ポリジメチルシロキサン（PDMS）同軸フローフォーカス・デバイスを使用したダブルエマルションの生成
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
ダブルエマルションは、それらの工業的、医薬における潜在的な用途、及び生物学的用途1中間、非混和性流体層によりキャリア相から分離した小滴からなり、特に重要です。いくつかの例では、ダブルエマルションのコア内の高価値な化合物をカプセル化する能力は、材料を保護し、制御された様式で放出されることを可能にします。例えば、薬物は、外部のキャリア流体2には適していない溶解性条件下でカプセル化することができます。また、中間油層は、薬物、化粧品、および栄養3のカプセル化及び送達のためのカプセルのテンプレートとして使用することができます。これらは、サブナノリットル実験の膨大な数を行うことができるため、生物学において、ダブルエマルションは、その後、検出され、（FACS）装置4,5を蛍光活性化細胞選別を用いて選別、ハイスループットスクリーニングにも有用です。
ENT ">所望の性能特性を有するダブルエマルションの設計は二重エマルジョンサイズ、組成、及び均一性の精密な制御を必要とする。そのような膜乳化などのバルク、乳化プロセスは、業界で使用されているが、得られたエマルジョンは非常に多分散であり、展示機能特性1の多種多様。液滴マイクロフルイディクスのフィールドは自然に慎重に制御組成物6を単分散エマルションの生成を適しています。マイクロ流体ダブルエマルションの生成は、次の2つの主要な戦略、シーケンシャルドロップ作り、ガラス毛細管流動焦点を実現しています。ダブルエマルションことができます処理を行う二段階のドロップを使用して平坦なPDMSデバイスで生成される。第一に、水性の油エマルジョンは、疎水性チャンネル壁と装置の油中水型のドロップ作る領域を用いて作成される。次に、エマルジョンであることができます流しや水の中に油に適した親水性の壁とドロップ作る領域に再注入ドロップすること4。しかし、PMDSの親水性表面処理は、付加的な製造工程を必要とし、多くの場合、一時的な7です。ダブルエマルションを形成するほとんどの制御可能かつ再現方法は、同軸流が集束することによる、技術は、三相を含む同心ジェットは単分散液滴8を生成するために 、小さなオリフィスを通して剪断されるガラスキャピラリーマイクロフルイディクスを使用して開拓しました。この技術は、各相の流量の関数であるダブルエマルションの正確なサイズおよび組成で、チャネルの寸法よりもはるかに小さい液滴の生成を可能にします。滴とチャネルサイズおよび保護外側シースフローとの間の大きな違いは、不必要な表面処理をレンダリングする、チャネル壁に接触する液滴を防ぎます。しかし、そのようなガラスデバイスは、慎重な組立とシールと一緒に、テーパーキャピラリ先端のカスタム製造を必要とします。前の研究者は、3Dソフトリソグラフィを使用していましたグラフィーは、物理学を中心に流れを使用してダブルエマルションを生成するが、これらのデバイスは、直径> 150μmの9,10、通常、FACSでソートしたオブジェクトよりも大きい大きさの約順序でエマルジ ョンを生成しました。魅力的な代替手段は、PDMSソフトリソグラフィの製造の容易さとピントガラスキャピラリー同軸流れの堅牢な機能と小滴の生成を含むことになります。本稿では、50ミクロンエマルジ ョン≤生成するために焦点を当て同軸フローを使用し、完全に3Dソフトリソグラフィー11を用いて構成されている二重エマルジ ョンジェネレータについて説明します。我々のデバイスは、引っ張らガラスキャピラリーノズルにおけるエマルションの形成過程を近似するために小さなせん断流路（ 図1）を含むデバイスを製造するためにクラムシェル方式を使用します。さらに重要なことは、これらのデバイスは、特定の表面処理を必要とせず、すべてのポリマー構造が簡単で再現可能な製造を提供するSC重複した多数のデバイスにalable。ここでは、二重エマルジョン発電機の設計、製造、テストの概要を説明します。ダブルエマルションの生成は14ミクロンの液滴直径まで、堅牢かつ再現性であることが示されています。製造の容易さと機能性の結合は、このデバイスの新しい二重エマルジョンアプリケーションの開発のための魅力的なオプションになります。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここで説明する二重エマルジ ョン生成ジオメトリはガラスキャピラリー装置8の物理学を模倣するように設計されています。これらでは、位置合わせ円筒形ガラスキャピラリーは、均一な二重エマルジョン液滴に剪断された3相の同軸噴流を生成するために使用されます。当社の3D PDMSデバイスの機能は、全体の高さは320ミクロンであり、キャリア位相チャンネルと50μmの背の高い?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品はを通じてロジャースファミリー財団、画期的な生物医学研究のためのUCSF /サンドラー財団プログラム、BASF社からの助成金、およびNSFからギャップ賞を埋める、定量的バイオサイエンス（QB3）のためのカリフォルニア工科大学から研究賞によってサポートされていました学部早期キャリア開発（CAREER）プログラム（DBI-1253293）。
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 |
Riferimenti
- Van Der Graaf, S., Schroën, C. G. P. H., Boom, R. M. Preparation of double emulsions by membrane emulsification – A review. J. Membrane Sci. 251 (1-2), 7-15 (2005).
