Generation av storlek-kontrollerade Poly (etylenglykol) Diacrylate droppar via Semi-3-dimensionell Flow fokuserar mikroflödessystem enheter
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att illustrera den tillverkning processer och verifiera experiment av en semi-three-dimensional (semi-3D) flöde-fokus mikroflödessystem chip för droplet bildandet.
Abstract
Enhetlig och storlek-kontrollerbara poly (etylenglykol) diacrylate (PEGDA) droppar skulle kunna produceras via flödet fokuserar processen i en mikroflödessystem enhet. Detta papper föreslår en semi-three-dimensional (semi-3D) flöde-fokus mikroflödessystem chip för droplet bildandet. Polydimetylsiloxan (PDMS) chip var fabricerade med hjälp av flera lager mjuk litografi-metoden. Hexadecane innehållande tensid användes som den kontinuerliga fasen och PEGDA med ultraviolett (UV) foto-initiativtagaren var spridda fasen. Ytaktiva ämnen tillåtna lokala ytspänningen att släppa och bildade en mer cusped spets som främjade bryta i små mikro-droppar. Eftersom trycket av spridda fas var konstant, blev storleken på dropparna mindre med ökande kontinuerlig fas trycket före spridda fas flöde bröts. Som ett resultat, droppar med variation i storlek från 1 µm till 80 µm i diameter selektivt kunde uppnås genom att ändra tryckförhållandet i två inlopp kanaler, och den genomsnittliga variationskoefficienten uppskattades till under 7%. Dessutom kan droppar förvandlas till mikro-pärlor av UV-exponering för foto-polymerisation. Konjugera biomolekyler på sådan mikro-pärlor yta har många potentiella tillämpningar inom biologi och kemi.
Introduction
Droplet-baserade mikroflödessystem system har förmågan att producera mycket monodisperse droppar från nanometer till mikrometer diameter utbud1 och håll stor potential i hög genomströmning drug discovery2, syntesen av biomolekyler3 ,4, och diagnostiken testning5. På grund av de unika fördelarna med mindre droppar, såsom de större yta att volymförhållandet och de storskaliga tillämpningar med konsumera några mikroliter av provet, har tekniken rönt stort intresse inom ett brett fält. Emulgering av två icke blandbara vätskor är en av de mest typiska metoderna att skapa droplet. I tidigare rapporter i fältet, har forskare utvecklat en mängd olika droplet bildandet geometrier, inklusive t-korsning, flöde-fokus och samtidig flyter geometrier. I t-korsning geometrin levereras den spridda fas genom en vinkelrät kanal in den främsta kanalen, där den kontinuerliga fasen flödar6,7. I typiska tvådimensionell (2D) flöde-fokus8,9 geometrin, är spridda fas flödet klippt från lateralen; och för samtidig flödande geometri10,11, däremot, en kapillär införa spridda fas flödet är placerad co-axiellt inuti en större kapillär för samtidig flödande geometri, så att spridda fas flödet är klippt från alla riktningar.
Droppstorlek styrs genom att justera kanal storlek och flöde kvoten, och den minsta storleken som produceras av co rinner eller t-korsning är begränsad till dussintals mikrometrar. För flöde-fokus droplet bildning system, bilda tre lägen av droplet upplösning genom att justera tryckförhållandet mellan två faser och ytaktivt ämne koncentration, inklusive droppande regim, jetting regim och tip-streaming15. Tip-streaming-läge kallas också tråd bildas och utseendet av en tunna tråden drar ut från toppen av spridda fas flöde kon kommer att iakttas. Tidigare studier har visat droppar mindre än några mikrometer kan genereras om tip-streaming processen i 2D eller semi-3D flow-fokus enhet8,12. En vattenlösning som innehåller en mycket låg koncentration av PEGDA användes som fasen spridda, krympning förhållandet av PEGDA partiklar var dock ca 60% av de ursprungliga dropparna i diameter efter foto-polymerisation, medan PEGDA utan utspädning som den spridda fas ledde till instabila tip-streaming läge12. Gränsskiktsspänning är en viktig parameter för emulsion process och det kommer att minska på grund av tillägg av tensiden i kontinuerlig fas vätskan, vilket leder till minskad droppstorlek, högre generation frekvens13, mycket böjd spets, och att förebygga instabilitet14. Dessutom när bulk tensid koncentrationen är mycket högre än den kritiska micelle, gränsskiktsspänning är ungefärligt oföränderlig i mättade staten13 och de tip-streaming-läget kan uppstå15.
Baserat på ovanstående observationer, i detta papper, utvecklat vi en lättköpt strategi för PEGDA droppar generation med en semi-3D flow-fokus mikroflödessystem enhet, tillverkad av flera lager mjuk litografi metod. Skiljer sig från typiska 2D flöde-fokus enheten, semi-3D flöde-fokus enheten har en ytlig spridda fas-kanal och en djupt kontinuerlig fas kanal, så att den spridda fasen kan vara klippt från upp och ner bredvid i sidled. Detta ger större Justeringsintervallet för flöde-fokus-läget genom att minska energi- och trycket krävs för droplet uppbrottet. Skiljer sig från de föregående rapport12, den spridda fasen är ren PEGDAcontaining foto-initiativtagare, se till att förhållandet krympning av PEGDA partiklar är lägre än 10%16; och den kontinuerliga fasen är blandningen av hexadecane upplösning med en hög bulk koncentration av den silikonbaserat icke-jonaktivt ytaktivt ämnen. Storlek-kontrollerbara och enhetlig droppar producerades genom att justera tryckförhållandet mellan två faser. Diametern på droppar ändras från 80 µm till 1 µm som droplet upplösningen bearbetar ändringar från jetting läge tip-streaming-läge. Dessutom var PEGDA partikeln syntetiseras genom foto-polymerisation process under UV-exponering. Droplet generation mikroflödessystem systemet med lätthet av tillverkning kommer att ge fler möjligheter för biologiska applikationer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Generering av droppar i flöde-fokus-läget använder 2D och semi-3D mikroflödessystem enhet har tidigare utvecklats i en mängd rapporter8,9,15,19,20, 21. I dessa system valdes den aqueous vätska som inte kunde vara stelnat den spridda fasen, såsom avjoniserat vatten8,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av Shenzhen grundläggande forskningen finansiering (Grant nr. JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665 och JCYJ20160317152359560). Författarna vill tacka Prof. Y. Chen vid Shenzhen institut of Advanced Technology, kinesiska vetenskapsakademin för stöder.
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).
