Generatie van grootte bestuurde Poly (ethyleen Glycol) Diacrylate druppels via Semi-3-dimensionale Flow gericht Microfluidic apparaten
Summary
Hier presenteren we een protocol ter illustratie van de fabricage processen en de verifiërende experimenten van een semi-three-dimensional (semi-3D) stroom-focusing microfluidic chip voor druppel vorming.
Abstract
Uniforme en grootte-controleerbaar poly (ethyleen glycol) diacrylate (PEGDA) druppels geproduceerd kon worden via de stroom gericht proces in een microfluidic apparaat. Dit document stelt een semi-three-dimensional (semi-3D) stroom-focusing microfluidic chip voor druppel vorming. De chip Polydimethylsiloxaan (PDMS) werd vervaardigd met behulp van de methode Multi-Layer zachte lithografie. Hexadecaan met oppervlakteactieve stof werd gebruikt als continue fase, en PEGDA met de ultraviolet (UV) foto-initiator was de verspreide fase. Oppervlakteactieve stoffen mag de lokale oppervlaktespanning te laten vallen en een meer cusped tip die bevorderd breken in kleine micro-druppeltjes gevormd. Als de druk van verspreide fase constant was, werd de grootte van de druppels kleiner met de toenemende druk van de continue fase vóór verspreide fase stroom werd afgebroken. Dientengevolge, druppels met variatie van de grootte van 1 µm tot 80 µm in diameter selectief kunnen worden bereikt door het veranderen van de druk-verhouding in twee inlaat kanalen, en de gemiddelde variatiecoëfficiënt werd geschat op minder dan 7%. Bovendien zou kunnen druppels uitmonden in micro-kralen door UV belichting voor foto-polymerisatie. Conjugating biomoleculen op het oppervlak van dergelijke micro-kralen hebben veel toepassingsmogelijkheden op het gebied van biologie en chemie.
Introduction
Microfluidic druppel gebaseerde systemen hebben de mogelijkheid om te produceren zeer monodispers druppels van nanometer micrometer diameter bereik1 groot potentieel ingedrukt in de high-throughput drug discovery2, synthese van biomoleculen3 ,4, en de diagnostische testen van5. Als gevolg van de unieke voordelen van kleinere druppeltjes, zoals de grotere oppervlakte aan volumeverhouding en de grootschalige toepassingen met het consumeren van een paar microliters van steekproef, heeft de technologie uitgebreide interesse in een brede waaier van velden aangetrokken. De membraanemulsificatie van twee onmengbare vloeistoffen is een van de meest typische methoden voor het genereren van de druppel. In eerdere verslagen in het veld, hebben onderzoekers een verscheidenheid van verschillende druppel vorming geometrieën, met inbegrip van de t-splitsing, stroom-focusing en co stroomt geometrieën ontwikkeld. In de t-splitsing geometrie, wordt de verspreide fase geleverd via een loodrecht kanaal in het belangrijkste kanaal, waarin de continue fase6,7 stroomt. In de typische tweedimensionale (2D) stroom-focusing8,9 geometrie, is de verspreide fase stroom geschoren uit de dwarskrachten; en voor de co vloeiende geometrie10,11, aan de andere kant, een capillair invoering van de verspreide fase stroom is geplaatst co-axiaal binnen een grotere capillair voor co vloeiende geometrie, zodat de verspreide fase stroom is geschoren uit alle richtingen.
De druppel grootte wordt bepaald door het kanaal grootte en stroom tarief verhouding aan te passen, en de minimale grootte geproduceerd door samen stromen of t-splitsing is beperkt tot tientallen micrometers. Voor stroom-focusing druppel vorming systeem, vormen drie modi voor druppel uiteenvallen door het aanpassen van de verhouding van de druk van twee fasen en concentratie van de oppervlakteactieve stof, met inbegrip van de druipende regime, de jetting regime, en tip-streaming15. Tip-streaming modus wordt ook genoemd draad vorming en het uiterlijk van een dunne de wol uit te trekken uit de tip van verspreide fase stroom kegel worden nageleefd. Eerdere studies hebben aangetoond dat druppels minder dan enkele micrometers kunnen worden gegenereerd, hoewel tip-streaming proces in 2D of semi-3D stroom-focusing apparaat8,12. Echter, zoals een waterige oplossing met een zeer lage concentratie van PEGDA werd gebruikt als de verspreide fase, de verhouding van de krimp van PEGDA deeltjes was ongeveer 60% van de oorspronkelijke druppels diameter na foto-polymerisatie, terwijl PEGDA zonder verdunning als de verspreide fase leidde tot unstable tip-streaming modus12. Interfaciale spanning is een belangrijke parameter voor emulsie proces en het zal afnemen als gevolg van de toevoeging van de oppervlakteactieve stof in de vloeistof van de continue fase, wat leidt tot afname van de grootte van de druppel, hogere generatie frequentie13, zeer gebogen uiteinde, en het voorkomen van instabiliteit14. Bovendien, wanneer de concentratie van de surfactant bulk veel hoger dan de kritische micel-concentratie is, de Interfaciale spanning is ongeveer onveranderlijk in de verzadigde staat13 en de tip-streaming modus kan optreden van15.
Op basis van de bovenstaande opmerkingen maken, in dit document, ontwikkeld we een facile benadering voor PEGDA druppels generatie met behulp van een semi-3D stroom-focusing microfluidic apparaat, vervaardigd door multi-layer zachte lithografie methode. Anders dan de typische 2D stroom-gericht apparaat, de semi-3D stroom-focusing apparaat heeft een ondiepe verspreide fase kanaal en een diep continue fase kanaal, zodat de verspreide fase kan worden geschoren uit omhoog en omlaag naast laterale. Dit biedt grotere aanpassing assortiment voor stroom-focusing modus door vermindering van de energie en de druk die nodig is voor druppel uiteenvallen. Anders dan de vorige verslag-12, de verspreide fase is pure PEGDAcontaining foto-initiator, ervoor te zorgen dat de verhouding van de krimp van PEGDA deeltjes lager dan 10%16 is; en de continue fase is het mengsel van hexadecaan ontbinding met een hoge bulk-concentratie van de siliconen gebaseerde nonionic oppervlakteactieve stof. Grootte-controleerbaar en uniforme druppels werden geproduceerd door het aanpassen van de verhouding van de druk van twee fasen. De diameter van de druppels verandert van 80 µm 1 µm zoals de druppel uiteenvallen wijzigingen ten opzichte van de jetting modus naar de tip-streaming modus verwerkt. Bovendien werd het PEGDA deeltje gesynthetiseerd door foto-polymerisatie proces onder UV-belichting. De druppel generatie microfluidic systeem met gemak van fabricage zal het verstrekken van meer mogelijkheden voor biologische toepassingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De generatie van druppeltjes in de stroom-focusing modus met behulp van 2D- en semi-3D microfluidic apparaat is eerder ontwikkeld in een aantal verslagen8,9,15,19,20, 21. In deze systemen, werd de waterige vloeistof die niet kon worden verhard gekozen als de verspreide fase, zoals gedeïoniseerd water8</sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het fundamenteel onderzoek van Shenzhen financiering (Grant nr. JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665 en JCYJ20160317152359560). De auteurs bedank Prof. Y. Chen aan het Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academie van Wetenschappen voor ondersteunt.
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).
