Bir Polidimetilsiloksan (PDMS) Koaksiyel Akış Odak Aygıtı Kullanma Çift Emülsiyon Üretimi
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
Çift emülsiyonlar nedeniyle, endüstriyel, ilaç potansiyel kullanımı ve biyolojik uygulamalarda 1 bir ara, karışmayan sıvı tabaka ile, bir taşıyıcı faz ayrılır damlacıklarının oluşur ve özellikle ilgi çekicidir. Bazı durumlarda, çift emülsiyonun iç değeri yüksek bileşikleri kapsüllemek yeteneği malzemesi korunması ve kontrollü bir şekilde serbest kalmasını sağlar. Örnek vermek gerekirse, dış taşıyıcı akışkan 2 için uygun değildir çözünürlük koşullar altında kapsüllenebilir. Buna ek olarak, ara-ürün yağ tabakası ilaç, kozmetik, ve besin 3 kapsüllenmesi ve dağıtımı için bir kapsül şablon olarak kullanılabilir. Bunlar alt nanoliter deneylerin büyük bir sayı daha sonra, yürütülen algılanabilir ve (FACS) aleti 4,5 sıralama bir floresan-aktive edilmiş hücre kullanarak kriteri izin için biyolojide çift emülsiyonlar, ayrıca yüksek verimli tarama teknikleri de yararlıdır.
ent "> istenen performans özellikleri ile çift emülsiyonlar tasarımı çift emülsiyon boyutu, kompozisyonu ve tekdüzelik hassas kontrolünü gerektirir. Böyle zar emülsifikasyonu olarak toplu emülsifikasyon süreçleri, sanayide kullanılmasına rağmen, ortaya çıkan emülsiyonlar, son derece polidispers olduğu bir sergileme işlevsel özellikleri 1. çeşitli. damlacık Mikroakiskan alan doğal dikkatle kontrol kompozisyon 6 monodispers emülsiyonlar nesil uygundur. Mikroakışkan çift emülsiyon üretimi odaklanan iki ana stratejiler, sıralı damla yapma ve cam kılcal akışı ile elde edilmiştir. Çift emülsiyonlar can verme süreci, iki aşamalı bir düşüş ile düzlemsel PDMS cihazlar üretilebilir. İlk olarak, sulu bir yağ-içinde-su emülsiyonları, bir yağ-içinde-açılan verme hidrofobik kanal duvarları ile bir cihazın bölgesi. İleri kullanılarak oluşturulur, emülsiyon olabilir akıyordu ya da su içinde yağ için uygun hidrofil duvarlı bir damla yapma bölgeye tekrar enjektedamla yapma 4. Bununla birlikte, pmds hidrofilik yüzey işlemi ek bir üretim aşamasını gerektirmekte ve 7 geçici genellikle. Çift emülsiyonlar oluşturmak için en kontrollü ve tekrarlanabilir bir yöntem eş eksenel akış odaklanarak olduğunu bir tekniktir üç faz içeren bir konsantrik jet monodispers damlacıklar 8 üretmek için küçük bir delikten makaslanmış sayede cam kılcal mikroakışkanları kullanarak öncülük etmiştir. Bu teknik, her fazının akış oranlarının bir fonksiyonu olduğu, çift emülsiyon kesin boyutu ve bileşimi ile, kanal boyutları çok daha küçük damlacıkların üretimine olanak sağlamaktadır. Damlacık ve kanal boyutu ve koruyucu dış kılıf akışı arasındaki büyük fark, kanal duvarlarını temas gereksiz yüzey işleme render gelen damlacıkları engeller. Ancak, bu tür cam cihazları dikkatli montaj ve sızdırmazlık birlikte, konik kılcal ipuçları özel imalat gerektirir. Önceki araştırmacılar 3D yumuşak litho kullanmışgrafisi fizik odaklama akış kullanılarak çift emülsiyonlar oluşturmak için, ancak bu cihazlar çapları> 150 mikron 9,10, genellikle FACS ile sıralanır nesnelerden daha büyük boyutlu kabaca bir sipariş ile emülsiyonlar üretti. Cazip bir alternatif PDMS yumuşak litografi üretim kolaylığı ile odaklama cam kapiller koaksiyel akışının güçlü işlevler ve küçük damlacık nesil içerir.Bu yazıda 50 mikron emülsiyon ≤ üretmek için odaklama koaksiyel akışını kullanır ve tamamen 3D yumuşak litografi 11 kullanılarak inşa edilmiştir çift emülsiyon jeneratör açıklar. Bizim cihaz çekilmiş bir cam kılcal memesinde emülsiyon oluşumu süreçlerine yaklaştığı küçük kesme kanalı (Şekil 1) ihtiva cihazları imal etmek için bir kapaklı bir yaklaşım kullanır. Daha da önemlisi, bu cihazlar özel yüzey işlemi gerekebilir ve tüm polimer yapı kolay ve tekrarlanabilir üretim sc sağlarÇift cihaz çok sayıda alable. Burada, çift emülsiyon jeneratör tasarımı, imalatı ve test özetlemektedir. Çift emülsiyon üretimi 14 um damlacık çapları kadar sağlam ve tekrarlanabilir olduğu gösterilmektedir. Imalat kolaylığı ile fonksiyonellik bağlama bu cihaz yeni çift emülsiyon uygulamalarının geliştirilmesi için cazip bir seçenek haline getiriyor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada anlatılan çift emülsiyon üreten geometri cam kılcal cihazlarının 8 fiziğini taklit için tasarlanmıştır. Bunlarda, hizalanmış silindirik cam kılcal kısımların düzgün çift emülsiyon damlacıkları haline kesilmiş olan bir üç fazlı koaksiyal püskürmesi oluşturmak için kullanılır. Bizim 3D PDMS cihazın işlevi toplam yüksekliği 320 mm olan taşıyıcı faz kanallarını 50 mikron boyunda imalat ile oluşturulan küçük özellikler merkez hizalama bağlıdır. Maskeleri d…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Sayısal Biosciences için California Institute (QB3), Rogers Aile Vakfı, Cephe Biyomedikal Araştırma, BASF'den bir hibe için UCSF / Sandler Vakfı Programı Bridging Gap Ödülü ve NSF aracılığıyla bir Araştırma Ödülü ile desteklenmiştir Fakülte Erken Kariyer Gelişimi (KARİYER) Programı (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 |
Riferimenti
- 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).
