Generation af størrelse-kontrollerede Poly (etylenglykol) Diacrylate dråber via Semi-3-dimensionelle Flow med fokus mikrofluid enheder
Summary
Vi præsenterer her, en protokol for at illustrere de fabrication processer og kontrol eksperimenter af en semi-three-dimensional (semi-3D) strøm-fokusere mikrofluid chip for slipværktøj dannelse.
Abstract
Ensartet og størrelse-styrbar poly (etylenglykol) diacrylate (PEGDA) droplets kunne fremstilles via flow fokusere processen i en mikrofluid enhed. Dette dokument foreslår en semi-three-dimensional (semi-3D) strøm-fokusere mikrofluid chip for slipværktøj dannelse. Polydimethylsiloxan (PDMS) chip var opdigtet benytter metoden multi-lag bløde litografi. Hexadecane som indeholder overfladeaktive stof blev brugt som den kontinuerlige fase, og PEGDA med ultraviolet (UV) foto-initiativtageren var spredte fase. Overfladeaktive stoffer tilladt lokale overfladespænding til at falde og dannet en mere cusped tip, der fremmes, bryde ind i bittesmå mikro-dråber. Som presset af spredte fase var konstant, blev størrelsen af droplets mindre med stigende kontinuerlige fase pres før spredte fase strømmen blev afbrudt. Som et resultat, dråber med størrelse variation fra 1 µm til 80 µm i diameter selektivt kunne opnås ved at ændre trykket forholdet i to indløb kanaler, og den gennemsnitlige variationskoefficient blev anslået til at være under 7%. Derudover kunne droplets forvandle til micro-beads af UV-eksponering for foto-polymerisering. De tråddannende biomolekyler på sådanne micro-beads overfladen har mange potentielle anvendelser inden for biologi og kemi.
Introduction
Droplet-baserede mikrofluid systemer har evnen til at producere meget monodisperse dråber fra nanometer mikrometer diameter vifte1 og holde stort potentiale i høj overførselshastighed drug discovery2, syntese af biomolekyler3 ,4, og den diagnostiske test5. De unikke fordele ved mindre dråber, som de større areal til volumen-forholdet og de store programmer med indtagelse af et par microliters af prøven, har teknologien vakt omfattende interesse i en bred vifte af områder. Emulgering af to ikke-blandbare væsker er en af de mest typiske metoder til at generere slipværktøj. I tidligere rapporter i området, har forskere udviklet en række forskellige droplet dannelse geometrier, herunder t-kryds, strøm-fokusere og co flyder geometrier. I t-kryds geometri, er den spredte fase leveret gennem en vinkelret kanal ind i den vigtigste kanal, hvor den kontinuerlige fase løber6,7. I den typiske todimensionale (2D) strøm-fokusere8,9 geometri, er spredte fase flow forskydes fra lateralt; og for det co strømmende geometri10,11, på den anden side en kapillær at indføre spredte fase flow er placeret, co-aksialt inde i en større kapillær for Co strømmende geometri, så spredte fase flow er forskydes fra alle retninger.
Dråbestørrelse styres ved at justere kanal størrelse og flow rate ratio, og den minimale størrelse produceret af co flyder eller t-kryds er begrænset til snesevis af mikrometer. Strøm-fokusere droplet-dannelse system, tre tilstande af droplet breakup form ved at justere trykket forholdet mellem to faser og overfladeaktivt stof koncentration, herunder dryppende regime, jetting regime og tip-streaming15. Tip-streaming-tilstand kaldes også tråd dannelse og fremkomsten af en tynd tråd tegning fra spidsen af spredte fase flow kegle vil observeres. Tidligere undersøgelser har påvist dråber er mindre end nogle få mikrometer kunne oprettes selvom tip-streaming proces i 2D eller semi-3D strøm-fokusere enhed8,12. Men som en vandig opløsning, som indeholder en meget lav koncentration af PEGDA blev brugt som den spredte fase, svind forholdet mellem PEGDA partikler var omkring 60% af de oprindelige dråber i diameter efter foto-polymerisering, mens PEGDA uden fortynding som den spredte fase førte til ustabile tip-streaming tilstand12. Interfacial spændinger er en vigtig parameter for emulsion proces og det vil falde som følge af tilsætning af det overfladeaktive stof i den kontinuerlige fase væske, fører til fald i Dråbestørrelse, højere generation frekvens13, stærkt buet spids, og at forebygge ustabilitet14. Desuden, når bulk overfladeaktivt stof koncentration er langt højere end den kritiske micelle koncentration, interfacial spændingen er ca uforanderlig i mættede stat13 og tip-streaming-tilstand kan forekomme15.
