Generación de tamaño controlado poli (etilenglicol) Diacrylate gotas vía Semi 3-Dimensional del flujo centrándose dispositivos microfluídicos
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para ilustrar los procesos de fabricación y verificar los experimentos de un semi-three-dimensional (semi-3D) enfoque flujo microfluídicos chip para la formación de gotas.
Abstract
Gotitas de diacrylate (PEGDA) uniforme y tamaño controlables poly (glicol de etileno) podrían ser producidas por el flujo que centra el proceso en un dispositivo de microfluidos. Este trabajo propone un semi-three-dimensional (semi-3D) enfoque flujo microfluídicos chip para la formación de gotas. El chip de polidimetilsiloxano (PDMS) se fabricó utilizando el método de litografía blanda en múltiples capas. Hexadecano que contiene surfactante se utilizó como fase continua, y PEGDA con el ultravioleta (UV) foto iniciador fue la fase dispersa. Tensioactivos permitieron la tensión de superficie local a y forman una punta más lobulada que se rompe en pequeñas gotitas de micro. Como constante la presión de la fase dispersa, el tamaño de las gotas se convirtieron en más pequeño con la creciente presión de la fase continua antes de la fase dispersa flujo fue interrumpido. Como resultado, gotas con variación de tamaño de 1 μm a 80 μm de diámetro podrían lograrse selectivamente cambiando el cociente de la presión en dos canales de entrada, y se estimó el coeficiente promedio de variación por debajo de 7%. Además, las gotas podrían convertirse en micro cuentas por la exposición Ultravioleta para foto polimerización. Conjugación de biomoléculas en tal superficie micro cuentas tienen muchas aplicaciones potenciales en los campos de la biología y la química.
Introduction
Sistemas microfluídicos basada en gotas tienen la capacidad de producir altamente monodispersa gotitas de nanómetros a micrómetro de diámetro rango1 y gran potencial en el alto rendimiento drogas discovery2, síntesis de biomoléculas3 ,4y el diagnóstico de pruebas5. Debido a las ventajas únicas de gotitas más pequeñas, como la mayor área superficial al cociente del volumen y las aplicaciones a gran escala con el consumo de unos pocos microlitros de muestra, la tecnología ha atraído interés extenso en una amplia gama de campos. La emulsificación de dos líquidos inmiscibles es uno de los métodos más típicos para generar gota. En informes anteriores en el campo, los investigadores han desarrollado una variedad de geometrías de la formación de gotas diferentes, incluyendo cruce, enfoque flujo y flujo Co geometrías. En la geometría del cruce, la fase dispersa se entrega a través de un canal de la perpendicular en el canal principal, en la que la fase continua fluye6,7. En la típica bidimensional (2D) enfoque flujo8,9 geometría, el flujo de la fase dispersa es esquilado de la lateral; y para el co que fluye geometría10,11, por el contrario, un capilar introducción el flujo de la fase dispersa se coloca co-axialmente dentro de un tubo capilar más grande para la geometría que fluye conjuntamente, para que el flujo de la fase dispersa es esquilado de todas las direcciones.
El tamaño de la gota se controla ajustando la proporción de la tasa del flujo y tamaño del canal, y el tamaño mínimo producido por el co que fluye o cruce se limita a decenas de micrómetros. Para flujo de enfoque sistema de formación de gotas, tres modos de desintegración de la gota forman ajustando la relación de presión de dos fases y la concentración de surfactante, incluyendo el goteo régimen, régimen que echa en chorro y streaming de punta15. Modo de transmisión punta también se llama formación del hilo de rosca y la aparición de un fino hilo sacar desde la punta del cono de flujo de la fase dispersa se observará. Estudios anteriores han demostrado gotas menos se podrían generar unos pocos micrómetros aunque streaming punta proceso en 2D o semi-3D enfoque flujo dispositivo8,12. Sin embargo, como una solución acuosa que contiene una concentración muy baja de PEGDA fue utilizada como la fase dispersa, el cociente de la contracción de las partículas PEGDA fue alrededor del 60% de las gotas originales de diámetro después de foto-polimerización, mientras PEGDA sin dilución como el fase dispersa condujo a inestable flujo punta modo12. Tensión interfacial es un parámetro importante del proceso de emulsión y disminuirá debido a la adición de tensioactivo en el líquido de fase continua, conduce a disminución en el tamaño de las gotas, mayor frecuencia de generación13, punta muy curvada, y prevención de la inestabilidad14. Además, cuando la concentración de surfactante a granel es mucho mayor que la concentración micelar crítica, la tensión interfacial es aproximadamente invariable en el estado saturado13 y el modo de transmisión punta puede ocurrir15.
