 11 وترد في هندستها القناة في الشكل 1. وينبغي أن تشمل طبقات علامات المحاذاة للمساعدة في رصف الميزات من كل طبقة تلفيق 12.
  2. وضع 3 بوصة قطرها رقاقة السيليكون تنظيفها مسبقا على المغطي تدور وبدوره على فراغ ليضعوا لها تشوك. تطبيق 1 مل من SU8-3035 في وسط الرقاقة وتدور لمدة 20 ثانية في 500 دورة في الدقيقة، ثم 30 ثانية في 2000 دورة في الدقيقة، وتوفير سمك طبقة من 50 ميكرون.
  3. إزالة الرقاقة وتخبز على 135 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة موقد. تسمح الرقاقة لتبريد لRT قبل الانتقال إلى الخطوة التالية.
  4. فضح رقاقة المغلفة إلى 1 شارع قناع طبقة (الشكل 2A
  5. وضع رقاقة على المغطي تدور وبدوره على فراغ ليضعوا لها تشوك. تطبيق 1 مل من SU8-2050 في وسط الرقاقة وتدور لمدة 20 ثانية في 500 دورة في الدقيقة، ثم 30 ثانية في 1375 دورة في الدقيقة، مما أدى إلى الطبقة التي توفر سمك إضافي من 135 ميكرون.
  6. إزالة الرقاقة وتخبز على 135 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة موقد، ثم بارد لRT قبل الانتقال إلى الخطوة التالية.
  7. محاذاة الثانية 2 قناع طبقة (الشكل 2B) على نمط الهندسة في 1.3 وفضح رقاقة المغلفة إلى موازى 190 ميغاواط، 365 نانومتر الصمام لمدة 3 دقائق. بعد التعرض، ووضع على 135 ° C موقد لمدة 1 دقيقة، ثم بارد لRT قبل الانتقال إلى الخطوة التالية.
  8. تطوير الأقنعة عن طريق غمر في حمام أثار من البروبيلين جليكول ايثر monomethyl خلات لمدة 30 دقيقة. غسل رقاقةفي الأيزوبروبانول وتخبز على 135 درجة مئوية موقد لمدة 1 دقيقة. وضع سيد وضعت في 100 مم طبق بتري لPDMS الصب.

2. PDMS تصنيع جهاز

  1. إعداد 10: 1 PDMS من خلال الجمع بين 50 غرام من قاعدة السيليكون مع 5 غرام من وكيل علاج في كوب من البلاستيك. خلط المحتويات مع أداة دوارة مزودة عصا ضجة. ديغا الخليط داخل المجفف لمدة 30 دقيقة، أو حتى يتم إزالة جميع فقاعات الهواء.
  2. صب PDMS لإعطاء سماكة 3 ملم على الماجستير ووضع مرة أخرى في المجفف لمزيد من التفريغ. حالما تتم إزالة جميع فقاعات، خبز الجهاز على 60 درجة مئوية لمدة 2 ساعة.
  3. قطع الجهاز من العفن باستخدام مشرط ومكان على سطح نظيف مع الجانب منقوشة فوق. قطع قالب PDMS في النصف بشفرة حلاقة لفصل ماستر 1 من ماستر 2 (الشكل 3A). على قطعة تحتوي على التعامل مع الهندسة 50 ميكرون السائل مطبوع بواسطة ماستر 1، لكمة مداخل ومنافذ الموائعية مع 0.75 مم لكمة الخزعة.
  4. البلازما علاج الأجهزة في 1 ملي بار O 2 البلازما لمدة 60 ثانية في 300 W البلازما نظافة. الرطب سطح قطعة unpunched من PDMS مع قطرة ماء DI إلى تؤخر مؤقتا PDMS-PDMS الترابط وتكون بمثابة مواد التشحيم. أثناء عرض من خلال المجهر ستيريو، مكان ماستر 1 ماستر 2 على السطح، وحرك السطوح نسبيا حتى يتم التوصل إلى القفل الميكانيكي عندما الأطر راحة وجاحظ الإطارات في الشكل 3A زميله.
  5. ضع الجهاز في C الفرن 60 درجة وتخبز الجهاز تجميعها (الشكل 3B) لمدة يومين في 60 ° C لتتبخر المياه والترابط الكامل.

