Double Emulsion génération utilisant un flux focus périphérique (PDMS) Co-axial

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.

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.

Émulsions doubles se composent de gouttelettes séparées d'une phase de support par une couche de fluide intermédiaire, non miscible, et sont d'un intérêt particulier en raison de leurs utilisations potentielles dans les secteurs industriel, pharmaceutique, et les applications biologiques ^1. Dans certains cas, la capacité d'encapsuler des composés à haute valeur dans le noyau permet une émulsion double matière à protéger et libérée de manière contrôlée. Par exemple, les médicaments peuvent être encapsulés dans des conditions de solubilité pas appropriées pour le support fluide externe ^2. En outre, la couche huileuse intermédiaire peut être utilisé comme modèle de la capsule pour l'encapsulation et la libération de médicaments, les cosmétiques et les nutriments ^3. En biologie, émulsions doubles sont également utiles dans le criblage à haut débit, car ils permettent un nombre massif d'expériences sous-nanolitre à effectuer, alors détecté et triée en utilisant une cellule activé par fluorescence (FACS) ^4,5 instrument.

Dans cet article, nous décrivons un générateur de double émulsion qui utilise les flux de co-axial se concentrant pour produire ≤ 50 um émulsions et est construit en utilisant entièrement 3D lithographie douce ^11. Notre dispositif utilise une approche à clapet pour fabriquer des dispositifs qui comprend un petit canal de cisaillement (Figure 1) de rapprocher les processus de formation de l'émulsion dans une buse capillaire de verre tiré. Plus important encore, ces dispositifs nécessitent aucun traitement de surface spécifique, et la construction tout polymère fournit facile et reproductible fabrication scalable à un grand nombre de périphériques en double. Ici, nous décrivons la conception, la fabrication et les tests du générateur double émulsion. Double génération d'émulsion se révèle être robuste et reproductible jusqu'à des diamètres de gouttelettes de 14 um. Le couplage de la fonctionnalité avec la facilité de fabrication rend ce dispositif une option attrayante pour le développement de nouvelles applications doubles d'émulsion.

1. SU8 Fabrication de Maître

1. Concevoir les structures microfluidiques pour deux fabrication de couche en utilisant le logiciel AutoCAD et ont les dessins imprimés par un fournisseur sur le film de la carte de circuit avec 10 um résolution. Les détails de la conception de l'appareil sont données dans une référence attachée ^{11 et} les géométries de canaux sont présentés dans la figure 1. Les couches devraient inclure des repères d'alignement pour aider placez les caractéristiques de chaque couche de fabrication ^12.
2. Placez une tranche de silicium de 3 pouces de diamètre préalablement nettoyé sur une tournette et tourner sur le vide pour l'apposer sur le mandrin. Appliquer 1 ml de SU8-3035 dans le centre de la plaquette et de spin pendant 20 secondes à 500 tours par minute, puis 30 secondes à 2000 tours par minute, offrant une épaisseur de couche de 50 um.
3. Retirer la plaquette et faire cuire sur une plaque de cuisson à 135 ° C pendant 30 min. Laisser refroidir la tranche à la température ambiante avant de passer à l'étape suivante.
4. Exposer la tranche revêtue ^au 1 er masque de calque (figure 2A ) sous un collimaté 190 mW, 365 nm LED pendant 90 secondes. Après l'exposition, placez la galette sur une plaque de cuisson de 135 C ° pendant 1 min, puis refroidir à température ambiante avant de procéder à la prochaine étape.
5. Placez la plaquette sur la tournette et tourner sur le vide pour l'apposer sur le mandrin. Appliquer 1 ml de SU8-2050 dans le centre de la plaquette et de spin pendant 20 secondes à 500 tours par minute, puis 30 secondes à 1375 tours par minute, résultant en une couche qui fournit une épaisseur supplémentaire de 135 um.
6. Retirer la plaquette et cuire sur une plaque de cuisson à 135 ° C pendant 30 min, puis refroidir à température ambiante avant de passer à l'étape suivante.
7. Aligner le ² ème masque de calque (figure 2B) sur la géométrie à motifs en 1.3 et exposer la plaquette revêtu à une collimaté 190 mW, 365 nm LED pendant 3 min. Après l'exposition, placer sur une plaque de cuisson à 135 ° C pendant 1 min, puis refroidir à température ambiante avant de procéder à la prochaine étape.
8. Développer les masques par immersion dans un bain sous agitation de propylèneglycol acétate d'éther monométhylique de 30 min. Laver la plaquettedans de l'isopropanol et de cuisson sur une plaque chauffante à 135 ° C pendant 1 min. Placez le maître développé dans un plat 100 mm Petri pour PDMS moulage.

