Double Emulsion Generation Ved hjelp av en Polydimethylsiloxane (PDMS) Koaksial 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

Doble emulsjoner består av små dråper skilles fra en bærerfase med en mellomliggende, ikke-blandbart fluidsjikt, og er av spesiell interesse på grunn av deres potensielle anvendelser i industri, farmasøytiske og biologiske anvendelser ^1. I noen tilfeller, evnen til å innkapsle høy verdi forbindelser i en dobbel emulsjon kjerne gjør det mulig for materialet som skal beskyttes, og frigis på en kontrollert måte. For eksempel kan stoffer innkapsles i henhold til løselighetsforhold som ikke er passende for det ytre bærerfluidet ^2. I tillegg kan det mellomliggende oljelaget brukes som en mal kapsel for innkapsling og avlevering av legemidler, kosmetikk og næringsstoffer ^3. I biologi, doble emulsjoner er også nyttige for high throughput screening fordi de tillater et enormt antall sub-nanoliter forsøk som skal utføres, så detektert og sortert ved anvendelse av en fluorescens-aktivert cellesortering (FACS) instrument ^4,5.

ent "> Utformingen av dobbelt-emulsjoner med de ønskede ytelseskarakteristika krever nøyaktig kontroll av doble emulsjon størrelse, sammensetning og ensartethet. Selv om masse Emulgering prosesser, så som membran-emulgering, blir brukt i industrien, de resulterende emulsjonene er svært polydispers, som oppviser en bredt utvalg av funksjonelle egenskaper ^1. Feltet av dråpe MicroFluidics er naturligvis egnet generering av monodisperse emulsjoner med nøye kontrollert sammensetning ^6. microfluidic dobbel emulsjon generasjon har blitt oppnådd med to hovedstrategier, sekvensiell nedgang koker og glass kapillær strømnings fokusering. Doble emulsjoner kan bli generert på plane PDMS enheter ved hjelp av en totrinns rulleprosessen. For det første, vann-i-olje-emulsjoner er opprettet ved hjelp av en vann-i-olje-dråpe-making regionen av en anordning med hydrofobe kanalvegger. Deretter kan emulsjonen bli strømmet eller reinjiseres i en drop-making regionen med hydrofile vegger egnet for olje i vannslippe å lage ^fire. Imidlertid hydrofil overflatebehandling av pmds krever et ekstra fremstillingstrinn, og er ofte midlertidig ^7. Den mest kontrollerbar og repeterbar metode for å danne doble emulsjoner er ved ko-aksial strømning fokusering, utviklet en teknikk ved hjelp av glasskapillar MicroFluidics, hvorved en konsentrisk stråle som inneholder de tre fasene er skåret gjennom en liten åpning for å fremstille monodisperse dråper ^8. Denne teknikken gjør det mulig for produksjon av dråper mye mindre enn dimensjonene kanal, med den nøyaktige størrelsen og sammensetningen av den doble emulsjonen er en funksjon av strømningshastighetene for hver fase. Den store forskjellen mellom dråpen og kanalstørrelse og den beskyttende ytre kappe strømmen hindrer dråper fra å kontakte kanalveggene, slik overflatebehandling unødvendig. Men slike glass enheter krever tilpassede fabrikasjon av koniske kapillær tips, sammen med nøye montering og tetting. Tidligere etterforskere har brukt 3D myk litography å generere doble emulsjoner bruker flyt fokus fysikk, men disse enhetene produsert emulsjoner med diameter> 150 mikrometer ^9,10, omtrent en størrelsesorden større enn gjenstander vanligvis sortert med FACS. Et attraktivt alternativ vil inkludere robust funksjonalitet og liten dråpe generasjon av glass kapillær koaksial flyt fokus med enkel fremstilling av PDMS myk litografi.

I denne artikkelen beskriver vi en dobbel emulsjon generator som bruker co-axial flow fokus å produsere ≤ 50 mikrometer emulsjoner og er konstruert utelukkende ved hjelp av 3D myk litografi ^11. Vår Enheten bruker en clamshell tilnærming til å dikte enheter som inkluderer en liten klipping kanal (figur 1) for å tilnærme de emulsjonsdannelse prosesser i en trakk glass kapillær dyse. Enda viktigere, disse enhetene krever ingen spesifikk overflatebehandling, og alle polymer konstruksjon gir enkel og repeterbare fabrikasjon scalable til et stort antall like enheter. Her kan vi skissere design, fabrikasjon og testing av dobbel emulsjon generator. Double emulsjon generasjon er vist å være robust og repeterbare ned til dråpediametere av 14 mikrometer. Koblingen av funksjonalitet med enkle fabrikasjon gjør denne anordningen et attraktivt alternativ for utvikling av nye doble emulsjon anvendelser.

Protocol

1. SU8 Master Fabrication Designe microfluidic strukturer for to lag fabrikasjon ved hjelp av AutoCAD og har design skrives ut av en leverandør på kretskort film med 10 mikrometer oppløsning. Detaljene i anordningen utforming er gitt i en vedlagt referanse 11 og kanal geometrier er vist i figur 1. Lagene bør omfatte justeringsmerkene for å sammenstille egenskaper fra hver fabrikasjon lag 12. Plasser et pre-renset 3 tommers diameter silisiu…

Representative Results

Den doble emulsjon generator består av en co-axial flow fokuseringsanordningen opprettet ved hjelp av 3D PDMS fabrikasjon (figur 1A). Geometrien gjør det mulig at dannelsen av et tre-fase koaksiale stråle som skal kuttes til et kvadrat, 50 um x 50 um åpning, slik at dannelsen av vann / olje / vann-emulsjoner dobbel (figur 1B, figur 1C). Den indre vandige fase og den midtre oljefasen blir brakt sammen i et knutepunkt med kanaldimensjo…

Discussion

Den doble emulsjonen genererende geometri som er beskrevet her, er utformet for å etterligne fysikken for glass kapillære enheter ^8. I disse er innrettet sylindriske glasskapillærer som brukes til å lage en tre-fase koaksial stråle som er skåret i like doble emulsjonsdråper. Funksjonen til vår 3D PDMS anordning er avhengig av den sentrale innretning av små funksjoner som er dannet med 50 um høye fremstillings med bærerfase-kanaler som er 320 mikrometer i total høyde. Det er et betydelig potensial …

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