3. إعداد الكواشف

  1. ملء حقنة 1 مل مع الماء المقطر للمرحلة الداخلية.
  2. ملء حقنة 1 مل مع HFE 7500 النفط المفلورة مع 1 بالوزن. ٪ السطحي حيويا السطحي 13 للمرحلة المتوسطة.
  3. ملء 10 مل المحاقن مع 10 بالوزن. ٪ البالبريد غليكول (PEG) في محلول مائي يحتوي على 1 بالوزن. ٪ توين 20 و 1 بالوزن. ٪ من الصوديوم دوديسيل كبريتات للمرحلة مستمرة.

4. نظام إعداد

  1. وضع رقاقة ميكروفلويديك على مرحلة مجهر مقلوب إلى جانب وجود كاميرا رقمية قادرة على <100 μsec سرعات مصراع.
  2. تحميل كافة الحقن على مضخات المحاقن والإبر G 27 نعلق. نعلق ~ 30 سم أطوال PE-2 الأنابيب على الإبر وإدراج المغفلة في ملائما لكمات الثقوب في الجهاز.
  3. إدراج طول 10 سم من PE-2 في منفذ خروج من الجهاز ووضع الطرف الآخر في حاويات خاصة لجمع النفايات.
  4. رئيس الجهاز عن طريق تشغيل مضخات حقنة في ارتفاع معدلات سرعات (2000 ميكرولتر / دقيقة) حتى السوائل في قطاعات أنابيب تصل إلى الموانئ مدخل الجهاز.

5. مستحلب الجيل

  1. تركيز المجهر على المنطقة التي تحتوي على 50 ميكرومتر × 50 ميكرون فوهة وقناة الخروج المصب.
  2. تعيين مضخات حقنة لتقديم السائل إلى مولد مستحلب مزدوجة في معدلات تدفق 250 ميكرولتر / ساعة للمرحلة الداخلية، و 100 ميكرولتر / ساعة للمرحلة المتوسطة، و 700 ميكرولتر / ساعة للمرحلة مستمرة وانتظر 10 دقيقة لموازنة.
  3. الحفاظ على معدلات تدفق من مراحل الداخلية والوسطى في 250 ميكرولتر / ساعة و 100 ميكرولتر / ساعة، على التوالي. ضبط معدل تدفق مرحلة الخارجي في 1050 ميكرولتر / ساعة. الانتظار 3-5 دقائق لتوليد المستحلبات المزدوج لتحقيق الاستقرار في ظل هذه مجموعة من الشروط التدفق.
  4. الحصول على 5 ثانية من صور الفيديو في 30 هرتز لمعالجة متواجد حاليا عبر اليدوي تحليل الصور.
  5. كرر 5.3 و 5.4 مع معدلات التدفق الواردة في الجدول 1. وتعقد معدلات تدفق المرحلة الداخلية والوسطى مستمر وتختلف معدل التدفق مرحلة الناقل عن طريق تعديل وضع ضخ حقنة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

يتكون المولد مستحلب مزدوجة من تدفق يركز الجهاز المشارك المحورية التي تم إنشاؤها باستخدام 3D PDMS تلفيق (الشكل 1A). تمكن الهندسة التي تشكيل ثلاث مراحل المشارك المحوري طائرة لتكون المنفصمة في مربع، 50 ميكرون × 50 ميكرون فوهة، والسماح للتشكيل من الثلج / النفط / المياه المستحلبات مزدوجة (1B الشكل، الشكل 1C). يتم إحضارها المرحلة المائية الداخلية والمرحلة المتوسطة النفط معا في مفترق طرق مع أبعاد قناة من 10 ميكرون × 50 ميكرون (1D الشكل، أشر "1"). نظرا لللا مائية من PDMS، والعناق النفط المفلورة جدران القناة وإقامة المرحلة الداخلية في وسط القناة كما السوائل السفر في طائرة مستمرة، حتى يتم التوصل إلى التوسع المفاجئ قناة التوسع (1D الشكل، أشر "2" ). في هذا الموقع، يتم حقن الداخلية مرحلتين في وسط 320 ميكرون junc طويل القامةنشوئها التي تسمح بإدخال متحدة نسبيا من المرحلة الناقل المائية. ويضطر المراحل الثلاث إلى 50 ميكرون × 50 ميكرون فوهة (1D الشكل، أشر "3")، حيث أن معدل تدفق عالية من المقصات مرحلة الناقل الداخلية مرحلتين في فترة طويلة، حالق رقيقة أن تتحلل لمن قطرات موحدة ( الشكل 1E).