2. PDMS de fabrication du dispositif

1. Préparation 10: 1 PDMS en combinant 50 g de base de silicone avec 5 g d'agent de durcissement dans un gobelet en plastique. Mélanger le contenu avec un outil rotatif équipé d'un bâtonnet. Dégazer le mélange dans un dessiccateur pendant 30 minutes, ou jusqu'à ce que toutes les bulles d'air sont éliminées.
2. Verser les PDMS pour donner une épaisseur de 3 mm sur le maître et remettez-le dans le dessiccateur pour plus de dégazage. Une fois que toutes les bulles sont enlevées, cuire le dispositif à 60 ° C pendant 2 heures.
3. Couper l'appareil du moule à l'aide d'un scalpel et le placer sur une surface propre avec le côté à motifs en place. Couper le moule PDMS en deux avec une lame de rasoir pour séparer Master 1 de Master 2 (Figure 3a). Sur la pièce contenant la géométrie de manutention de 50 um de fluide imprimée par Master 1, poinçonner les entrées et les sorties fluidiques avec un 0,75 mm de punch biopsie.
4. Plasma traiter les appareils à 1 mbar _plasma O 2 pendant 60 secondes dans un nettoyeur à plasma de 300 W. Mouiller la surface de la pièce unpunched de PDMS avec une goutte d'eau DI pour retarder temporairement la liaison PDMS-PDMS et servir comme un lubrifiant. Tout en regardant dans un microscope stéréo, lieu Master 1 Master 2 sur la surface et faites glisser les surfaces relativement jusqu'à un verrouillage mécanique est atteint lorsque les cadres encastrés et cadres en saillie dans la figure 3A compagnon.
5. Placer le dispositif dans un four à 60 ° C et cuire le dispositif assemblé (figure 3B) pendant deux jours à 60 ° C pour évaporer l'eau et le collage complet.

3. Préparation des réactifs

1. Remplissez seringue de 1 ml avec de l'eau distillée pour la phase interne.
2. Remplissez seringue de 1 ml avec HFE 7500 huile fluorée avec 1 poids. % De tensioactif biocompatible tensioactif ^{13 pour la} phase intermédiaire.
3. Remplir la seringue de 10 ml avec 10 poids. % Polyéthylènee glycol (PEG) dans une solution aqueuse contenant 1 en poids. % De Tween 20 et 1 en poids. % De dodécylsulfate de sodium à la phase continue.

4. Preparation System

1. Placer la puce microfluidique sur la platine d'un microscope inversé couplé à une caméra numérique capable de <100 us vitesses d'obturation.
2. Montez toutes les seringues sur les pompes à seringues et fixer 27 g aiguilles. Fixez ~ 30 cm de longueur de tube PE-2 sur les aiguilles et insérer les bouts dans le appropriée de poing des trous dans le dispositif.
3. Insérer une longueur de 10 cm de PE-2 dans l'orifice de sortie du dispositif et placer l'autre extrémité dans un récipient de collecte des déchets.
4. Premier dispositif en exécutant les pompes à seringues à des taux élevés de vitesses (2000 pi / min) jusqu'à ce liquide dans les segments de tube atteint les ports du dispositif d'entrée.

5. Génération Emulsion

1. Concentrer le microscope sur une région qui contient le 50 um x 50 um et l'orificeaval canal de sortie.
2. Définissez les pompes de la seringue pour délivrer un fluide à la double générateur d'émulsion à des taux de 250 pi / h pour la phase interne, 100 pl / h pour la phase intermédiaire, et 700 pi / h pour la phase continue débit et attendre 10 minutes pour atteindre l'équilibre.
3. Maintenir les taux des phases interne et moyenne écoulement à 250 pi / h et 100 pi / h, respectivement. Fixer le taux de la phase externe de flux à 1050 pi / h. Attendez 3-5 min pour le double génération des émulsions pour stabiliser sous cet ensemble de conditions d'écoulement.
4. Acquérir 5 secondes d'images vidéo à 30 Hz pour le traitement hors ligne via une analyse manuelle d'image.
5. Répéter 5,3 et 5,4 avec les débits indiqués dans le tableau 1. Les débits de phase interne et intermédiaire sont maintenues constantes et la vitesse d'écoulement de phase de porteuse est variée en ajustant le réglage de la pompe à seringue.

