Double Emulsion génération utilisant un flux focus périphérique (PDMS) Co-axial

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

Émulsions doubles se composent de gouttelettes séparées d'une phase de support par une couche de fluide intermédiaire, non miscible, et sont d'un intérêt particulier en raison de leurs utilisations potentielles dans les secteurs industriel, pharmaceutique, et les applications biologiques ^1. Dans certains cas, la capacité d'encapsuler des composés à haute valeur dans le noyau permet une émulsion double matière à protéger et libérée de manière contrôlée. Par exemple, les médicaments peuvent être encapsulés dans des conditions de solubilité pas appropriées pour le support fluide externe ^2. En outre, la couche huileuse intermédiaire peut être utilisé comme modèle de la capsule pour l'encapsulation et la libération de médicaments, les cosmétiques et les nutriments ^3. En biologie, émulsions doubles sont également utiles dans le criblage à haut débit, car ils permettent un nombre massif d'expériences sous-nanolitre à effectuer, alors détecté et triée en utilisant une cellule activé par fluorescence (FACS) ^4,5 instrument.

ent "> La conception d'émulsions doubles avec des caractéristiques de performance souhaités nécessite un contrôle précis de la double la taille de l'émulsion, la composition et l'uniformité. Bien que les processus d'émulsification en vrac, tels que l'émulsification de la membrane, sont utilisés dans l'industrie, les émulsions résultant sont très polydisperse, présentant une grande variété de propriétés fonctionnelles ^1. Le champ des gouttelettes microfluidique est naturellement adapté la génération d'émulsions monodisperses avec la composition soigneusement contrôlé ^6. microfluidique doublera la production d'émulsion a été réalisé avec deux stratégies principales, ce qui rend de baisse séquentielle et de flux capillaire en verre de focalisation. émulsions doubles peuvent être générés dans des dispositifs PDMS planes en utilisant une goutte à deux étapes de décision. Tout d'abord, aqueux-dans-huile sont créés en utilisant une émulsion eau-dans-huile région d'un dispositif avec des parois de canal hydrophobes faisant goutte. Ensuite, l'émulsion peut être coulé ou réinjecté dans une région faisant goutte-à parois hydrophiles adaptés à huile dans l'eaudéposez-faire ^4. Cependant, le traitement de surface hydrophile du PMDS nécessite une étape de fabrication supplémentaire et il est souvent temporaire ^7. La méthode la plus contrôlable et reproductible à former des émulsions doubles est en écoulement co-axial de focalisation, en utilisant une technique pionnier microfluidique capillaire en verre, grâce à quoi un jet concentrique contenant les trois phases est cisaillé à travers un petit orifice pour produire des gouttelettes monodispersées ^8. Cette technique permet la production de gouttelettes beaucoup plus petites que les dimensions de canal, avec la taille et la composition précise de la double émulsion étant une fonction des débits de chaque phase de débit. La grande différence entre les gouttelettes et la taille du canal et l'écoulement de la gaine externe de protection empêche les gouttelettes d'entrer en contact les parois des canaux, ce qui rend inutile le traitement de surface. Cependant, de tels dispositifs de verre exigent la fabrication sur mesure de conseils capillaires coniques, avec un montage soigné et étanchéité. Enquêteurs précédents ont utilisé litho douce 3Dgraphie de générer des émulsions doubles en utilisant le flux concentrant physique, mais ces dispositifs produit des émulsions avec des diamètres> 150 um ^9,10, soit environ un ordre de grandeur plus grand que les objets généralement triées avec FACS. Une alternative intéressante serait inclure la fonctionnalité robuste et petite génération de gouttelettes d'écoulement coaxial capillaire en verre se concentrant à la facilité de fabrication des PDMS lithographie douce.

Dans cet article, nous décrivons un générateur de double émulsion qui utilise les flux de co-axial se concentrant pour produire ≤ 50 um émulsions et est construit en utilisant entièrement 3D lithographie douce ^11. Notre dispositif utilise une approche à clapet pour fabriquer des dispositifs qui comprend un petit canal de cisaillement (Figure 1) de rapprocher les processus de formation de l'émulsion dans une buse capillaire de verre tiré. Plus important encore, ces dispositifs nécessitent aucun traitement de surface spécifique, et la construction tout polymère fournit facile et reproductible fabrication scalable à un grand nombre de périphériques en double. Ici, nous décrivons la conception, la fabrication et les tests du générateur double émulsion. Double génération d'émulsion se révèle être robuste et reproductible jusqu'à des diamètres de gouttelettes de 14 um. Le couplage de la fonctionnalité avec la facilité de fabrication rend ce dispositif une option attrayante pour le développement de nouvelles applications doubles d'émulsion.

Protocol

1. SU8 Fabrication de Maître Concevoir les structures microfluidiques pour deux fabrication de couche en utilisant le logiciel AutoCAD et ont les dessins imprimés par un fournisseur sur le film de la carte de circuit avec 10 um résolution. Les détails de la conception de l'appareil sont données dans une référence attachée 11 et les géométries de canaux sont présentés dans la figure 1. Les couches devraient inclure des repères d'alignement pour …

Representative Results

Le générateur double émulsion se compose d'un dispositif de co-axiale flux concentrant créé en utilisant 3D PDMS fabrication (figure 1A). La géométrie permet que la formation d'une co-axiale jet en trois phases pour être cisaillé dans un carré, 50 um x 50 um orifice, permettant la formation d'eau / huile / eau émulsions doubles (figure 1B, 1C Figure). La phase aqueuse interne et la phase d'huile de milieu sont …

Discussion

La géométrie émulsion double générateur décrit ici est conçu pour imiter la physique des dispositifs de capillaires en verre ^8. Dans ceux-ci, des capillaires en verre cylindriques alignées sont utilisés pour créer un jet coaxial à trois phases qui est cisaillé en doubles gouttelettes d'émulsion uniforme. La fonction de notre dispositif 3D PDMS dépend de l'alignement central de petits traits formés avec 50 um de hauteur avec les chaînes de fabrication de la phase porteuse qui sont 320 u…

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