تلفيق 3D PDMS يتطلب اقتران اثنين من PDMS قوالب فريدة من نوعها في تكوين صدفي بعد صب على اثنين من طبقة سادة الطباعة الحجرية. ويستخدم 50 ميكرون طبقة طويل القامة لتشكيل قنوات معالجة السوائل الداخلية والوسطى، جنبا إلى جنب مع فتحة القص على ماستر 1 (الشكل 2A)، جنبا إلى جنب مع جاحظ مجانية وراحة الإطارات على المعارضة الرئيسي. يتم استخدام إضافية 135 ميكرون طبقة طويل القامة لإنشاء السائل الناقل وقنوات الخروج (الشكل 2B). جمعية مولد مستحلب مزدوج تستخدم رانه راحة وجاحظ إطارات (الشكل 3A) لمحاذاة هندسية بعد العلاج البلازما (الشكل 3B).

تم اختبار الجهاز مستحلب مزدوج في مجموعة متنوعة من الظروف تدفق للتدليل على تشكيل حجم متنوعة، والمستحلبات مزدوجة monodisperse. لهذه التجارب، عقدت معدلات التدفق المرحلة الداخلية والوسطى مستمر وتم تعديل معدل تدفق مرحلة الناقل تؤثر على قوة القص خلال الجيل الحبرية. ومعلمات الظروف التجريبية من نسبة تدفق مرحلة الناقل (س ج) إلى مجموع الداخلية مرحلتين تدفقات (Q المبلغ). وتظهر الصور من الجيل الحبرية للتجارب أجريت في س ج / س مبلغ 3-57 في الشكل (4). ويلاحظ ان المنطقة ممدود تحتوي على الداخلية مرحلتين لتبرز إلى 50 ميكرون × 50 ميكرون فوهة وفواصل إلى قطرات التي convected المصب. أناncreasing تدفق مرحلة الناقل (زيادة س ج / س مبلغ) يؤدي إلى مراحل الداخلية يجري المنفصمة إلى مناطق أرق تدريجيا التي تنتج قطرات صغيرة. المستحلبات مزدوجة المنتجة من قبل الجهاز في معدلات تدفق مختلفة تظهر متوسط ​​معامل قطر الاختلاف من 5.2٪. تظهر رسوم بيانية من أقطار الحبرية للقيم مختارة من س ج / س المبلغ أيضا التوحيد النسبي في حجم قطرات لدت (الشكل 5). يوضح الجهاز القدرة على تشكيل المستحلبات مزدوجة أصغر بكثير من عرض الفتحة، ويظهر اتجاه تنازلي واضح مع زيادة س ج / س مبلغ (الشكل 6). في أعلى الناقل اختبار تدفق المرحلة، وتم تشكيل 14 ميكرون المستحلبات مزدوجة باستخدام 50 ميكرون × 50 ميكرون الفوهة.

