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.
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.
Doppelemulsionen bestehen aus Tröpfchen aus einer Trägerphase von einem Zwischenprodukt, nicht mischbaren Flüssigkeitsschicht getrennt ist, und sind von besonderem Interesse aufgrund ihrer potentiellen Verwendungen in der Industrie, pharmazeutischen und biologischen Anwendungen 1. In einigen Fällen ist die Fähigkeit, hochwertige Verbindungen in einer Doppelemulsion Kern einkapseln können zu schützende Material und in kontrollierter Weise freigesetzt werden. Zum Beispiel können Medikamente unter Löslichkeitsbedingungen für die externe Trägerflüssigkeit 2 nicht angemessen eingekapselt werden. Zusätzlich kann das Zwischenölschicht als Kapsel Vorlage für die Einkapselung und Abgabe von Arzneimitteln, Kosmetika, Nährstoffen und 3 verwendet werden. In der Biologie sind Doppelemulsionen auch nützlich in Hochdurchsatz-Screening, weil sie eine massive Anzahl von Sub-Nanoliter-Experimente durchgeführt werden, dann nachgewiesen und sortiert werden mit Hilfe eines Fluoreszenz-aktivierten Zellsortierung (FACS) instrument 4,5.
ent "> Die Gestaltung der Doppelemulsionen mit den gewünschten Leistungseigenschaften erfordert die genaue Steuerung der Doppelemulsion Größe, Zusammensetzung und Gleichförmigkeit. Obwohl Schütt Emulgierverfahren, wie Membran Emulgierung werden in der Industrie verwendet werden, sind die resultierenden Emulsionen polydisperse, die eine Vielzahl von Funktionseigenschaften 1. Der Bereich der Tröpfchen Mikrofluidik ist natürlich geeignet, die Erzeugung von monodispersen Emulsionen mit sorgfältig kontrollierten Zusammensetzung 6. Microfluidic Doppelemulsion Generation mit zwei Hauptstrategien, sequentielle Rückgang Herstellung und Glas Kapillarfluss erreicht konzentriert. Doppelemulsionen in planarer PDMS Vorrichtungen unter Verwendung eines zweistufigen Tropfenprozess erzeugt werden. Zuerst wässrig-in-Öl-Emulsionen unter Verwendung einer Wasser-in-Öl-Tropfen Gabebereich einer Vorrichtung mit hydrophoben Kanalwänden. Als nächstes erstellt wurde, kann die Emulsion floss oder in einen Tropfen Anbauregion mit hydrophilen Wänden für Öl in Wasser geeignet injiziertDrop machen 4. Hydrophile Oberflächenbehandlung PMDS erfordert jedoch einen zusätzlichen Herstellungsschritt und ist oft vorübergehend 7. Die steuerbaren und wiederholbaren Verfahren zur Doppelemulsionen Form durch koaxiale Strömungsfokussierungs Pionier eine Technik mit Glaskapillare Mikrofluidik, wodurch eine konzentrische Strahl die drei Phasen enthält, wird durch eine kleine Öffnung geschert, um monodisperse Tröpfchen 8 herzustellen. Diese Technik ermöglicht die Produktion von Tröpfchen viel kleiner als die Kanaldimensionen, wobei die genaue Größe und Zusammensetzung der Doppelemulsion, die eine Funktion der Strömungsraten jeder Phase. Der große Unterschied zwischen Tröpfchen und Kanalgröße und der schützenden äußeren Mantelstrom verhindert, dass Tröpfchen in Kontakt mit den Kanalwänden, Rendering Oberflächenbehandlung überflüssig. Solche Glas Geräte erfordern kundenspezifische Herstellung von Kegel Kapillarspitzen sowie sorgfältige Montage und Abdichtung. Frühere Forscher haben 3D weiche Litho verwendetgraphie an Doppelemulsionen mit Stromfokussierungs Physik zu erzeugen, aber diese Vorrichtungen hergestellten Emulsionen mit Durchmesser> 150 um 9,10, etwa eine Größenordnung größer sind als Objekte in der Regel mit FACS sortiert. Eine attraktive Alternative wäre die robuste Funktionalität und kleine Tröpfchenerzeugung der Glaskapillare koaxialen Strömungs Fokussierung mit der Leichtigkeit der Herstellung von PDMS-Weich-Lithographie umfassen.In diesem Papier beschreiben wir eine Doppelemulsion Generator, der koaxiale Strömungs Fokussierung auf ≤ 50 & mgr; m Emulsionen verwendet und ist so konstruiert, komplett mit 3D-Weich-Lithographie 11. Unsere Vorrichtung verwendet eine Clamshell Ansatz auf Vorrichtungen, die eine geringe Scherkanal (Abbildung 1), um die Emulsionsbildungsprozesse in einer gezogenen Glaskapillare Düse annähern umfasst herzustellen. Noch wichtiger ist, erfordern diese Vorrichtungen keine spezielle Oberflächenbehandlung, und die alle Polymer-Konstruktion ermöglicht eine einfache und reproduzierbare Herstellung scalable zu einer großen Anzahl von doppelt vorhandenen Einrichtungen. Hier beschreiben wir die Konstruktion, Fertigung und Prüfung der Doppelemulsion Generator. Doppelemulsion Generation gezeigt robust und wiederholbar auf Tröpfchendurchmesser von 14 & mgr; m sein. Die Kopplung der Funktionalität mit einfacher Herstellung ermöglicht diese Vorrichtung eine attraktive Option für die Entwicklung neuer Doppelemulsionsanwendungen.
Die hier beschriebene Doppelemulsion erzeugenden Geometrie wurde entwickelt, um die Physik der Glaskapillare Vorrichtungen 8 zu imitieren. In diesen sind ausgerichteten zylindrischen Glas Kapillaren verwendet werden, um eine dreiphasige koaxialen Strahl, die in gleichmäßigen Doppelemulsionströpfchen geschert wird zu erstellen. Die Funktion der 3D PDMS Einrichtung ist abhängig von der mittleren Ausrichtung der kleinen Strukturen mit 50 um hohen Herstellungs mit Trägerphasenkanälen, die 320 um in Gesamth?…
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde von einem Forschungspreis von der California Institut für Quantitative Biosciences (QB3), die Überbrückung der Kluft Award von der Rogers-Familienstiftung, der UCSF / Sandler-Stiftung Programm für Breakthrough Biomedical Research, einen Zuschuss von BASF und der NSF unterstützt durch die Fakultät Early Career Entwicklung (CAREER) Programm (DBI-1.253.293).
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 |