Method Article
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.
Çift emülsiyonlar nedeniyle, endüstriyel, ilaç potansiyel kullanımı ve biyolojik uygulamalarda 1 bir ara, karışmayan sıvı tabaka ile, bir taşıyıcı faz ayrılır damlacıklarının oluşur ve özellikle ilgi çekicidir. Bazı durumlarda, çift emülsiyonun iç değeri yüksek bileşikleri kapsüllemek yeteneği malzemesi korunması ve kontrollü bir şekilde serbest kalmasını sağlar. Örnek vermek gerekirse, dış taşıyıcı akışkan 2 için uygun değildir çözünürlük koşullar altında kapsüllenebilir. Buna ek olarak, ara-ürün yağ tabakası ilaç, kozmetik, ve besin 3 kapsüllenmesi ve dağıtımı için bir kapsül şablon olarak kullanılabilir. Bunlar alt nanoliter deneylerin büyük bir sayı daha sonra, yürütülen algılanabilir ve (FACS) aleti 4,5 sıralama bir floresan-aktive edilmiş hücre kullanarak kriteri izin için biyolojide çift emülsiyonlar, ayrıca yüksek verimli tarama teknikleri de yararlıdır.
ent "> istenen performans özellikleri ile çift emülsiyonlar tasarımı çift emülsiyon boyutu, kompozisyonu ve tekdüzelik hassas kontrolünü gerektirir. Böyle zar emülsifikasyonu olarak toplu emülsifikasyon süreçleri, sanayide kullanılmasına rağmen, ortaya çıkan emülsiyonlar, son derece polidispers olduğu bir sergileme işlevsel özellikleri 1. çeşitli. damlacık Mikroakiskan alan doğal dikkatle kontrol kompozisyon 6 monodispers emülsiyonlar nesil uygundur. Mikroakışkan çift emülsiyon üretimi odaklanan iki ana stratejiler, sıralı damla yapma ve cam kılcal akışı ile elde edilmiştir. Çift emülsiyonlar can verme süreci, iki aşamalı bir düşüş ile düzlemsel PDMS cihazlar üretilebilir. İlk olarak, sulu bir yağ-içinde-su emülsiyonları, bir yağ-içinde-açılan verme hidrofobik kanal duvarları ile bir cihazın bölgesi. İleri kullanılarak oluşturulur, emülsiyon olabilir akıyordu ya da su içinde yağ için uygun hidrofil duvarlı bir damla yapma bölgeye tekrar enjektedamla yapma 4. Bununla birlikte, pmds hidrofilik yüzey işlemi ek bir üretim aşamasını gerektirmekte ve 7 geçici genellikle. Çift emülsiyonlar oluşturmak için en kontrollü ve tekrarlanabilir bir yöntem eş eksenel akış odaklanarak olduğunu bir tekniktir üç faz içeren bir konsantrik jet monodispers damlacıklar 8 üretmek için küçük bir delikten makaslanmış sayede cam kılcal mikroakışkanları kullanarak öncülük etmiştir. Bu teknik, her fazının akış oranlarının bir fonksiyonu olduğu, çift emülsiyon kesin boyutu ve bileşimi ile, kanal boyutları çok daha küçük damlacıkların üretimine olanak sağlamaktadır. Damlacık ve kanal boyutu ve koruyucu dış kılıf akışı arasındaki büyük fark, kanal duvarlarını temas gereksiz yüzey işleme render gelen damlacıkları engeller. Ancak, bu tür cam cihazları dikkatli montaj ve sızdırmazlık birlikte, konik kılcal ipuçları özel imalat gerektirir. Önceki araştırmacılar 3D yumuşak litho kullanmışgrafisi fizik odaklama akış kullanılarak çift emülsiyonlar oluşturmak için, ancak bu cihazlar çapları> 150 mikron 9,10, genellikle FACS ile sıralanır nesnelerden daha büyük boyutlu kabaca bir sipariş ile emülsiyonlar üretti. Cazip bir alternatif PDMS yumuşak litografi üretim kolaylığı ile odaklama cam kapiller koaksiyel akışının güçlü işlevler ve küçük damlacık nesil içerir.Bu yazıda 50 mikron emülsiyon ≤ üretmek için odaklama koaksiyel akışını kullanır ve tamamen 3D yumuşak litografi 11 kullanılarak inşa edilmiştir çift emülsiyon jeneratör açıklar. Bizim cihaz çekilmiş bir cam kılcal memesinde emülsiyon oluşumu süreçlerine yaklaştığı küçük kesme kanalı (Şekil 1) ihtiva cihazları imal etmek için bir kapaklı bir yaklaşım kullanır. Daha da önemlisi, bu cihazlar özel yüzey işlemi gerekebilir ve tüm polimer yapı kolay ve tekrarlanabilir üretim sc sağlarÇift cihaz çok sayıda alable. Burada, çift emülsiyon jeneratör tasarımı, imalatı ve test özetlemektedir. Çift emülsiyon üretimi 14 um damlacık çapları kadar sağlam ve tekrarlanabilir olduğu gösterilmektedir. Imalat kolaylığı ile fonksiyonellik bağlama bu cihaz yeni çift emülsiyon uygulamalarının geliştirilmesi için cazip bir seçenek haline getiriyor.
