Duplo Emulsion Geração de utilizar um dispositivo de polidimetilsiloxano (PDMS) Co-Axial Flow Foco

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

Emulsões duplas consistem em gotículas separadas a partir de uma fase de transportador por intermédio de uma camada de fluido, imiscível, e são de particular interesse devido a suas potenciais utilizações em aplicações industriais, produtos farmacêuticos e aplicações biológicas ^1. Em alguns casos, a capacidade de encapsular compostos de alto valor em um núcleo de emulsão dupla permite que o material a ser protegido e lançado de uma maneira controlada. Por exemplo, as drogas podem ser encapsulados sob condições de solubilidade não apropriados para o fluido de transporte externo ^2. Além disso, a camada intermédia do óleo pode ser usado como um modelo para a cápsula de encapsulamento e de entrega de drogas, cosméticos, e nutrientes ^3. Em biologia, emulsões duplos também são úteis para triagem de alto rendimento, porque eles permitem um grande número de experiências sub-nanolitros a ser levada a cabo, e, em seguida, detectados utilizando um classificados de células activadas por fluorescência (FACS) instrumento ^4,5.

ENT "> O design de emulsões duplas com características de desempenho desejadas exige o controlo preciso do tamanho de emulsão dupla, composição e uniformidade. Embora os processos de emulsificação a granel, tais como emulsificação da membrana, são usadas na indústria, as emulsões resultantes são altamente polidispersos, exibindo um grande variedade de propriedades funcionais ^1. O campo de gota de microfluídica é naturalmente adequadas a geração de emulsões monodispersas com composição cuidadosamente controlada ^6. geração de emulsão dupla Microfluidic foi conseguido com duas estratégias principais, para preparar queda seqüencial e de fluxo capilar de vidro de focagem. emulsões duplas podem ser gerado em planares dispositivos PDMS usando uma gota de duas fases processo de tomada. Em primeiro lugar, aquosa-em-óleo são criados a partir de água-em-óleo região de um dispositivo com as paredes do canal hidrofóbico de tomada de gota. Em seguida, a emulsão pode ser fluiu ou reinjetado em uma região de tomada de gota com paredes hidrofílicos adequados para óleo em águagota de tomada ^4. No entanto, o tratamento de superfície hidrófila de PMDS requer um passo de fabrico adicional e é muitas vezes temporária ^7. O método mais controlável e reproduzível para formar emulsões duplas é por fluxo de co-axial de focagem, utilizando uma técnica pioneira Microfluidics capilar de vidro, pelo qual um jacto concêntrico contendo as três fases é cortado por meio de um pequeno orifício para produzir gotas monodispersas ^8. Esta técnica permite a produção de gotículas muito mais pequenas do que as dimensões do canal, com o tamanho e a composição exacta da emulsão dupla é uma função das taxas de fluxo de cada fase. A grande diferença entre gota e tamanho do canal e do fluxo de bainha protetora externa impede gotas de entrar em contato com as paredes do canal, tornando desnecessário o tratamento de superfície. No entanto, esses dispositivos de vidro exigem fabricação personalizada de dicas de capilares afilados, juntamente com a montagem cuidadosa e selagem. Investigadores anteriores usaram litografia suave 3Dgrafia de gerar emulsões duplas utilizando fluxo de focagem física, mas estes dispositivos produziram emulsões com diâmetros> 150 uM ^9,10, cerca de uma ordem de grandeza maior do que os objectos tipicamente classificadas com FACS. Uma alternativa atractiva que incluem a funcionalidade robusta e pequena geração de gotículas de fluxo coaxial capilar de vidro de focagem com a facilidade de fabrico de PDMS litografia macia.

Neste artigo, descreve um gerador de emulsão dupla que utiliza o fluxo de co-axial com foco para a produção de ≤ 50 mm emulsões e é construído inteiramente em 3D utilizando litografia macia ^11. O nosso dispositivo utiliza uma abordagem de concha para fabricar dispositivos que inclui um pequeno canal de corte (Figura 1) para aproximar os processos de formação de emulsão em um bico capilar de vidro puxado. Mais importante ainda, estes dispositivos requerem nenhum tratamento de superfície específica, e toda a construção de polímero proporciona fácil e reproduzível sc fabricaçãoalable para um grande número de dispositivos duplicados. Aqui, descrevemos o projeto, fabricação e testes do gerador de emulsão dupla. Geração de emulsão dupla é mostrado para ser robusta e reproduzível para baixo para diâmetros de gotículas de 14 mm. O acoplamento de funcionalidade com a facilidade de fabrico torna este dispositivo uma opção atraente para o desenvolvimento de novas aplicações de emulsão dupla.

Protocol

1. SU8 Mestre Fabrication Projetar as estruturas microfluídicos para dois fabricação camada utilizando o software AutoCAD e têm os desenhos impressos por um fornecedor em filme placa de circuito com resolução de 10 m. Os detalhes da concepção do dispositivo são dadas em uma referência anexado 11 e as geometrias de canal são mostradas na Figura 1. As camadas deverá incluir marcas de alinhamento para ajudar a colocar características de cada camada 1…

Representative Results

O gerador de emulsão dupla é constituída por um dispositivo de focagem de fluxo coaxial criado utilizando PDMS 3D fabricação (Figura 1A). A geometria permite que a formação de um jacto coaxial de três fases para ser cortada num quadrado, de 50 um x 50 um orifício, permitindo a formação de água / óleo / água emulsões duplas (Figura 1B, Figura 1C). A fase aquosa interna e a fase de óleo secundária são unidas numa junção…

Discussion

A geometria de geração de emulsão dupla descrito aqui é projetado para imitar a física de dispositivos de capilares de vidro ^8. Nestes, capilares de vidro cilíndricos alinhados são usadas para criar um jacto coaxial de três fases, que é cortado em gotículas uniformes de emulsão dupla. A função do nosso dispositivo de PDMS 3D é dependente do alinhamento central das características pequenas formadas com 50 mm de altura de fabricação da fase da portadora com canais que são de 320 mícrons na al…

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