Summary

Dubbele Emulsion Generation Met een Polydimethylsiloxaan (PDMS) Co-axiale Flow Focus Device

Published: December 25, 2015
doi:

Summary

Microfluidic double emulsions generation typically involves devices with patterned wettability or custom-fabricated glass components. Here we describe the fabrication and testing of an all polydimethylsiloxane (PDMS) double emulsion generator that does not require surface treatment or complicated fabrication processes, and is capable of producing double emulsions down to 14 µm.

Abstract

Double emulsions are useful in a number of biological and industrial applications in which it is important to have an aqueous carrier fluid. This paper presents a polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic device capable of generating water/oil/water double emulsions using a coaxial flow focusing geometry that can be fabricated entirely using soft lithography. Similar to emulsion devices using glass capillaries, double emulsions can be formed in channels with uniform wettability and with dimensions much smaller than the channel sizes. Three dimensional flow focusing geometry is achieved by casting a pair of PDMS slabs using two layer soft lithography, then mating the slabs together in a clamshell configuration. Complementary locking features molded into the PDMS slabs enable the accurate registration of features on each of the slab surfaces. Device testing demonstrates formation of double emulsions from 14 µm to 50 µm in diameter while using large channels that are robust against fouling and clogging.

Introduction

Dubbele emulsies bestaan ​​uit druppels gescheiden van een dragerfase met een tussenliggende, niet mengbare vloeistoflaag en zijn van bijzonder belang vanwege hun potentiële toepassingen in industriële, farmaceutische en biologische toepassingen 1. In sommige gevallen, het vermogen om hoogwaardige verbindingen in te kapselen in de kern van een dubbele emulsie stelt te beschermen materiaal en vrijgegeven op een gecontroleerde manier. Bijvoorbeeld kunnen geneesmiddelen worden ingekapseld onder oplosbaarheid omstandigheden niet geschikt voor de uitwendige dragerfluïdum 2. Bovendien kan de tussenlaag olielaag worden gebruikt als een capsule sjabloon voor het inkapselen en de aflevering van geneesmiddelen, cosmetica en voedingsmiddelen 3. In de biologie, dubbele emulsies zijn ook bruikbaar in high throughput screening, omdat ze toestaan ​​dat een groot aantal sub-nanoliter experimenten uit te voeren, daarna gedetecteerd en gesorteerd met behulp van een fluorescentie-geactiveerde celsortering (FACS) instrument 4,5.

ent "> Het ontwerp van de dubbele emulsies met de gewenste prestatiekenmerken vereist de nauwkeurige controle van de dubbele emulsie omvang, de samenstelling en uniformiteit. Hoewel bulk emulgatie procedures, zoals membraan emulgeren, worden gebruikt in de industrie, de resulterende emulsies zeer polydisperse, vertoont een uiteenlopende functionele eigenschappen 1. Het gebied van druppel microfluïdische is die passen het genereren van monodisperse emulsies met zorgvuldig gecontroleerde samenstelling 6. microfluïdische dubbele emulsie generatie is bereikt met twee hoofdstrategieën, opeenvolgende daling maken en glazen capillaire stroming gericht. Double emulsies gegenereerd in vlakke PDMS inrichtingen via een tweestaps druppel vormingsproces. Eerst waterig-in-olie emulsies gemaakt met een water-in-olie-druppel waardoor gebied van een apparaat met hydrofobe kanaalwanden. Vervolgens kan de emulsie stroomde of opnieuw geïnjecteerd in een druppel die regio met hydrofiele muren geschikt voor olie in waterdrop-maken 4. Echter, hydrofiele oppervlaktebehandeling van PMDS vereist een extra fabricagestap en vaak tijdelijk 7. De meest controleerbare en reproduceerbare werkwijze dubbele emulsies is door co-axiale scherpstellen, een techniek pionier behulp glascapillair microfluïdische, waarbij een concentrische straal die de drie fasen wordt afgeschoven door een kleine opening om monodisperse druppels 8 te produceren. Deze techniek maakt de productie van druppeltjes veel kleiner dan de afmetingen kanaal, waarbij de exacte omvang en samenstelling van de dubbele emulsie een functie is van het debiet van elke fase. Het grote verschil tussen de druppel en kanaal grootte en de beschermende buitenmantel stroom voorkomt druppeltjes in contact komen het kanaal muren, waardoor oppervlaktebehandeling overbodig. Echter, zoals glas apparaten vereisen aangepaste fabricage van taps toelopende capillaire tips, samen met een zorgvuldige montage en afdichting. Vorige onderzoekers hebben 3D zachte litho gebruiktgraphy dubbele emulsies gebruikt stroming gericht natuurkunde genereren, maar deze apparaten geproduceerd emulsies met een diameter> 150 um 9,10, ruwweg een orde van grootte groter dan objecten kenmerkend gesorteerd met FACS. Een aantrekkelijk alternatief zou het robuuste functionaliteit en kleine druppel generatie glazen capillaire stroming coaxiaal gericht met het gemak van vervaardiging van PDMS zachte lithografie bevatten.