Le générateur double émulsion se compose d'un dispositif de co-axiale flux concentrant créé en utilisant 3D PDMS fabrication (figure 1A). La géométrie permet que la formation d'une co-axiale jet en trois phases pour être cisaillé dans un carré, 50 um x 50 um orifice, permettant la formation d'eau / huile / eau émulsions doubles (figure 1B, 1C Figure). La phase aqueuse interne et la phase d'huile de milieu sont rassemblés à un carrefour avec des dimensions de canal de 10 um x 50 um (figure 1D, point "1"). En raison de l'hydrophobicité du PDMS, les câlins huile fluorée les parois de canal et le séjour de la phase interne dans le centre du canal en tant que les fluides se déplacent dans un jet continu, jusqu'à atteindre une extension de canal de détente brusque est atteinte (figure 1D, le point "2" ). À cet endroit, les deux phases internes sont injectés dans le centre d'une grande junc 320 umtion qui permet l'introduction relativement concentrique de la phase porteuse aqueuse. Les trois phases sont contraints à un 50 um x 50 um orifice (figure 1D, le point "3"), le débit élevé de la cisaille de la phase porteuse les deux phases internes dans une longue vrille mince qui se décompose à partir de gouttelettes uniformes ( Figure 1E).

La fabrication 3D PDMS nécessite le couplage de deux PDMS moules uniques dans une configuration en forme de coquille après le moulage à deux couches lithographiques maîtres. A 50 um grande couche est utilisé pour former les canaux de fluide interne et moyenne manutention, avec l'orifice de cisaillement sur ​​Master 1 (figure 2A), avec un saillant gratuit et cadres en retrait sur ​​l'opposition maître. Une couche 135 um de hauteur supplémentaire est utilisée pour créer le fluide porteur et les canaux de sortie (figure 2b). Assemblée de la double générateur d'émulsion utilise til en creux et en saillie des trames (figure 3A) pour l'alignement géométrique après traitement par plasma (figure 3B).

Le dispositif à double émulsion a été testé à une variété de conditions d'écoulement afin de démontrer la formation de taille variée, des emulsions monodisperses doubles. Pour ces expériences, les débits phase interne et intermédiaire ont été maintenues constantes et la vitesse d'écoulement de phase de porteuse a été modifiée pour affecter la force de cisaillement lors de la génération de gouttelettes. Les conditions expérimentales sont paramétrées par le rapport du débit de phase de porteuse (Q _c) à la somme des deux phases internes flux (Q _somme). Images de génération de gouttes pour les expériences réalisées à Q _c / Q _somme 3-57 sont présentés sur la figure 4. Une région allongée contenant les deux intérieurs phases est observée pour faire saillie dans le 50 um x 50 um orifice et se brise en gouttelettes qui sont par convection en aval. jencreasing l'écoulement de la phase de la porteuse (croissant Q _c / Q _somme) conduit à des phases internes étant cisaillés en régions progressivement plus minces qui produisent des gouttelettes plus petites. Double emulsions produites par le dispositif à différents débits d'écoulement présentent un coefficient de variation de diamètre moyen de 5,2%. Histogrammes des diamètres de gouttelettes pour sélectionner des valeurs de Q _c / Q _somme montrent aussi la relative uniformité de la taille des gouttelettes généré (Figure 5). Le dispositif démontre une capacité à former des émulsions doubles nettement plus petit de la largeur de l'orifice, et montre une tendance à la baisse clair avec Q accrue _c / Q _somme (Figure 6). Au plus haut débit porteuse de phase testé, 14 um émulsions doubles ont été formés en utilisant le 50 um x 50 um orifice.

