Double Emulsion Generation Använda en Polydimetylsiloxan (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

Dubbla emulsioner består av droppar separerade från en bärare fas av en mellanliggande, oblandbar vätskelager, och är av särskilt intresse på grund av deras potentiella användningsområden inom industri, läkemedel och biologiska tillämpningar ^1. I vissa fall, förmågan att inkapsla höga föreningar värde på en dubbelemulsion kärna möjliggör materialet som skall skyddas och frisättas på ett kontrollerat sätt. Exempelvis kan läkemedel inkapslas under förhållanden som inte är lämpliga för det yttre bärarfluidum ² löslighetsegenskaper. Dessutom kan det mellanliggande oljeskiktet användas som en kapsel mall för inkapsling och leverans av läkemedel, kosmetika och näringsämnen ^3. I biologi, dubbla emulsioner är också användbara vid högeffektiv screening eftersom de tillåter ett mycket stort antal undernanoliter experiment som skall utföras, sedan detekteras och sorteras med användning av en fluorescensaktiverad cellsortering (FACS) instrumentet ^4,5.

ent "> Utformningen av dubbla emulsioner med önskade prestandaegenskaper kräver exakt kontroll av dubbelemulsion storlek, sammansättning, och enhetlighet. Fastän bulkemulsionsprocesser, såsom membran emulgering, används inom industrin, de resulterande emulsionerna är mycket polydispersa, som uppvisar en brett utbud av funktionella egenskaper ^1. Fältet dropp mikrofluidik är naturligtvis lämpad generering av monodispersa emulsioner med noggrant kontrollerad sammansättning ^6. mikroflödesdubbelemulsion generation har uppnåtts med två huvudstrategier, sekventiell nedgång gör och glas kapillär flödes fokusering. Dubbla emulsioner kan genereras i plana PDMS enheter med en två-stegs droppe tillverkningsprocessen. Först vattenhaltig-i-olja-emulsioner är skapade med användning av en vatten-i-olja-droppe-making region av en enhet med hydrofoba kanalväggarna. Därefter kan emulsionen vara flödade eller återinjiceras i en drop-making region med hydrofila väggar anpassade för olja i vattendrop-making ^4. Men hydrofila ytbehandling av PMDS kräver ytterligare tillverkningssteg och är ofta tillfälliga ^7. Den mest kontrollerbar och repeterbar metod för att bilda dubbla emulsioner är genom koaxiell flödes fokusering, en teknik banat väg med användning glaskapillär mikrofluidik, varigenom en koncentrisk stråle innehållande de tre faserna skjuvas genom en liten öppning för att producera monodispersa droppar ^8. Denna teknik tillåter för produktion av droppar är mycket mindre än kanaldimensioner, med den exakta storleken och sammansättningen av den dubbla emulsionen är en funktion av flödeshastigheterna för varje fas. Den stora skillnaden mellan dropp och kanalstorlek och skyddande yttre mantelflöde hindrar droppar från kontakt med kanalväggarna, vilket gör ytbehandling onödig. Sådana glas anordningar kräver anpassade tillverkning av avsmalnande kapillärer tips, tillsammans med noggrann montering och tätning. Tidigare forskare har använt 3D mjuk lithografi för att generera dubbel emulsioner med hjälp av flödesfokuserings fysik, men dessa enheter producerade emulsioner med diametrar> 150 pm ^9,10, ungefär en storleksordning större än objekt typiskt sorterade med FACS. Ett attraktivt alternativ skulle omfatta den robusta funktioner och små dropp generation glaskapillär koaxial flöde fokusering med lättheten att tillverka PDMS mjuk litografi.

I detta dokument beskriver vi en dubbelemulsion generator som använder koaxial flöde fokus att producera ≤ 50 pm emulsioner och är konstruerad helt med hjälp av 3D mjuk litografi ^11. Vår enhet använder en vikbar strategi att tillverka enheter som innehåller en liten klippning kanal (figur 1) för att närma emulsionsbildningsprocesser i en drog glaskapillär munstycke. Ännu viktigare, dessa enheter kräver ingen specifik ytbehandling, och alla polymerkonstruktion ger enkel och repeterbar tillverkning scalable till ett stort antal duplicerade anordningar. Här, vi beskriva konstruktion, tillverkning och provning av den dubbla emulsionsgeneratorn. Dubbelemulsions generationen visar sig vara robusta och repeterbar ner till droppdiametrar av 14 | j, m. Kopplingen av funktionalitet med enkel tillverkning gör denna anordning en tilltalande alternativ för utveckling av nya dubbla emulsions tillämpningar.

Protocol

1. SU8 Mästare Fabrication Utforma mikroflödesstrukturer för två skikt tillverkning med hjälp av AutoCAD och har mönster tryckta av en leverantör på kretskort film med 10 mikrometer upplösning. Detaljerna för enheten utformning ges i en bifogad referens 11 och kanalgeometrier visas i figur 1. Lagren bör innefatta inriktningsmärken för att samlokalisera funktioner från varje tillverkningsskiktet 12. Placera en förren 3 tum kisel d…

Representative Results

Den dubbla emulsionsGeneratorn består av en koaxial flödesfokuseringsanordning som skapats med hjälp av 3D PDMS tillverkning (Figur 1A). Geometrin gör det möjligt att bildning av en tre-fas koaxiell stråle som skall skjuvas till en fyrkant, 50 ^ m x 50 ^ m öppning, vilket tillåter bildningen av vatten / olja / vatten dubbla emulsioner (Figur 1B, Figur 1C). Den inre vattenfasen och den mellersta oljefasen bringas samman vid en kor…

Discussion

Den dubbla emulsionen genere geometri som beskrivs här är utformad för att efterlikna fysiken i glaskapillär ^anordningar 8. I dessa är inriktade cylindriska glaskapillärer används för att skapa en trefas koaxial stråle som klippt in enhetliga dubbla emulsionsdroppar. Funktionen hos vår 3D PDMS enheten är beroende av den centrala inriktningen av små funktioner bildade med 50 | j, m lång tillverkning med bärarfasen kanaler som är 320 um i totalhöjd. Det finns en betydande potential för att 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