Generación de doble emulsión utilizando un flujo Focus Dispositivo de polidimetilsiloxano (PDMS) Co-axial

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

Emulsiones dobles consisten en gotas separadas de una fase de la portadora por una capa de fluido intermedio, inmiscibles, y son de particular interés debido a sus usos potenciales en industrial, farmacéutica y aplicaciones biológicas ^1. En algunos casos, la capacidad de encapsular compuestos de alto valor en el núcleo de una emulsión doble permite el material a ser protegido y se libera de una manera controlada. Por ejemplo, los fármacos pueden encapsularse en condiciones de solubilidad no es apropiado para el fluido portador externo ^2. Además, la capa de aceite intermedio se puede utilizar como una plantilla cápsula para la encapsulación y la entrega de medicamentos, cosméticos, nutrientes y ^3. En biología, emulsiones dobles son también útiles en el cribado de alto rendimiento debido a que permiten un número masivo de experimentos sub-nanolitros a llevarse a cabo, a continuación, detecta y ordenadas utilizando una célula activada por fluorescencia (FACS) instrumento ^4,5.

ent "> El diseño de las emulsiones dobles con características de rendimiento deseadas requiere el control preciso del tamaño de emulsión doble, la composición y uniformidad. Aunque los procesos de emulsificación a granel, tales como emulsificación de membrana, se utilizan en la industria, las emulsiones resultantes son altamente polidispersa, que presenta una amplia variedad de propiedades funcionales ^1. El campo de la microfluídica gotita se adapta naturalmente la generación de emulsiones monodispersas con la composición cuidadosamente controlada ^6. Microfluidic generación de doble emulsión se ha logrado con dos estrategias principales, toma de gota secuencial y de flujo capilar de vidrio de enfoque. emulsiones dobles pueden pueden generar en dispositivos PDMS planas utilizando una gota de dos pasos de decisiones. En primer lugar, acuosa-en-aceite emulsiones se crean utilizando una emulsión agua-en-aceite gota de decisiones región de un dispositivo con paredes de los canales hidrófobas. A continuación, la emulsión puede ser fluido o reinyectado en una región gota de decisiones con paredes hidrófilas adecuadas para aceite en aguacaer de decisiones ^4. Sin embargo, el tratamiento de superficie hidrófila de PMDS requiere un paso adicional de fabricación y es a menudo temporal ^7. El método más controlable y repetible para formar emulsiones dobles es por el flujo de co-axial de enfoque, una técnica pionera en el uso de la microfluídica capilar de vidrio, mediante el cual un chorro concéntrica que contiene las tres fases se cizalla a través de un pequeño orificio para producir gotas monodispersas ^8. Esta técnica permite la producción de gotitas mucho más pequeñas que las dimensiones del canal, con el tamaño preciso y composición de la emulsión doble es una función de los caudales de cada fase. La gran diferencia entre las gotitas y el tamaño del canal y el flujo de vaina externa de protección evita que las gotas entren en contacto con las paredes del canal, lo que hace innecesario el tratamiento de superficies. Sin embargo, este tipo de dispositivos de cristal requieren fabricación personalizada de consejos capilares cónicos, además de cuidado montaje y sellado. Anterior investigadores han utilizado litografía blanda 3Dgrafía para generar emulsiones dobles utilizando flujo centrándose la física, pero estos dispositivos produce emulsiones con diámetros> 150 micras ^9,10, aproximadamente un orden de magnitud mayor que los objetos normalmente ordenados con FACS. Una alternativa atractiva incluiría la funcionalidad robusta y pequeña generación de gotitas de capilar de vidrio de flujo coaxial de enfoque con la facilidad de fabricación de PDMS litografía blanda.

En este trabajo se describe un generador de emulsión doble que utiliza coaxial flujo de enfoque para producir ≤ 50 micras emulsiones y está construido enteramente usando litografía blanda 3D ^11. Nuestro dispositivo utiliza un enfoque de la cubierta para la fabricación de dispositivos que incluye un canal de cizallamiento pequeño (Figura 1) para aproximarse a los procesos de formación de emulsión en una boquilla capilar de vidrio desmenuzado. Más importante aún, estos dispositivos no requieren tratamiento superficial específica, y la construcción de todo polímero proporciona fácil y repetible sc fabricaciónalable a un gran número de dispositivos duplicados. Aquí, se describe el diseño, fabricación y pruebas del generador de doble emulsión. Generación de doble emulsión se demuestra que es robusto y repetible hacia abajo para diámetros de las gotitas de 14 micras. El acoplamiento de la funcionalidad con la facilidad de fabricación hace que este dispositivo una opción atractiva para el desarrollo de nuevas aplicaciones de emulsión doble.

Protocol

1. SU8 Fabricación Maestro Diseñar las estructuras de microfluidos para dos fabricación capa utilizando el software AutoCAD y tienen los diseños impresos por un proveedor en la película placa de circuito con 10 micras de resolución. Los detalles de diseño del dispositivo se dan en una referencia vinculada 11 y las geometrías de canal se muestran en la Figura 1. Las capas deben incluir marcas de alineación para ayudar collocate características de cada capa de la fabricaci?…

Representative Results

El generador de emulsión doble se compone de un dispositivo de enfoque de flujo co-axial creado usando la fabricación 3D PDMS (Figura 1A). La geometría permite que la formación de un chorro de co-axial de tres fases para ser cortado en un cuadrado, 50 micras x 50 micras orificio, permitiendo la formación de agua / aceite / agua emulsiones dobles (Figura 1B, Figura 1C). La fase acuosa interna y la fase aceite intermedio se juntan en …

Discussion

La geometría de generación de emulsión doble se describe aquí está diseñado para imitar la física de los dispositivos capilares de vidrio ^8. En estos, capilares de vidrio cilíndricos alineados se utilizan para crear un chorro coaxial tres fases que se cizalla en gotitas de emulsión dobles uniformes. La función de nuestro dispositivo 3D PDMS es dependiente de la alineación central de pequeñas características formadas con 50 micras de fabricación de altura con canales de fase de portadora que son …

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