נימים מבוססות מכשיר microfluidic צנטריפוגלי עבור גיבוש גודל לשליטה של Monodisperse microdroplets
Summary
Here, we demonstrate a simple production method for size-controllable, monodisperse, water-in-oil (W/O) microdroplets using a capillary-based centrifugal microfluidic device. This method requires only a small sample volume and enables high-yield production. We expect this method will be useful for rapid biochemical and cellular analyses.
Abstract
הנה, אנחנו מדגימים שיטה פשוטה לייצור המהיר של microdroplets גודל לשליטה, monodisperse, W / O באמצעות מכשיר microfluidic צנטריפוגלי מבוסס נימים. W / O microdroplets שימשו לאחרונה שיטות רבות עוצמה המאפשרים מיניאטורי ניסויים כימיים. לכן, מפתחים שיטה צדדי כדי להניב monodisperse W / O microdroplets נדרשת. פתחנו שיטה להפקה monodisperse W / O microdroplets מבוסס על מכשיר microfluidic זורם-שיתוף axisymmetric צנטריפוגלי מבוסס נימים. אנחנו הצלחנו להשליט את מרותה גודל microdroplets ידי התאמת פתח הנימים. השיטה שלנו דורש ציוד כי הוא קל יותר לשימוש מאשר עם טכניקות microfluidic אחרות, דורש נפח קטן בלבד (0.1-1 μl) של הפתרון מדגם אנקפסולציה, ומאפשרת ייצור של מאות אלפי מספר microdroplets W / O בשנייה . אנו מצפים בשיטה זו יסייעו מחקרים ביולוגיים הדורשים s הביולוגי היקרamples ידי שמירה על נפח של דגימות ביוכימיים ניתוח כמותי מהיר מחקרים ביולוגיים.
Introduction
W / O microdroplets 1-5 יש יישומים חשובים רבים לחקר הביוכימיה Bioengineering, כולל חלבון סינתזה 6, חלבון התגבשות 7, תחליב PCR 8,9, תא אנקפסולציה 10, ובניית מערכות דמוי תא מלאכותי 5,6. כדי לייצר W / O microdroplets עבור יישומים אלה, הקריטריונים החשובים הם השליטה של גודל monodispersibility של microdroplets W / O. המכשירים microfluidic להכנת monodisperse, גודל לשליטה W / O 11 microdroplets מבוססים על שיטת השיתוף זורם 12,13, שיטת התמקדות זרימת 14,15, ושיטת הצומת הטה 16 ב microchannels. למרות ששיטות אלה לייצר microdroplets monodisperse מאוד W / O, תהליך microfabrication דורש טיפול מסובך טכניקות מיוחדות להכנת microchannels, וגם דורש כמות גדולה של פתרון המדגם (לפחות כמה מאות81; יב) בגלל נפח מת בלתי נמנעת משאבות מזרק וצינורות העורכים הפתרון מדגם microchannels. לפיכך, שיטה קלה לשימוש נמוך מת בנפח ליצור monodisperse W / O microdroplets נדרשת.
מאמר זה, יחד עם קטעי וידאו של פרוצדורות, מתאר מכשיר microfluidic צנטריפוגלי נימים מבוססות axisymmetric זורם-שיתוף 17 להפקה תאים בגודל, monodisperse W / O microdroplets (איור 1). שיטה פשוטה זו משיגה גודל monodispersity ויכולת בקרת גודל. זה דורש רק מינים-בצנטריפוגה שולחן לבין מכשיר microfluidic זורם-שיתוף axisymmetric מבוסס נימים קבועות בבית microtube דגימה. השיטה שלנו צריך רק נפח קטן מאוד (0.1 μl), ואינו לבזבז נפח משמעותי של המדגם.
Protocol
Representative Results
Discussion
שימוש במכשיר זה, monodisperse W / O microdroplets נוצר על ידי אי יציבות פליטו ריילי של זרימת סילון 17. בדיקה מיקרוסקופית לא לגלות את נוכחותם של טיפות בלוויין. בייצור של המכשיר, שלושה שלבים קריטיים חיוניים כדי ליצור microdroplets monodisperse בהצלחה W / O. ראשית, לספק זרם ישר של פעילי שטח המכיל…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the PRESTO “Design and Control of Cellular Functions” research area of the Japan Science and Technology Agency (JST), a Grant-in-Aid for Scientific Research of Innovative Areas “Molecular Robotics” (Project No. 24104002) from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), Japan, Grant-in-Aid for Young Scientists (A) (Project No. 24680033) and Scientific Research (B) (Project No. 26280097) from the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS), and the Creative Design for Bioscience and Biotechnology course of the School of Bioscience and Biotechnology at Tokyo Tech.