Basado en las observaciones anteriores, en este trabajo, desarrollamos un enfoque simplista para la generación de gotitas PEGDA utilizando un semi-3D enfoque flujo microfluídicos dispositivo, fabricado por el método de litografía blanda en múltiples capas. Diferente del típico enfoque flujo dispositivo 2D, el dispositivo de enfoque de flujo de semi-3D tiene un canal poco profundo fase dispersa y un canal de fase profunda continua, para que la fase dispersa puede ser esquilada de arriba y abajo al lado lateral. Esto proporciona mayor rango de ajuste para modo de enfoque de flujo reduciendo la energía y la presión necesaria para la ruptura de la gota. A diferencia de la anterior informe12, la fase dispersa es puro PEGDAcontaining foto iniciador, asegurándose de que el cociente de la contracción de las partículas PEGDA es menor que 10%16; y la fase continua es la mezcla de hexadecano disolución con una concentración de alto bulto del surfactante no iónico a base de silicona. Gotas de tamaño controlable y uniformes fueron producidas por ajustar la relación de presión de dos fases. El diámetro de las gotitas cambia de 80 μm a 1 μm como la ruptura de la gota procesos de cambios de modo que echa en chorro a modo streaming de punta. Además, la partícula PEGDA fue sintetizada a través de proceso de foto polimerización bajo la exposición Ultravioleta. El sistema de microfluidos de generación de gotas con facilidad de la fabricación ofrecerá más posibilidades para aplicaciones biológicas.
Protocol
Representative Results
Discussion
La generación de gotitas en el modo de enfoque de flujo utilizando dispositivo microfluídico semi-3D y 2D se ha desarrollado previamente en una variedad de informes8,9,15,19,20, 21. En estos sistemas, el líquido acuoso que no puede ser solidificado fue elegido como la fase dispersa, como agua desionizada…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la investigación fundamental de Shenzhen financiación (subvención no. JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665 y JCYJ20160317152359560). Los autores desean agradecer Prof. Y. Chen en el Shenzhen institutos de tecnología de avanzada, Academia China de Ciencias para las ayudas.
Materials
| Silicon wafer | Huashi Co., Ltd | ||
| SU-8 2025, 2100 | Microchem Co. | Y111069 | |
| SU-8 developer | Microchem Co. | Y020100 | |
| Chromium mask | Qingyi Precision Mask Making Co., Ltd | ||
| polydimethylsiloxane(PDMS) | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) | Sigma | 26570-48-9 | |
| 2-hydroxy-40-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone | TCI | H1361-5G | photoinitiator |
| Hexadecane | Sigma | 544-76- 3 | |
| ABIL EM 90 | CHT | 144243-53-8 | surfactants |
| Rhodamine B | Aladdin | 81-88-9 | fluorescent dye |
| Spin Coater | |||
| Lithography machine | |||
| Automatic ointment agitator | Thinky | ARV-310 | |
| Oven | BluePard | ||
| Optical microscope | OLYMPUS | IX71 | |
| High-speed camera | Hamamatsu, Japan | ORCA-flash | |
| MAESFLO Microfluidic Fluid Control System | FLUIGENT | MFCS-EZ | |
| UV lamp | FUTANSI | 365 nm UV light, 8000 MW/CM2 |
References
- Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab on a chip. 8, 198-220 (2008).
- Xiao, Q., et al. Novel multifunctional NaYF4:Er3+,Yb3+/PEGDA hybrid microspheres: NIR-light-activated photopolymerization and drug delivery. Chemical communications. 49, 1527-1529 (2013).