- Laugel, C., Baillet, A. P., Youenang Piemi, M., Marty, J., Ferrier, D. Oil-water-oil multiple emulsions for prolonged delivery of hydrocortisone after topical application: comparison with simple emulsions. Int. J. Pharm. 160 (1), 109-117 (1998).
- Kim, S. H., Kim, J. W., Cho, J. C., Weitz, D. A. Double-emulsion drops with ultra-thin shells for capsule templates. Lab Chip. 11 (18), 3162-3166 (2011).
- Lim, S. W., Abate, A. R. Ultrahigh-throughput sorting of microfluidic drops with flow cytometry. Lab Chip. 13 (23), 4563-4572 (2013).
- Bernath, K., Hai, M., Mastrobattista, E., Griffiths, A. D., Magdassi, S., Tawfik, D. S. In vitro compartmentalization by double emulsions: sorting and gene enrichment by fluorescence activated cell sorting. Anal. Biochem. 325 (1), 151-157 (2004).
- Seemann, R., Brinkmann, M., Pfohl, T., Herminghaus, S. Droplet based microfluidics. Rep. Prog. Phys. 75 (1), 016601 (2012).
- Bauer, W. A. C., Fischlechner, M., Abell, C., Huck, W. T. S. Hydrophilic PDMS microchannels for high-throughput formation of oil-in-water microdroplets and water-in-oil-in-water double emulsions. Lab Chip. 10 (14), 1814-1819 (2010).
- Utada, A. S., Lorenceau, E., Link, D. R., Kaplan, P. D., Stone, H. A., Weitz, D. A. Monodisperse double emulsions generated from a microcapillary device. Science. 308 (5721), 537-541 (2005).
- Chang, F. C., Su, Y. C. Controlled double emulsification utilizing 3D PDMS microchannels. J. Micromech. Microeng. 18 (6), 065018 (2008).
- Romanowsky, M. B., Abate, A. R., Rotem, A., Holtze, C., Weitz, D. A. High throughput production of single core double emulsions in a parallelized microfluidic device. Lab Chip. 12 (4), 802-807 (2012).
- Tran, T. M., Cater, S., Abate, A. R. Coaxial flow focusing in poly(dimethylsiloxane) microfluidic devices. Biomicrofluidics. 8 (1), 016502 (2014).
- . Lithography Available from: https://www.memsnet.org/mems/processes/lithography.html (2015)
- O’Donovan, B., Eastburn, D. J., Abate, A. R. Electrode-free picoinjection of microfluidic drops. Lab Chip. 12 (20), 4029-4032 (2012).
- Chang, F. C., Lin, H. H., Su, Y. C. Controlled W/O/W double emulsification in 3-D PDMS micro-channels. , 792-795 (2008).
- Romanowsky, M. B., Abate, A. R., Rotem, A., Holtze, C., Weitz, D. A. High throughput production of single core double emulsions in a parallelized microfluidic device. Lab Chip. 12 (4), 802 (2012).