Baseret på ovenstående bemærkninger i dette papir, udviklet vi en letkøbt tilgang til PEGDA dråber generation ved hjælp af en semi-3D strøm-fokusere mikrofluid enhed, fabrikeret af flere lag blød litografi metode. Forskellig fra den typiske 2D strøm-fokusere enhed, semi-3D strøm-fokusere enheden har en lavvandet spredte fase kanal og en dyb kontinuerlige fase kanal, så den spredte fase kan forskydes fra op og ned ved siden af lateral. Dette giver større tilpasning interval for flow-fokus tilstand ved at reducere den energi og pres der kræves for slipværktøj opløsning. Forskellig fra den forrige rapport12, den spredte fase er ren PEGDAcontaining foto-initiativtager, og sørg for, at krympning forholdet af PEGDA partikler er lavere end 10%16; og den kontinuerlige fase er en blanding af hexadecane opløsning med en høj bulk koncentration af silikone-baserede nonionisk overfladeaktivt stof. Størrelse-styrbar og ensartet dråber blev produceret ved at justere trykket forholdet mellem to faser. Diameteren af dråberne ændres fra 80 µm til 1 µm som droplet bruddet behandler ændringer fra tilstanden jetting tip-streaming-tilstand. Derudover blev PEGDA partikel syntetiseret gennem foto-polymerisering proces under UV-eksponering. Droplet generation mikrofluid system med lethed af fabrikation vil give flere muligheder for biologiske applikationer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Generation af dråber i flow-fokus tilstand ved hjælp af 2D og semi-3D mikrofluid enhed er tidligere blevet udviklet i en række rapporter8,9,15,19,20, 21. I disse systemer, blev den vandige væske, der ikke kunne være størknede valgt som den spredte fase, såsom deioniseret vand8,<sup c…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Shenzhen grundforskning finansiering (Grant nr. JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665 og JCYJ20160317152359560). Forfatterne vil gerne takke Prof. Y. Chen på Shenzhen Institutes of Advanced Technology, kinesiske Academy of Sciences for understøtter.
Materials
| Silicon wafer | Huashi Co., Ltd | ||
| SU-8 2025, 2100 | Microchem Co. | Y111069 | |
| SU-8 developer | Microchem Co. | Y020100 | |
| Chromium mask | Qingyi Precision Mask Making Co., Ltd | ||
| polydimethylsiloxane(PDMS) | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) | Sigma | 26570-48-9 | |
| 2-hydroxy-40-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone | TCI | H1361-5G | photoinitiator |
| Hexadecane | Sigma | 544-76- 3 | |
| ABIL EM 90 | CHT | 144243-53-8 | surfactants |
| Rhodamine B | Aladdin | 81-88-9 | fluorescent dye |
| Spin Coater | |||
| Lithography machine | |||
| Automatic ointment agitator | Thinky | ARV-310 | |
| Oven | BluePard | ||
| Optical microscope | OLYMPUS | IX71 | |
| High-speed camera | Hamamatsu, Japan | ORCA-flash | |
| MAESFLO Microfluidic Fluid Control System | FLUIGENT | MFCS-EZ | |
| UV lamp | FUTANSI | 365 nm UV light, 8000 MW/CM2 |
References
- Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab on a chip. 8, 198-220 (2008).
- Xiao, Q., et al. Novel multifunctional NaYF4:Er3+,Yb3+/PEGDA hybrid microspheres: NIR-light-activated photopolymerization and drug delivery. Chemical communications. 49, 1527-1529 (2013).