- Pan, M., Kim, M., Blauch, L., Tang, S. K. Y. Surface-functionalizable amphiphilic nanoparticles for pickering emulsions with designer fluid-fluid interfaces. RSC Adv. 6, 39926-39932 (2016).
- Zhang, L., et al. Microfluidic synthesis of rigid nanovesicles for hydrophilic reagents delivery. Angewandte Chemie. 54, 3952-3956 (2015).
- Shembekar, N., Chaipan, C., Utharala, R., Merten, C. A. Droplet-based microfluidics in drug discovery, transcriptomics and high-throughput molecular genetics. Lab on a chip. 16, 1314-1331 (2016).
- Soh, G. Y., Yeoh, G. H., Timchenko, V. Numerical investigation on the velocity fields during droplet formation in a microfluidic T-junction. Chemical Engineering Science. 139, 99-108 (2016).
- Chiarello, E., Derzsi, L., Pierno, M., Mistura, G., Piccin, E. Generation of Oil Droplets in a Non-Newtonian Liquid Using a Microfluidic T-Junction. Micromachines. 6, 1825-1835 (2015).
- Moyle, T. M., Walker, L. M., Anna, S. L. Controlling thread formation during tipstreaming through an active feedback control loop. Lab on a chip. 13, 4534-4541 (2013).
- Moon, B. U., Abbasi, N., Jones, S. G., Hwang, D. K., Tsai, S. S. Water-in-Water Droplets by Passive Microfluidic Flow Focusing. Analytical chemistry. 88, 3982-3989 (2016).
- Zhu, P., Tang, X., Wang, L. Droplet generation in co-flow microfluidic channels with vibration. Microfluidics and Nanofluidics. , 20 (2016).
- Kim, S. H., Kim, B. Controlled formation of double-emulsion drops in sudden expansion channels. Journal of colloid and interface science. 415, 26-31 (2014).
- Jeong, W. C., et al. Controlled generation of submicron emulsion droplets via highly stable tip-streaming mode in microfluidic devices. Lab on a chip. 12, 1446-1453 (2012).
- Peng, L., Yang, M., Guo, S. S., Liu, W., Zhao, X. Z. The effect of interfacial tension on droplet formation in flow-focusing microfluidic device. Biomedical microdevices. 13, 559-564 (2011).
- Nunes, J. K., Tsai, S. S., Wan, J., Stone, H. A. Dripping and jetting in microfluidic multiphase flows applied to particle and fiber synthesis. J Phys D Appl Phys. , 46 (2013).
- Anna, S. L., Mayer, H. C. Microscale tipstreaming in a microfluidic flow focusing device. Physics of Fluids. 18, 121512 (2006).
- Liu, H., et al. Microfluidic synthesis of QD-encoded PEGDA microspheres for suspension assay. J. Mater. Chem. B. 4, 482-488 (2016).
- Richardson, W. H. Bayesian-based iterative method of image restoration. Journal of the Optical Society of America. 62, 55-59 (1972).
- Mukhopadhyay, P., Chaudhuri, B. B. A survey of Hough Transform. Pattern Recognition. 48, 993-1010 (2015).
- Ward, T., Faivre, M., Stone, H. A. Drop production and tip-streaming phenomenon in a microfluidic flow-focusing device via an interfacial chemical reaction. Langmuir: the ACS journal of surfaces and colloids. 26, 9233-9239 (2010).
- Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using “flow focusing” in microchannels. Applied Physics Letters. 82, 364 (2003).
- Kim, H., et al. Controlled production of emulsion drops using an electric field in a flow-focusing microfluidic device. Applied Physics Letters. 91, 133106 (2007).
- Dangla, R., Gallaire, F., Baroud, C. N. Microchannel deformations due to solvent-induced PDMS swelling. Lab on a chip. 10, 2972-2978 (2010).
- Chiu, Y. J., et al. Universally applicable three-dimensional hydrodynamic microfluidic flow focusing. Lab on a chip. 13, 1803-1809 (2013).
- Oh, K. W., Lee, K., Ahn, B., Furlani, E. P. Design of pressure-driven microfluidic networks using electric circuit analogy. Lab on a chip. 12, 515-545 (2012).
