Generasjon av størrelse-kontrollerte Poly (etylenglykol) Diacrylate dråper via Semi-3-dimensjonale Flow fokus Microfluidic enheter
Summary
Her presenterer vi en protokoll for å illustrere metallbearbeiding prosesser og kontrollere eksperimenter av en semi-three-dimensional (semi-3D) flyt-fokus microfluidic chip for slippverktøy formasjonen.
Abstract
Enhetlig og størrelse kontrollerbare poly (etylenglykol) diacrylate (PEGDA) dråper kan produseres via flyten fokusere prosess i en microfluidic enhet. Notatet foreslår en semi-three-dimensional (semi-3D) flyt-fokus microfluidic chip for slippverktøy formasjon. Polydimethylsiloxane (PDMS) chip ble fabrikkert med metoden flerlags myk litografi. Hexadecane som inneholder surfactant ble brukt som den kontinuerlig fasen, og PEGDA med ultrafiolett (UV) Foto-initiatoren var spredt fasen. Tensider tillatt den lokale overflatespenningen å slippe og dannet et mer cusped tips som fremmet bryte inn lille mikro-dråper. Som trykket av spredt fase var konstant, ble størrelsen på dråper mindre med økende kontinuerlig fase press før spredt fasen strømmen ble brutt. Resultatet dråper med størrelse variasjon fra 1 µm til 80 µm i diameter selektivt kan oppnås ved å endre trykket forholdet i to inntak kanaler, og den gjennomsnittlige variasjonskoeffisienten ble anslått til å være under 7%. Videre kunne dråper slå til mikro-perler av UV eksponering for foto-polymerisasjon. Bøye biomolecules på slike mikro-perler overflaten har mange bruksmuligheter i biologi og kjemi.
Introduction
Slippverktøy-baserte microfluidic systemer har evnen til å produsere svært monodisperse dråper fra nanometer mikrometer diameter område1 og holder stort potensial i høy gjennomstrømming drug discovery2, syntese av biomolecules3 ,4og diagnostiske tester5. På grunn av de unike fordelene med mindre dråper, som det større arealet volumkontrollen og store programmer med forbruker noen microliters av prøven, teknologien har tiltrukket seg store interesse en rekke felt. I emulgering av to blandbar væsker er en av de mest vanlige metodene for å generere slippverktøy. I tidligere rapporter i feltet, har forskere utviklet en rekke forskjellige slippverktøy formasjon geometrier, inkludert t-kryss, flyt-fokus og co flyter geometri. I t-kryss geometri leveres spredt fasen gjennom en vinkelrett kanal i viktigste kanalen, som renner av kontinuerlig fase6,7. I typisk todimensjonal (2D) flyt-fokus8,9 geometrien, er spredt fase flyten skåret fra sideveis; og for co flytende geometri10,11, derimot, en kapillær introdusere den spredte strømmen er plassert co-aksialt inne en større kapillær co flytende geometri, slik at de spredte strømmen er skåret fra alle retninger.
Dråpestørrelse kontrolleres ved å justere kanal størrelse og flow rate forholdet, og minimumsstørrelsen produsert av co flyter eller t-kryss er begrenset til titalls mikrometer. For flyt-fokus slippverktøy formasjon systemet, tre moduser av slippverktøy bruddet form ved å justere presset forholdet mellom tofaset og surfactant konsentrasjon, inkludert at regimet, spyling regimet og tips-streaming15. Tips-modus kalles også tråden dannelse og utseende på en tynn tråden trekke fra spissen av spredt fase strømning kjegle vil bli observert. Tidligere studier har vist dråper mindre enn noen få mikrometer kan genereres om tips-streaming prosess i 2D eller semi-3D flyt-fokus enhet8,12. Som en vannløsning inneholdende en svært lav konsentrasjon av PEGDA ble brukt som den spredte fasen, var imidlertid krymping andelen PEGDA partikler ca 60% av de opprinnelige dråpene i diameter etter Foto-polymerisasjon, mens PEGDA uten fortynning som den spredt fase førte til ustabile Tips-streaming modus12. Interfacial spenningen er en viktig parameter emulsjon prosessen og minker på grunn av surfactant i kontinuerlig fase væsken, fører til reduksjon i dråpestørrelse, høyere generasjon frekvens13, sterkt buet spiss, og forhindrer ustabilitet14. Videre når bulk surfactant konsentrasjonen er mye høyere enn den kritiske micelle konsentrasjonen, interfacial spenningen er ca ufravikelig i mettet staten13 og den tips-modusen kan oppstå15.
Basert på ovennevnte observasjoner, i dette papiret, utviklet vi en lettvinte tilnærming for PEGDA dråper generasjon bruker en semi-3D flyt-fokus microfluidic enhet, fabrikert ved flerlags myk litografi metoden. Forskjellig fra den typiske 2D flyt-fokus enheten, semi-3D flyt-fokus enheten har en grunne spredt fase kanal og en dyp kontinuerlig fase kanal, slik at den spredte fasen kan være skåret fra opp og ned ved lateral. Dette gir større justere omfanget flyt-fokus-modus ved å redusere energi og press kreves for slippverktøy bruddet. Forskjellig fra den forrige rapport12, den spredte fasen er ren PEGDAcontaining Foto-initiativtakeren, at krymping andelen PEGDA partikler er lavere enn 10%16; kontinuerlig fasen er blanding av hexadecane oppløsning med en høy bulk konsentrasjon av silikonbasert ikke-ionisert surfactant. Størrelse kontrollerbare og ensartet dråper ble produsert ved å justere presset forholdet mellom to faser. Diameteren på dråpene endres fra 80 µm til 1 µm som slippverktøy bruddet prosesser endringer fra spyling modus tips-modus. I tillegg ble PEGDA partikkel syntetisert gjennom foto-polymerisasjon under UV-stråling. Slippverktøy generasjon microfluidic systemet med enkel fabrikasjon vil gi flere muligheter for biologiske programmer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Generering av dråper i flyt-fokus-modus ved hjelp av 2D og semi-3D microfluidic enheten har blitt utviklet i en rekke rapporter8,9,15,19,20, 21. I disse systemene, ble vandig væsken som ikke kunne bli styrket valgt som den spredte fasen, som deionisert vann8,15<sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Shenzhen grunnleggende forskning finansiering (Grant nr. JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665 og JCYJ20160317152359560). Forfatterne vil gjerne takke Prof Y. Chen ved Shenzhen Institutes of Advanced Technology, kinesiske vitenskapsakademi for støtter.
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).
