ضعف مستحلب الجيل باستخدام Polydimethylsiloxane (PDMS) المشارك المحوري تدفق التركيز الأجهزة
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
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.
Protocol
Representative Results
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 ?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 |
Referencias
- 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).