- Pan, M., Kim, M., Blauch, L., Tang, S. K. Y. Surface-functionalizable amphiphilic nanoparticles for pickering emulsions with designer fluid-fluid interfaces. RSC Adv. 6, 39926-39932 (2016).
- Zhang, L., et al. Microfluidic synthesis of rigid nanovesicles for hydrophilic reagents delivery. Angewandte Chemie. 54, 3952-3956 (2015).
- Shembekar, N., Chaipan, C., Utharala, R., Merten, C. A. Droplet-based microfluidics in drug discovery, transcriptomics and high-throughput molecular genetics. Lab on a chip. 16, 1314-1331 (2016).
- Soh, G. Y., Yeoh, G. H., Timchenko, V. Numerical investigation on the velocity fields during droplet formation in a microfluidic T-junction. Chemical Engineering Science. 139, 99-108 (2016).
- Chiarello, E., Derzsi, L., Pierno, M., Mistura, G., Piccin, E. Generation of Oil Droplets in a Non-Newtonian Liquid Using a Microfluidic T-Junction. Micromachines. 6, 1825-1835 (2015).
- Moyle, T. M., Walker, L. M., Anna, S. L. Controlling thread formation during tipstreaming through an active feedback control loop. Lab on a chip. 13, 4534-4541 (2013).
- Moon, B. U., Abbasi, N., Jones, S. G., Hwang, D. K., Tsai, S. S. Water-in-Water Droplets by Passive Microfluidic Flow Focusing. Analytical chemistry. 88, 3982-3989 (2016).
- Zhu, P., Tang, X., Wang, L. Droplet generation in co-flow microfluidic channels with vibration. Microfluidics and Nanofluidics. , 20 (2016).
- Kim, S. H., Kim, B. Controlled formation of double-emulsion drops in sudden expansion channels. Journal of colloid and interface science. 415, 26-31 (2014).
- Jeong, W. C., et al. Controlled generation of submicron emulsion droplets via highly stable tip-streaming mode in microfluidic devices. Lab on a chip. 12, 1446-1453 (2012).
- Peng, L., Yang, M., Guo, S. S., Liu, W., Zhao, X. Z. The effect of interfacial tension on droplet formation in flow-focusing microfluidic device. Biomedical microdevices. 13, 559-564 (2011).
- Nunes, J. K., Tsai, S. S., Wan, J., Stone, H. A. Dripping and jetting in microfluidic multiphase flows applied to particle and fiber synthesis. J Phys D Appl Phys. , 46 (2013).
- Anna, S. L., Mayer, H. C. Microscale tipstreaming in a microfluidic flow focusing device. Physics of Fluids. 18, 121512 (2006).
- Liu, H., et al. Microfluidic synthesis of QD-encoded PEGDA microspheres for suspension assay. J. Mater. Chem. B. 4, 482-488 (2016).
- Richardson, W. H. Bayesian-based iterative method of image restoration. Journal of the Optical Society of America. 62, 55-59 (1972).
- Mukhopadhyay, P., Chaudhuri, B. B. A survey of Hough Transform. Pattern Recognition. 48, 993-1010 (2015).
- Ward, T., Faivre, M., Stone, H. A. Drop production and tip-streaming phenomenon in a microfluidic flow-focusing device via an interfacial chemical reaction. Langmuir: the ACS journal of surfaces and colloids. 26, 9233-9239 (2010).
- Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using “flow focusing” in microchannels. Applied Physics Letters. 82, 364 (2003).
- Kim, H., et al. Controlled production of emulsion drops using an electric field in a flow-focusing microfluidic device. Applied Physics Letters. 91, 133106 (2007).
- Dangla, R., Gallaire, F., Baroud, C. N. Microchannel deformations due to solvent-induced PDMS swelling. Lab on a chip. 10, 2972-2978 (2010).
- Chiu, Y. J., et al. Universally applicable three-dimensional hydrodynamic microfluidic flow focusing. Lab on a chip. 13, 1803-1809 (2013).
- Oh, K. W., Lee, K., Ahn, B., Furlani, E. P. Design of pressure-driven microfluidic networks using electric circuit analogy. Lab on a chip. 12, 515-545 (2012).