الشكل 1
الشكل 1. الهندسة لعزل مزدوه مولد مستحلب. (A) نموذج 3D من جهاز ملفقة. (B) المقطع العرضي العمودي للقناة المركزية تظهر مقدمة من الداخلية (الرمادي)، وسط (الحمراء)، والناقل (الأزرق) مراحل. (C) مقطع عرضي تظهر الطائرة التي تحتوي على الداخلية مرحلتين دخول فتحة مربعة. (D) أعلى نظرا الجيل مستحلب في الجهاز. في مفترق الطرق (1) وبمساعدة الحقن المرحلة المتوسطة مسعور من قبل PDMS ماء، الذي يؤدي إلى معطف جدران القناة. في مفترق الطرق (2) توسيع القناة والمنفصمة طائرة من الداخلية مرحلتين في الفتحة (3) من خلال ارتفاع معدل تدفق السائل مستمر إلى نقطة حيث تشكيل الحبرية الفيزياء سبب. (E) صورة المجهر من الجيل مستحلب مزدوجة في الجهاز. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. </ P>

الرقم 2
الشكل 2. حجرية إنتاج سادة. (A) قناع تستخدم لإعداد 50 ميكرون الميزات. ويستخدم ماستر 1 إلى قالب مداخل الموائعية، والداخلية / المرحلة المتوسطة ملتقى، جيل مستحلب الفوهة، وحوض راحة للمحاذاة. ماستر 2 يحتوي على سلسلة من التلال التي أثيرت تستخدم لمحاذاة. (B) قناع تستخدم لإعداد 135 ميكرون الميزات. سادة عبارة عن صور المرآة التي تحتوي على قنوات توجيه السائل الناقل والقناة الخروج. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. جمعية الجهاز PDMS. ( ترونج> A) مصنعة PDMS ألواح تحتوي على إطارات راحة وجاحظ مجانية. (B) تجميعها، وإطارات التعشيق لتوفير المواءمة المثلى من الميزات. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 4
الرقم 4. صور من المستحلبات مزدوجة ولدت في معدلات تدفق مختلفة. يتم تغيير معدل التدفق للمرحلة الخارجي لتغيير س ج / س المبلغ الذي يعطى لليسار كل صورة. تتزايد س ج / س مبلغ يضيق طائرة من السوائل الداخلية يجري المنفصمة من خلال فتحة، وخلق قطرات صغيرة على نحو متزايد. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

معشوقة = "jove_content" FO: المحافظة على together.within صفحة = "1"> الرقم 5
الرقم 5. المدرج الإحصائي من قطرات مستحلب مزدوجة الأحجام في معدلات تدفق مختلفة. متوسط ​​معامل الاختلاف قطر قطرات مستحلب المنتجة في مجموعة معينة من الظروف تدفق 5.2٪. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الرقم 6. القطرة قطر مقابل تطبيع المعلمة معدل التدفق. ضبط معدل تدفق مرحلة مستمرة يسمح إنتاج مستحلبات المزدوجة التي هي 30٪ -100٪ من قطر الفتحة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. س ط [ميكرولتر / ساعة] س م [ميكرولتر / ساعة] Q مبلغ [ميكرولتر / ساعة] س ج [ميكرولتر / ساعة] س ج / Q المبلغ 100 250 350 1050 3 100 250 350 2100 6 100 250 350 3850 11 100 250 350 5950 17 100 250 350 8050 23 100 250 350 10150 29 100 250 350 11900 34 100 250 350 17150 49 100 250 350 19950 57

