Dobbelt Emulsion Generation Ved hjælp af en Polydimethylsiloxan (PDMS) Co-axial Flow Focus Device

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

Dobbelt emulsioner består af dråber adskilt fra et luftfartsselskab fase ved en mellemliggende, blandbar væske lag, og er af særlig interesse på grund af deres potentielle anvendelser i industrielle, farmaceutiske og biologiske anvendelser ^1. I nogle tilfælde, evnen til at indkapsle høje kemiske forbindelser i en dobbelt emulsion kerne muliggør materiale, der skal beskyttes, og frigives på en kontrolleret måde. For eksempel kan medikamenter indkapsles under opløselighed betingelser ikke er egnede til den eksterne bærevæske ^2. Derudover kan det mellemliggende olielag anvendes som en kapsel skabelon for indkapsling og afgivelse af lægemidler, kosmetik og næringsstoffer ^3. I biologi, dobbelt emulsioner er også egnede til screening med højt gennemløb, fordi de tillader en massiv antal sub-nanoliter eksperimenter, der skal udføres, detekteres derefter og sorteres ved hjælp af en fluorescens-aktiveret cellesortering (FACS) instrument ^4,5.

ent "> Udformningen af ​​dobbelte emulsioner med ønskede ydelsesegenskaber kræver præcis styring af dobbelt emulsion størrelse, sammensætning og ensartethed. Selv om bulk-emulgering processer, såsom membran emulgering anvendes i industrien, er de resulterende emulsioner er meget polydisperse, der udviser en lang række funktionelle egenskaber ^1. Feltet af dråber mikrofluidik naturligt velegnet generering af monodisperse emulsioner med nøje kontrolleret sammensætning ^6. Mikrofluid dobbelt emulsion generation er blevet opnået med to strategier, sekventiel drop making og glas kapillar flow fokusering. Dobbelte emulsioner kan genereres på plane PDMS enheder ved hjælp af en totrins-drop beslutningsproces. Først vandig-i-olie-emulsioner er skabt ved hjælp af en vand-i-olie drop-making region af en indretning med hydrofobe kanalvæggene. Desuden kan emulsionen være flød eller reinjiceret i en drop-making region med hydrofile vægge velegnet til olie i vanddrop-making ^4. Men hydrofil overfladebehandling af PMDS kræver en ekstra fremstillingstrin og er ofte midlertidig ^7. Den mest styrbar og reproducerbar metode til at danne dobbeltstrengede emulsioner ved co-axial flow fokusering, en teknik banebrydende hjælp af glas kapillar mikrofluidik, hvorved en koncentrisk jet indeholdende de tre faser er forskudt gennem en lille åbning til frembringelse af monodisperse dråber ^8. Denne teknik giver mulighed for fremstilling af dråber meget mindre end kanaldimensioneme, med den nøjagtige størrelse og sammensætning af den dobbelte emulsion er en funktion af strømningshastighederne for hver fase. Den store forskel mellem dråber og kanal størrelse og den beskyttende ydre kappe flow forhindrer dråber i at kontakte kanalvæggene, rendering overfladebehandling unødvendig. Men sådanne glas enheder kræver brugerdefinerede fremstilling af koniske kapillære tips, sammen med omhyggelig montering og forsegling. Tidligere efterforskere har brugt 3D blød litografigrafi at generere dobbelt emulsioner hjælp flow fokus fysik, men disse enheder produceret emulsioner med diametre> 150 um ^9,10, omtrent en størrelsesorden større end objekter typisk sorteret med FACS. Et attraktivt alternativ ville omfatte den robuste funktionalitet og lille dråbe generation af glas kapillar koaksial flow fokus med den lethed af fremstillingen af ​​PDMS blød litografi.

I denne artikel beskriver vi en dobbelt emulsion generator, der anvender co-axial flow fokus at producere ≤ 50 um emulsioner og er konstrueret udelukkende ved hjælp 3D blød litografi ^11. Vores enhed bruger et clamshell tilgang til at fremstille anordninger, der omfatter en lille forskydning kanal (figur 1) for at tilnærme emulsionsdannelsen processer på en trukket glas kapillardyse. Endnu vigtigere er, disse enheder kræver ingen specifik overfladebehandling, og alle polymere konstruktion giver nem og gentagelig fabrikation scalable til et stort antal identiske enheder. Her vil vi skitsere design, fabrikation, og test af den dobbelte emulsion generator. Double emulsion generation vist sig at være robust og gentagelig ned til dråbediametre af 14 um. Koblingen af ​​funktionalitet med henblik på nem fremstilling gør denne enhed en attraktiv mulighed for udvikling af nye dobbeltemulsion applikationer.

Protocol

1. SU8 Master Fabrication Design af mikrofluide strukturer til to lag fabrikation AutoCAD-software og har design trykt af en sælger på printkort film med 10 um opløsning. Detaljerne i enhedens design er givet i en vedhæftet henvisning 11 og kanal geometrier er vist i figur 1. Lagene bør omfatte opretningsmærker at hjælpe sammenstillet funktioner fra hver fabrikation lag 12. Placere en forhånds-renset 3 inch diameter silicium wafer på e…

Representative Results

Den dobbelte emulsion generator består af en co-aksial strømning fokuseringsindretning skabt ved hjælp af 3D PDMS fabrikation (figur 1A). Geometrien muliggør, at dannelsen af en trefaset koaksial jet, der skal klippes i en firkant, 50 um x 50 um åbning, således at dannelsen af vand / olie / vand-emulsioner dobbelte (figur 1B, 1C). Den indre vandige fase og den midterste oliefase bringes sammen ved en forbindelse med kanaldimensione…

Discussion

Den dobbelte emulsion genererer geometri beskrevet her er designet til at efterligne fysik glas kapillar enheder ^8. I disse er rettet cylindriske glas kapillærer anvendes til at skabe et trefaset koaksial stråle, der er klippet i ensartede dobbelt emulsionssmådråber. Funktionen af ​​vores 3D PDMS enhed er afhængig af den centrale tilpasning af små features dannet med 50 um høje fabrikation med bærebølgefasemålinger kanaler, der er 320 um i totalhøjde. Der er et betydeligt potentiale for at misa…

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