In dit artikel beschrijven we een dubbele emulsie generator die gebruik maakt van co-axiale richten voor de productie van ≤ 50 micrometer emulsies en is gebouwd volledig met behulp van 3D zachte lithografie 11. De inrichting gebruikt een clamshell benadering apparaten die een kleine afschuiving kanaal (figuur 1) aan de emulsievorming processen benaderen in een getrokken glazen capillair mondstuk fabriceren. Wat nog belangrijker is, deze apparaten vereisen geen specifieke oppervlaktebehandeling en de alle polymeer constructie biedt eenvoudige en herhaalbare fabricage scalable een groot aantal dubbele apparaten. Hier schetsen we het ontwerp, de fabricage en het testen van de dubbele emulsie generator. Dubbele emulsie generatie weergegeven robuust en herhaalbaar beneden naar druppel diameter van 14 urn te zijn. De koppeling van de functionaliteit met gemak van fabricage maakt dit apparaat een aantrekkelijke optie voor de ontwikkeling van nieuwe dubbele emulsie toepassingen.

Protocol

1. SU8 Master Fabrication Het ontwerp van de microfluïdische structuren voor twee lagen fabricage met behulp van AutoCAD-software en hebben de ontwerpen gedrukt door een verkoper op printplaat film met 10 micrometer resolutie. De details van inrichting ontwerp worden gegeven in een aangrenzende referentie 11 en het kanaal geometrieën zijn weergegeven in figuur 1. De lagen moeten bevatten uitrichtkenmerken om legeren features uit elke fabricage laag 12….

Representative Results

De dubbele emulsie generator bestaat uit een co-axiale focusseerinrichting gemaakt met behulp van 3D-PDMS fabricage (Figuur 1A). De geometrie maakt dat de vorming van een driefasig coaxiaal jet wordt afgeschoven in een vierkant, 50 um x 50 urn openingen, waardoor de vorming van water / olie / water emulsies double (figuur 1B, figuur 1C). De inwendige waterige fase en de oliefase middelste samengebracht bij een verbinding met kanaalafmeti…

Discussion

De dubbele emulsie genererende geometrie beschreven is ontworpen om de fysica van glazen capillaire inrichtingen 8 nabootsen. In deze, zijn afgestemd cilindrische glazen capillairen gebruikt om een ​​driefase coaxiale jet die wordt geschoren in uniform dubbele emulsiedruppeltjes creëren. De functie van onze 3D PDMS inrichting afhankelijk van de centrale lijn van kleine elementen gevormd met 50 micrometer lang fabricage met draaggolffase kanalen die 320 urn totale hoogte. Er is een significant potentieel …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd ondersteund door een Research Award van het California Institute for Quantitative Biosciences (QB3), het Bridging the Gap Award van de Rogers Family Foundation, de UCSF / Sandler Stichting Programma voor Doorbraak Biomedical Research, een subsidie ​​van BASF, en het NSF door middel van de Faculteit Early Career Development (LOOPBAAN) Program (DBI-1253293).

Materials

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

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. , 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).
check_url/cn/53516?article_type=t

Play Video

Cite This Article
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).

View Video