Figure 1. Géométrie de la double générateur d'émulsion. (A) modèle 3D de l'appareil fabriqué. Porteuses (bleu) phases (B) de section transversale verticale du canal central montrant introduction de l'intérieur (gris), moyen (rouge), et. (C) coupe montrant le jet contenant les deux phases intérieures entrant l'orifice carré. (D) Vue de dessus de la production d'émulsion dans l'appareil. A la jonction (1) l'injection de la phase milieu hydrophobe est facilitée par les PDMS hydrophiles, ce qui provoque son manteau les parois du canal. À la sortie (2) du canal se dilate et un jet de deux phases internes est cisaillé dans l'orifice (3) par la dose la plus élevée de l'écoulement du fluide continu jusqu'à un point où la formation de gouttelettes de la cause physique. (E) une image au microscope de la double production d'émulsion dans l'appareil. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2. La production lithographique des maîtres. (A) Le masque utilisé pour la préparation de 50 um fonctions. Master 1 est utilisé pour mouler les entrées fluidiques, la jonction interne / phase intermédiaire, l'orifice de production d'émulsion, et un creux en retrait de l'alignement. Master 2 contient une crête soulevé utilisé pour l'alignement. (B) Le masque utilisé pour la préparation de 135 um caractéristiques. Les maîtres sont des images miroir qui contiennent les voies d'acheminement de fluide porteur et le canal de sortie. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3. L'assemblage du dispositif PDMS. ( A) Fabrication PDMS dalles contiennent cadres encastrés et en saillie gratuits. (B) assemblé, les cadres verrouillage pour assurer un alignement optimal de fonctionnalités. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4. Images d'émulsions doubles générés à différents débits. Le débit de la phase externe d'écoulement est modifié pour altérer Q _c / Q _somme, qui est donnée à la gauche de chaque image. L'augmentation de Q _c / Q _somme rétrécit le jet des fluides internes étant cisaillés à travers l'orifice, créant de plus en plus petites gouttelettes. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5. Les histogrammes de doubles gouttelettes d'émulsion tailles à différents débits. Le coefficient moyen de variation du diamètre des gouttelettes d'émulsion produite à un ensemble donné de conditions d'écoulement est de 5,2%. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6. diamètre des gouttelettes par rapport normalisé paramètre de débit. Réglage de la vitesse de la phase continue de flux permet la production d'émulsions doubles qui sont 30% à 100% du diamètre de l'orifice. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

La géométrie émulsion double générateur décrit ici est conçu pour imiter la physique des dispositifs de capillaires en verre ^8. Dans ceux-ci, des capillaires en verre cylindriques alignées sont utilisés pour créer un jet coaxial à trois phases qui est cisaillé en doubles gouttelettes d'émulsion uniforme. La fonction de notre dispositif 3D PDMS dépend de l'alignement central de petits traits formés avec 50 um de hauteur avec les chaînes de fabrication de la phase porteuse qui sont 320 um de hauteur totale. Il existe un potentiel important pour les caractéristiques d'un mauvais alignement plus grands motifs par le masque de couche ² ème à l'étape 1.7 par rapport à la hauteur géométrie 50 um si les masques ne sont pas alignés avec précision. Un bon alignement peut être facilitée par la conception de repères d'alignement, comme des cercles concentriques en masques d'être co-situées cours photo structuration. La liaison plasmatique de deux PDMS moitiés du dispositif est un deuxième processus qui peut conduire à des distorsions importantes du dispositif final. Collage plasmade PDMS pour PDMS est généralement instantanée, de sorte que dans l'étape 2.4, nous décrivons le mouillage d'une surface du dispositif avec de l'eau DI pour retarder la liaison et permettre la manipulation de sorte que les trames d'alignement représentées sur la figure 3A peuvent être autorisés à se bloquer. Si cela est tentée sans mouillage suffisante, les surfaces de PDMS seront irréversibilité liaison avant d'entrer dans un bon alignement, et le dispositif doivent être éliminés et de nouveaux moules PDMS fait.