Materials
| 2-mm-thick polyacetal plastic plate | Tool | Nikkyo Technos, Co., Ltd. (Japan) | 244-6432-08 | |
| Milling machine | Tool | Roland DG Co., Ltd. (Japan) | MDX-40A | |
| End Mill RSE230-0.5*2.5 | Tool | NS Tool Co., Ltd. (Japan) | 01-00644-00501 | |
| M2*40 screws | Tool | Jujo Synthetic Chemistry Labo. (Japan) | 0001-024 | |
| Glass Capillry Puller | Tool | Narishige (Japan) | PC-10 | |
| Microforge | Tool | Narishige (Japan) | MF-900 | |
| Inner Glass Capillary | Tool | Narishige (Japan) | G-1 | |
| Outer Glass Capillary | Tool | World Precision Instruments Inc. (USA) | 1B200-6 | |
| 1.5 ml Sample tube | Tool | INA OPTIKA CO.,LTD (Japan) | ST-0150F | |
| Hexadecane | Reagent | Wako Pure Chemical Industries Ltd. (Japan) | 080-03685 | |
| Sorbitan monooleate (Span 80) | Reagent | Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Japan) | S0060 | |
| Milli Q system | Reagent | Merck Millipore Corporation (Germany) | ZRQSVP030 | |
| Swinging-out-type Mini-centrifuge | Tool | Hitech Co., Ltd. (Japan) | ATT101 | |
| Digital Microscope | Tool | KEYENCE Corporation (Japan) | VHX-2001 |
References
- Song, H., Chen, D. L., Ismagilov, R. F. Reactions in droplets in microfluidic channels. Angew. Chem., Int. Ed. 45 (44), 7336-7356 (2006).
- Huebner, A., et al. Microdroplets: a sea of applications?. Lab Chip. 8, 1244-1254 (2008).
- Taly, V., Kelly, B. T., Griffiths, A. D. Droplets as microreactors for highthroughput biology. ChemBioChem. 8 (3), 263-272 (2007).
- Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. . Droplet microfluidics. Lab Chip . 8, 198-220 (2008).
- Takinoue, M., Takeuchi, S. Droplet microfluidics for the study of artificial cells. Anal. Bioanal. Chem. 400 (6), 1705-1716 (2011).
- Hase, M., Yamada, A., Hamada, T., Baigl, D., Yoshikawa, K. Manipulation of cell-sized phospholipid-coated microdroplets and their use as biochemical microreactors. Langmuir. 23 (2), 348-352 (2007).
- Zheng, B., Tice, J. D., Roach, L. S., Ismagilov, R. F. A Droplet-Based, Composite PDMS/Glass Capillary Microfluidic System for Evaluating Protein Crystallization Conditions by Microbatch and Vapor-Diffusion Methods with On-Chip X-Ray Diffraction. Angew. Chem., Int. Ed. 43 (19), 2508-2511 (2004).
- Nakano, M., et al. Single-molecule PCR using water-in-oil emulsion. J. Biotechnol. 102 (2), 117-124 (2003).
- Diehl, F., et al. BEAMing: single-molecule PCR on microparticles in water-in-oil emulsions. Nat. Methods. 3, 551-559 (2006).
- He, M., et al. Selective encapsulation of single cells and subcellular organelles into picoliter- and femtoliter-volume droplets. Anal. Chem. 77 (6), 1539-1544 (2005).
- Baroud, C., Gallaire, F., Dangla, R. Dynamics of microfluidic droplets. Lab Chip. 10, 2032-2045 (2010).
- Utada, A. S., Nieves, A. F., Stone, H. A., Weitz, D. A. Dripping to jetting transitions in coflowing liquid streams. Phys. Rev. Lett. 99 (9), 094502 (2007).
- Cramer, C., Fischer, P., Windhab, E. J. Drop formation in a co-flowing ambient fluid. Chem. Eng. Sci. 59 (15), 3045-3058 (2004).
- Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using "flow-focusing" in microchannels. Appl. Phys. Lett. 82, 364-366 (2003).
- Takeuchi, S., Garstecki, P., Weibel, D. B., Whitesides, G. M. An axisymmetric flow-focusing microfluidic device. Adv. Mater. 17 (8), 1067-1072 (2005).
- Thorsen, T., Roberts, R. W., Arnold, F. H., Quake, S. R. Dynamic pattern formation in a vesicle-generating microfluidic device. Phys. Rev. Lett. 86 (18), 4163-4166 (2001).
- Yamashita, H., et al. Generation of monodisperse cell-sized microdroplets using a centrifuge-based axisymmetric co-flowing microfluidic device. J. Biosci. Biotech. 119 (4), 492-495 (2015).
- Maeda, K., Onoe, H., Takinoue, M., Takeuchi, S. Controlled synthesis of 3D multi-compartmental particles with centrifuge-based microdroplet formation from a multi-barrelled capillary. Adv. Mater. 24 (10), 1340-1346 (2012).