جدول المعلمات معدل تدفق 1. المستخدمة في التجارب. المرحلة الداخلية ومعدلات تدفق المرحلة المتوسطة (Q ط، س م) تعقد مستمر، مما ثابت معدل التدفق المشترك (Q المبلغ). وتتنوع معدل تدفق مرحلة الناقل (مراقبة الجودة) لإنتاج مستحلبات مزدوجة مع أقطار مختلفة. نسبة س ج / س المبلغ المعلمة الرائقة الرئيسية التي تصف الظروف التجريبية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تم تصميم مزدوجة هندسة توليد مستحلب الموصوفة هنا لتقليد فيزياء الأجهزة الزجاج الشعرية 8. في هذه، يتم استخدام الزجاج الشعيرات الدموية أسطواني الانحياز لإنشاء طائرة المحورية ثلاث مراحل التي المنفصمة إلى موحدة قطرات مستحلب مزدوجة. وظيفة جهاز 3D PDMS لدينا تعتمد على محاذاة المركزية من الميزات الصغيرة شكلت مع 50 ميكرون تلفيق طويل القامة مع قنوات مرحلة الناقل التي هي 320 ميكرون في إجمالي الارتفاع. هناك إمكانية كبيرة للmisaligning الميزات أطول منقوشة بواسطة قناع الطبقة الثانية 2 في الخطوة 1.7 فيما يتعلق الهندسة طويل القامة 50 ميكرون إذا لم يتم محاذاة أقنعة بدقة. المحاذاة الصحيحة يمكن بمساعدة من تصميم علامات المحاذاة، مثل دوائر متحدة المركز إلى أقنعة يشترك تقع خلال الصور الزخرفة. الترابط البلازما من اثنين PDMS شطر من الجهاز هو العملية الثانية التي يمكن أن تؤدي إلى اختلالات كبيرة من الجهاز النهائي. الترابط البلازمامن PDMS لPDMS غير لحظية بشكل عام، وذلك في خطوة 2.4 وصفنا ترطيب سطح الجهاز مع الماء DI إلى إعاقة الترابط والسماح التلاعب بحيث يمكن السماح الإطارات المحاذاة هو مبين في الشكل 3A لقفل. إذا حاول ذلك من دون ترطيب كاف، فإن السطوح PDMS الرجعة السندات قبل مجيئه إلى المحاذاة الصحيحة، ويجب التخلص من الجهاز وPDMS قوالب جديدة الشأن.

تم تصميم الجهاز مستحلب مزدوجة للاستفادة من تقنيات التصنيع التي التي تؤدي إلى خصائص سطح مسعور موحد. ومع ذلك، العملية خارج المعلمات هو موضح في البروتوكول يتطلب بعض الفهم للعمليات الموائعية المطلوبة. A تقاطع المراحل الداخلية والوسطى (1D الشكل، أشر "1")، وتدفق عالية نسبيا من المرحلة الداخلية وانخفاض تدفق للمرحلة المتوسطة خلق طائرة مرحلتين، في المرحلة المتوسطة مسعور طلاء جدران القناة. إذايتم زيادة تدفق المتناسب للمرحلة المتوسطة، وتوليد منفصلة قطرات الماء في الزيت يبدأ أن يحدث، والقضاء على القدرة على تشكيل متماسكة طائرة من ثلاث مراحل لتشكيل قطرة في فوهة (1D الشكل، أشر "3" ). بعد توسيع قناة (1D الشكل، أشر "2")، وهي كمية كبيرة من الناقل تدفق المرحلة هو مطلوب لخلق فصل الهندسي بين المرحلة المتوسطة وجدران قناة مسعور. وتخفيضات في تدفق مرحلة الناقل يؤدي في نهاية المطاف إلى المرحلة المتوسطة ترطيب جدران الجهاز مسعور. تخفيضات كبيرة في تدفق مرحلة الناقل قد خلق ظروف تدفق التي هي غير كافية ليجز المراحل الداخلية إلى فترة طويلة، خيوط رقيقة، وبالتالي تغيير جذري في الفيزياء المزدوج تشكيل مستحلب الحبرية.

بني مرة واحدة، تم تصميم هذا الجهاز لإنتاج مستحلبات مزدوجة 14-50 ميكرون، وهو حجم مناسب للفرز باستخدام FACS التجاريةالصكوك. وإذا رغبت المستحلبات مزدوجة خارج هذا النطاق الحجم، تحتاج أبعاد فتحة لزيادتها من 50 ميكرون حجم × 50 ميكرون المستخدمة هنا. لأن الجهاز مصمم لانتاج المستحلبات مزدوجة المياه / النفط / الماء مع خصائص سطح مسعور موحد، يمكن المستحلبات مزدوجة النفط / الماء / النفط لم يخلق إلا إذا كان هناك علاج سطح تطبيقها لجعل الجهاز محبة للماء بشكل موحد.