Le dispositif à double émulsion est conçue pour tirer parti des techniques de fabrication qui conduisent à des que propriétés de surface hydrophobes uniformément. Cependant, un fonctionnement hors des paramètres décrits dans le protocole exige une certaine compréhension des processus fluidiques nécessaires. A la jonction des phases interne et moyenne (figure 1D, point "1"), un débit relativement élevé de la phase interne et de faible débit de la phase intermédiaire de créer un jet à deux phases, avec la phase milieu hydrophobe revêtir les parois du canal. Sil'écoulement proportionnel de la phase du milieu est augmentée, la génération de gouttelettes discrètes eau-dans-huile va commencer à se produire, ce qui élimine la possibilité de former un jet à trois phases cohérente de formation de gouttes dans l'orifice (figure 1D, le point "3" ). Après l'expansion du canal (figure 1D, le point "2"), une quantité importante de flux de phase de porteuse est nécessaire pour créer une séparation géométrique entre la phase intermédiaire et les parois des canaux hydrophobes. Réductions de débit de phase de porteuse finiront par conduire à la phase intermédiaire mouillant les parois de l'appareil hydrophobes. Des réductions significatives de l'écoulement de phase de porteuse peuvent créer des conditions d'écoulement qui sont insuffisants pour cisailler les phases internes dans une longue, mince filament, modifiant ainsi radicalement la physique de la double formation de gouttelette d'émulsion.

Une fois construit, ce dispositif est conçu pour produire des émulsions doubles à partir de 14 à 50 um, un format pratique pour le tri en utilisant FACS commerciauxles instruments. Si émulsions doubles en dehors de cette gamme de taille sont souhaitées, les dimensions de l'orifice doivent être mis à l'échelle de la taille de 50 um x 50 um utilisée ici. Parce que le dispositif est conçu pour produire des émulsions doubles eau / huile / eau avec des propriétés de surface uniformément hydrophobes, huile / eau / huile émulsions doubles peuvent pas créés moins qu'il y ait un traitement de surface appliqué à rendre le dispositif uniformément hydrophile.

Ce travail démontre un dispositif facile à fabriquer PDMS capable de la formation robuste des émulsions doubles eau / huile / eau. Bien que les chercheurs antérieurs ont rapporté la formation d'émulsions doubles dans des dispositifs créés en utilisant la lithographie en 3D ^14,15, les émulsions doubles formées dans leurs appareils ont des diamètres qui ont été mesurées à 100s de um. Le dispositif présenté ici est adapté à la production d'émulsions doubles un ordre de grandeur plus petite que cela, fournir des volumes similaires à des cellules de mammifères et bien adaptés au tri par FACS.

Bien que ces résultats peuvent également être obtenus en utilisant la microfluidique capillaires en verre, la fabrication de dispositifs de verre est laborieux et nécessite de nombreuses mains sur les mesures par appareil. Pour notre dispositif tous les PDMS, la fabrication se compose essentiellement de moulage, collage, et de dalles de cuisson de PDMS, les processus qui sont simples, reproductibles, et facile à l'échelle à un grand nombre.

L'utilité d'un dispositif fabriqué par lithographie pour produire des émulsions doubles en utilisant le flux co-axial se concentrant a été démontrée. Nous espérons que la fabrication simple et des fonctionnalités robustes de cette double conception d'un générateur d'émulsion devraient conduire à son adaptation pour les applications scientifiques et industrielles. Les enquêteurs ont déjà découragés par les compétences spécialisées requises pour travailler dans capillaire en verre microfluidique, devraient être plus à l'aise avec PDMS lithographie douce, maintenant une technique de laboratoire commun. En outre, la petite taille des gouttelettes qui peuvent être produites est bien adapté aux perform cellulaire et des dosages biologiques en gouttelettes, et la quantification et le tri en utilisant FACS. Pour les applications industrielles, il a déjà été montré que ces types de dispositifs peuvent être fabriqués dans des tableaux et parallélisés ^10, permettant une double taux de production d'émulsion d'augmenter de plusieurs ordres de grandeurs par rapport à des appareils simples. En outre, la capacité de former de petits émulsions doubles dans les grands canaux d'écoulement se concentrant coaxiaux devrait rendre le dispositif résistant à l'encrassement et de colmatage, ce qui est essentiel quand paralléliser les dispositifs destinés à fonctionner pendant de longues durées sans intervention.

The authors have nothing to disclose.

Ce travail a été soutenu par une bourse de recherche de l'Institut de Californie pour quantitatives Biosciences (de QB3), Bridging the Award Gap de la Fondation Rogers famille, le / Programme de la Fondation Sandler UCSF pour Breakthrough Biomedical Research, une subvention de BASF, et de la NSF travers Programme Faculté Early Career Development (Carrière) (DBI-1253293).