Двухместный Эмульсия поколения Использование Полидиметилсилоксан (PDMS) Коаксиальная Поток Фокус устройства
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
Двойные эмульсии состоят из капелек, отделенных от фазы несущей промежуточной несмешивающихся слоя жидкости, и представляют особый интерес из-за их потенциальных применений в промышленных, фармацевтических и биологических приложений 1. В некоторых случаях, способность инкапсулировать высокомолекулярных соединений значение в ядре двойной эмульсии в материал позволяет быть защищены и выпущен в контролируемым образом. Например, лекарственные средства могут быть инкапсулированы в условиях растворимости не подходит для внешнего жидкости-носителе 2. Кроме того, промежуточный слой масло можно использовать в качестве шаблона для капсулы инкапсуляции и доставки лекарств, косметики и питательных веществ 3. В биологии, двойные эмульсии полезны также при высокопроизводительного скрининга, поскольку они позволяют массовый количество суб-нанолитровых экспериментов, которые будут проводиться, то обнаруживается, и сортируются с помощью флуоресцентного активированного сортировки клеток (FACS) инструмент 4,5.
ENT "> Конструкция двойных эмульсий с желаемыми рабочими характеристиками требует точного контроля двойного размера эмульсии, состава и однородности. Несмотря на то, сыпучие процессы эмульгирования, такие как мембраны эмульгирования, используются в промышленности, в результате эмульсии обладают высокой полидисперсных, демонстрируя Широкий выбор функциональных свойств 1. Поле капель микрофлюидики естественно подходит поколение монодисперсных эмульсий с тщательно контролируемым составом 6. Микрожидкостных дважды поколение эмульсия была достигнута с двумя основными стратегиями, делая последовательный падение и потока стеклянный капилляр фокусировки. Двойные эмульсии могут генерироваться в плоских PDMS устройств, использующих двухступенчатую падение решений. Во-первых, водно-в-масле создаются с использованием типа вода-в-масле падение решений область устройства с гидрофобными стенками канала. Далее, эмульсия может быть текла или закачиваться в раскрывающемся решений регионе с гидрофильными стен подходят для масла в водепадение решений 4. Однако, гидрофильные обработка поверхности PMDS требует дополнительной стадии изготовления и часто временный 7. Наиболее управляемым и воспроизводимым способом образовывать двойные эмульсии является соосным поток фокусировки, метод впервые использованием стекл нного капилл микрофлюидики, в результате чего концентрический струи, содержащий три фазы сдвигается через небольшое отверстие, чтобы произвести монодисперсных капель 8. Этот метод позволяет для производства капель значительно меньше, чем размеры каналов, с точным размером и составом двойной эмульсии является функцией скорости потока каждой фазы. Большое различие между каплей и размера канала и защитного наружного кожуха предотвращает поток капель от контакта стенок канала, что делает ненужным обработку поверхности. Тем не менее, такие стеклянные приборы требуют специального изготовления конических советы капиллярных, наряду с тщательной сборки и герметизации. Предыдущие исследователи использовали 3D мягкую литографиюграфии для создания двойных эмульсий, используя поток фокусировки физику, но эти устройства производятся эмульсии с диаметром> 150 мкм 9,10, примерно на порядок больше, чем обычно, отсортированных объектов с FACS. Привлекательной альтернативой будет включать надежную функциональность и малой генерации капель стеклянной капиллярной коаксиального потока фокусировки с легкостью производства PDMS мягкой литографии.В этой статье мы опишем, двойной эмульсии генератор, который использует коаксиальный поток фокусировки для получения ≤ 50 мкм эмульсий и построен полностью с помощью 3D мягкую литографию 11. Наше устройство использует раскладушка подход изготовить устройства, которые включает в себя небольшой сдвига канала (рисунок 1) для аппроксимации процессов формирования эмульсии в вытащил стекло капиллярного сопла. Более того, эти устройства не требуют специального лечения поверхности, и все полимеры конструкция обеспечивает легкий и повторяемость изготовления подкожноalable к большому количеству одинаковых устройств. Здесь мы приводим дизайн, изготовление и тестирование генератора двойной эмульсии. Двухместный поколение эмульсия показано, надежный и повторяемый до диаметра капель от 14 мкм. Сочетание функциональности с легкостью изготовления делает это устройство привлекательным вариантом для развития новых двойных приложений эмульсии.
Protocol
Representative Results
Discussion
Двойной геометрия эмульсии генерирующая описано здесь предназначен для имитации физики стекло капиллярных устройств 8. В них, стеклянные капилляры выровнены цилиндрические используются для создания трехфазного коаксиального струи, что сдвигается на одинаковые капель двойной …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана премии исследований в Калифорнийском институте количественных биологических наук (QB3), в преодолении разрыва премии от Rogers Family Foundation, программы Фонда UCSF / Сандлер для прорыва биомедицинских исследований, грант от компании BASF, и NSF через Факультет раннего развития карьеры (Карьера) Программа (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
- 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).
- 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).
- 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).
- Lim, S. W., Abate, A. R. Ultrahigh-throughput sorting of microfluidic drops with flow cytometry. Lab Chip. 13 (23), 4563-4572 (2013).
- 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).
- Seemann, R., Brinkmann, M., Pfohl, T., Herminghaus, S. Droplet based microfluidics. Rep. Prog. Phys. 75 (1), 016601 (2012).
- 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).
- 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).
- Chang, F. C., Su, Y. C. Controlled double emulsification utilizing 3D PDMS microchannels. J. Micromech. Microeng. 18 (6), 065018 (2008).
- 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).
- Tran, T. M., Cater, S., Abate, A. R. Coaxial flow focusing in poly(dimethylsiloxane) microfluidic devices. Biomicrofluidics. 8 (1), 016502 (2014).
- . Lithography Available from: https://www.memsnet.org/mems/processes/lithography.html (2015)
- O’Donovan, B., Eastburn, D. J., Abate, A. R. Electrode-free picoinjection of microfluidic drops. Lab Chip. 12 (20), 4029-4032 (2012).
- Chang, F. C., Lin, H. H., Su, Y. C. Controlled W/O/W double emulsification in 3-D PDMS micro-channels. , 792-795 (2008).
- 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).