هذا العمل يدل على وسيلة سهلة لصنع جهاز PDMS قادرة على تشكيل قوة من المستحلبات مزدوجة المياه / النفط / الماء. على الرغم من أن المحققين السابق وأفادت تشكيل المستحلبات مزدوجة في الأجهزة التي تم إنشاؤها باستخدام 3D الطباعة الحجرية 14،15، كانت المستحلبات مزدوجة تشكلت في أجهزتهم أقطار التي تم قياسها في 100s من ميكرون. يناسب الجهاز ذكرت هنا للانتاج المستحلبات مزدوجة أمر من حجم أصغر من ذلك، وتوفير كميات مماثلة لخلايا الثدييات ومناسبة تماما ليكون الترتيب بواسطة FACS.

على الرغم من أن هذه النتائج يمكن أيضا أن تتحقق باستخدام الزجاج على microfluidics الشعرية، تصنيع الأجهزة الزجاج هو شاقة وتتطلب العديد التدريب العملي على الخطوات لكل جهاز. لدينا جهاز كل PDMS وتصنيع تتألف في معظمها من صب، والترابط، وألواح الخبز PDMS، والعمليات التي هي بسيطة، يمكن تكرارها، وسهلة النطاق لأعداد كبيرة.

فائدة جهاز ملفقة lithographically لتوليد المستحلبات مزدوجة باستخدام تدفق محوري المشترك مع التركيز وقد تجلى. نأمل أن تلفيق واضحة وظائف قوية من هذا مزدوج مستحلب تصميم مولد ينبغي أن يؤدي إلى التكيف من أجل التطبيقات العلمية والصناعية. المحققون ردع من قبل المهارات المتخصصة اللازمة للعمل في microfluidics الزجاج الشعرية، ينبغي أن تكون أكثر راحة باستخدام PDMS الطباعة الحجرية الناعمة، والآن تقنية المختبرات المشتركة. وعلاوة على ذلك، فإن أحجام قطرات صغيرة التي يمكن أن تنتج هي مناسبة تماما لادائهام الخلية والمقايسات البيولوجية في قطرات، وتقدير والفرز باستخدام FACS. للتطبيقات الصناعية، وقد تم بالفعل ثبت أن هذه الأنواع من الأجهزة يمكن أن تكون ملفقة في المصفوفات وبشكل متوازي 10، مما مزدوجة معدلات توليد مستحلب لزيادة بأوامر من المقادير بالمقارنة مع جهاز واحد. وبالإضافة إلى ذلك، فإن القدرة على تشكيل المستحلبات مزدوجة صغيرة في تدفق التركيز قنوات المحورية الكبيرة يجب أن تجعل مقاومة للقاذورات وانسداد الجهاز، وهو أمر حاسم عندما parallelizing الأجهزة يعتزم الترشح لفترات طويلة دون تدخل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

وأيد هذا العمل من قبل على جائزة بحوث من معهد كاليفورنيا للالكمي العلوم البيولوجية (QB3)، وسد جائزة الفجوة من مؤسسة أسرة روجرز، و/ برنامج مؤسسة ساندلر UCSF لاختراق بحوث الطبية الحيوية، منحة من BASF، وجبهة الخلاص الوطني من خلال كلية المبكر التطوير المهني (الوظيفي) برنامج (DBI-1253293).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Photomasks CadArt Servcies
3" silicon wafers, P type, virgin test grade University Wafers 447
SU-8 3035 Microchem Y311074
SU-8 2050 Microchem Y111072
Sylgard 184 silicone elastomer kit Krayden 4019862
1 ml syringes BD 309628
10 ml syringes BD 309604
27 gaugue needles BD 305109
PE 2 polyethylene tubing Scientific Commodities, Inc. B31695-PE/2
Novec 7500 Fisher Scientific 98-0212-2928-5 Commonly knowns as HFE 7500
Biocompatable surfactant Ran Biotechnologies 008-FluoroSurfactant
35,000 MW PEG Sigma Aldrich 1546660
Tween 20 Sigma Aldrich P1369
Sodium dodecyl sulfate  Sigma Aldrich L3771

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics