זוגי אמולסיה דור שימוש בהתקן זרימת פוקוס Co-הצירית polydimethylsiloxane (PDMS)

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

תחליבים זוגיים מורכבים של טיפות הופרדו משלב מוביל בשכבת ביניים, immiscible נוזל, ויש בם עניין מיוחד בשל שימושיהם האפשריים בתעשייה, תרופות, ויישומים ביולוגיים ^1. במקרים מסוימים, היכולת לתמצת תרכובות ערך גבוהות בליבה של תחליב כפול מאפשרת חומר להיות מוגן ושוחרר באופן מבוקר. לדוגמא, תרופות עשויות להיות הגלומים בתנאי מסיסות אינה מתאימים למוביל הנוזל החיצוני ^2. בנוסף, שכבת שמן ביניים יכולה לשמש כתבנית לכמוסת אנקפסולציה והאספקה ​​של תרופות, מוצרי קוסמטיקה, וחומרים מזינים ^3. בביולוגיה, תחליבים כפולים שימושיים גם בהקרנת תפוקה גבוהה משום שהם מאפשרים מספר עצום של ניסויים תת-nanoliter להתבצע, אז זוהה ומסודר באמצעות תא הקרינה המופעל מיון מכשיר (FACS) ^4,5.

אף אוזן גרון "> העיצוב של תחליבים כפולים עם מאפייני ביצועים רצויים דורשת השליטה המדויקת של גודל כפול תחליב, הרכב, ואחידות. למרות תהליכי תחליב תפזורת, כגון תחליב קרום, המשמשים בתעשייה, התחליבים וכתוצאה מכך הם polydisperse ביותר, מציגים מגוון רחב של נכסים פונקציונליים ^1. תחום מיקרופלואידיקה רביב הוא באופן טבעי מתאים לדור של תחליבי monodisperse עם הרכב מבוקר בקפידה ^6. דור תחליב הכפול Microfluidic הושג עם שתי אסטרטגיות עיקריות, קבלת ירידה רציפה וזרימת נימי זכוכית התמקדות. תחליבים זוגיים יכולים להיות שנוצר במכשירי PDMS מישוריים באמצעות ירידה דו-שלבי תהליך קבלת. ראשית, מימיים בשמן תחליבים נוצרים באמצעות אזור של מכשיר עם קירות ערוץ הידרופובי קבלת ירידה. הבא מים בשמן, התחליב יכול להיות זרם או reinjected לאזור קבלת טיפה עם קירות הידרופילי המתאימים לנפט במים⁴ קבלת לרדת. עם זאת, טיפול במשטח הידרופילי של PMDS דורש צעד ייצור נוסף ולעתים קרובות זמני ^7. השיטה לשליטה והדיר ביותר ליצירת תחליבים כפולים היא על ידי זרימת שיתוף צירי התמקדות, טכניקה חלוצה באמצעות מיקרופלואידיקה נימי זכוכית, לפי סילון קונצנטריים המכיל שלושה השלבים הוא טעון דרך פתח קטן לייצור טיפות monodisperse ^8. טכניקה זו מאפשרת לייצור טיפות קטנות בהרבה מממדי הערוץ, עם הגודל והרכב המדויקים של התחליב הכפול להיות פונקציה של שיעורי הזרימה של כל שלב. ההבדל הגדול בין אגל וגודל ערוץ וזרימת הנדן החיצוני המגנה מונע טיפות מיצירת קשר עם קירות הערוץ, טיוח טיפול שטח מיותר. עם זאת, מכשירי זכוכית מסוג זה מחייבים ייצור מותאם אישית של טיפים נימים מחודדים, יחד עם הרכבה ואיטום זהירים. חוקרים קודמים השתמשו litho הרך 3Dגרפיה לייצר תחליבים כפולים באמצעות זרימת התמקדות בפיסיקה, אבל המכשירים האלה מיוצרים בקטרים ​​תחליבים> 150 מיקרומטר ^9,10, בערך בסדר גודל גדול יותר מאובייקטים בדרך כלל מסודרים עם FACS. חלופה אטרקטיבית תכלול את הפונקציונליות החזקה ודור אגל קטן של זרימה קואקסיאליים נימי זכוכית מתמקדת בקלות של ייצור ליתוגרפיה הרכה PDMS.

במאמר זה, אנו מתארים גנרטור תחליב כפול המשתמש בזרימת שיתוף צירי התמקדות לייצר ≤ 50 מיקרומטר תחליבים והוא בנוי כולו באמצעות 3D הרך ליתוגרפיה ^11. המכשיר שלנו משתמש בגישת צדפה לפברק מכשירים הכוללים ערוץ קטן גז (איור 1) כדי להתקרב לתהליכי היווצרות תחליב בזרבובית זכוכית משך נימים. יותר מכך, התקנים אלה לא דורשים טיפול משטח ספציפי, ובניית כל הפולימר מספקת sc ייצור קל והדירalable למספר רב של מכשירים כפולים. כאן, אנו מתארים את העיצוב, ייצור, ובדיקה של גנרטור הכפול התחליב. דור תחליב זוגי מוצג להיות חזק ודיר אל קטרי טיפה של 14 מיקרומטר. הצימוד של פונקציונליות עם קלות הייצור הופך מכשיר זה אופציה מושכת עבור פיתוח של יישומי תחליב כפולים חדשים.

Protocol

ייצור מאסטר 1. SU8 עיצוב מבני microfluidic לשני ייצור שכבה באמצעות תוכנת AutoCAD ויש עיצובים מודפסים על ידי ספק בסרט המעגלים עם 10 מיקרומטר רזולוציה. הפרטים של עיצוב מכשיר ניתנים בהתייחסות מצורף 11 וגיאומטריות הערוץ מוצגות <s…

Representative Results

גנרטור הכפול התחליב מורכב ממכשיר זרימת התמקדות שיתוף צירי נוצר באמצעות ייצור 3D PDMS (איור 1 א). הגיאומטריה מאפשרת היווצרות של סילון שיתוף צירי שלושה שלבים ללהיות טעון לתוך כיכר, 50 מיקרומטר x 50 מיקרומטר פתח, המאפשרת ההיווצרות של תחליבים כפולים ?…

Discussion

הגיאומטריה מניבת תחליב הכפולה המתוארת כאן נועדה לחקות את הפיזיקה של התקני נימי זכוכית ^8. באלה, נימי זכוכית גליליות מיושר משמשות ליצירת סילון קואקסיאליים שלושה שלב שהוא טעון לטיפי תחליב כפולות אחידות. הפונקציה של מכשיר 3D PDMS תלויה ביישור של תכונות קטנות שנוצרו ע?…

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