1. SU8 Usta Fabrikasyon
2. PDMS Cihaz İmalatı
Reaktiflerin 3. Hazırlık
4. Sistem Hazırlama
5. Emülsiyon Üretimi
Çift emülsiyon jeneratör 3D PDMS Fabrikasyon (Şekil 1A) kullanılarak oluşturulan bir eş eksenel akış odaklama aygıtın oluşur. Geometrisi üç fazlı koaksiyal jet oluşumunun su / yağ / su emülsiyonları, çift (Şekil 1B, Şekil 1C) oluşumuna izin veren, bir kare, x, 50 um menfez 50 um olarak kesilmiş olanak sağlar. İç sulu faz ve orta yağ fazı 10 um kanal boyutları olan bir birleşme kısmında bir araya getirilir x 50 um (Şekil 1D, noktası ", 1"). Ani bir genişleme kanal genişletme ulaşılana kadar dolayı PDMS hidrofobikliğin, florlu yağ sarılarak kanal duvarları ve akışkanlar olarak kanalın ortasına iç faz kalır, sürekli bir jet yolculuk (Şekil 1D, gelin "2" ). Bu konumda, iç iki faz 320 mikron boyunda iltisakından merkezine enjekte edilirSulu taşıyıcı fazının nispeten eş girişine izin verir tion. Üç faz 50 mm x 50 mm deliği zorla (Şekil 1D, gelin "3"), bu sayede taşıyıcı faz makası yüksek debi üniforma damlacıklar ila parçalanır uzun, ince tendril içine iç iki faz ( Şekil 1E).
3D PDMS imalat iki tabakalı taşbaskı ustalar üzerinde kalıp sonra kapaklı konfigürasyonunda iki eşsiz PDMS kalıp bağlanmasını gerektirir. 50 um boyunda katman ücretsiz Çıkıntılı ile birlikte, ana 1 (Şekil 2A) üzerindeki makaslama deliği ile birlikte, iç ve orta akışkan sevk kanalları oluşturmak için kullanılan ve ana karşı çerçeveleri girintilidir. Ek 135 mikron boyunda katman taşıyıcı akışkan ve çıkış kanalları (Şekil 2B) oluşturmak için kullanılır. Çift emülsiyon jeneratör Meclisi t kullanırO gömme ve plazma tedavisi (Şekil 3B) sonra geometrik hizalama için çerçeveler (Şekil 3A) çıkıntılı.
Çift emülsiyon cihazı değişik boyut, monodispers çift emülsiyon oluşumunu göstermek için akış koşulları çeşitli test edildi. Bu deneyler için, iç ve orta fazı akış oranlarının sabit tutulması ve taşıyıcı fazının akış hızı, damlacık oluşturma sırasında kesme kuvveti etki için değiştirildi. Deney koşulları, iç iki fazın toplamı taşıyıcı faz akışı (Q c) oranı ile parametreli (Q toplamı) akar. Q, C / 3 57 Q toplamı yapılan deneyler için damlacık oluşturma görüntüleri, Şekil 4'te gösterilmiştir. İç ve iki faz içeren bir ince uzun bölgenin konveksiyonel edilen damlacıklar haline 50 mm x 50 mm delik ve aralarında içine doğru çıkıntı yapacak görülmektedir alt. benTaşıyıcı faz akışını koymalarına (artan Q c / Q toplamı) iç fazlar küçük damlacıklar üretmek giderek ince bölgelere makaslanmış olan yol açar. Farklı akış hızlarında cihaz tarafından üretilen çift emülsiyonlar 5,2 varyasyonu% ortalama çapı katsayısı gösterir. Q C / S toplamının seçme değerlerinin damlacık çap Histogramlar üretilen damlacıklar (Şekil 5) boyutuna göreceli homojen göstermektedir. Cihaz daha küçük delik genişliği çift emülsiyonlar oluşturmak için bir yetenek gösterir ve artan Q c / Q toplamı (Şekil 6) ile net azalma eğilimi gösterir. En yüksek taşıyıcı faz akışı, test 14 mikron çift emülsiyonlar 50 mm x 50 mm ağzı kullanılarak oluşturulmuştur.
Doubl Şekil 1. Geometrie emülsiyon jeneratör. Fabrikasyon cihazın (A) 3D model. (B) iç (gri) giriş gösteren merkez kanalın dikey kesit, orta (kırmızı) ve taşıyıcı (mavi) aşamaları. (C) kare delik giren iç iki faz içeren jet gösteren kesiti. (D) cihazda emülsiyon üretimi üstten görünümü. Kavşakta (1) hidrofobik orta fazın enjeksiyon kaplamak için kanal duvarları neden olur hidrofil PDMS tarafından desteklenir. Kavşakta (2) bir kanal genişler ve iç iki fazın bir jet noktası fizik neden damlacık oluşumu sürekli sıvı akışının yüksek oranda ile açıklık (3) içine kırılır. (E) cihazda çift emülsiyon üretimi bir mikroskopta görüntü. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Ustaların 2. Litografik üretimini Şekil. (A) 50 um özellikleri hazırlanması için kullanılan maske. Master 1 akışkan koylar, iç / orta faz kavşak, emülsiyon üretimi delik ve uyum için bir gömme dip kalıp kullanılır. Master 2 hizalama için kullanılan yükseltilmiş sırt içerir. (B) 135 um özellikleri hazırlanması için kullanılan maske. Ustalar, taşıyıcı sıvı yönlendirme kanalları ve çıkış kanalı ihtiva ayna görüntüleri vardır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
PDMS cihazın Şekil 3. Meclisi. ( A) Fabrikasyon PDMS levhalar ücretsiz girintili ve çıkıntılı çerçeveler içerirler. (B) Montajlı, özellikleri optimum uyum sağlamak için kilit çerçeveleri. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Farklı akış hızlarında üretilen çift emülsiyonlar 4. Görüntüleri Şekil. Dış fazın akış oranı, her resmin solunda verilir Q c / Q toplamı, değiştirmek için değiştirilmiştir. Delikten makaslanmış olan iç sıvıların jet giderek küçük damlacıklar oluştururken, Q c / Q toplamı daraltır artırılması. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
: fo lass = "jove_content"
Çift emülsiyon damlacıklarının Şekil 5. Histogramlar farklı akış hızlarında boyutları. Akış koşulları kümesi verilen üretilen emülsiyon damlacıklarının çapı varyasyon ortalama katsayısı% 5.2 olduğunu. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Normalize debisi parametresi karşı Şekil 6. Damlacık çapı. Sürekli fazın akış hızı ayarlanması% 30 delik çapı -100% olan çift emülsiyonlar üretilmesini sağlar. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Q i [ul / saat] | Q m [ul / saat] | Q toplamı [ul / saat] | Q c [ul / saat] | Q, C- / Q toplamı |
100 | 250 | 350 | 1050 | 3 |
100 | 250 | 350 | 2100 | 6 |
100 | 250 | 350 | 3850 | 11 |
100 | 250 | 350 | 5950 | 17 |
100 | 250 | 350 | 8050 | 23 |
100 | 250 | 350 | 10150 | 29 |
100 | 250 | 350 | 11900 | 34 |
100 | 250 | 350 | 17150 | 49 |
100 | 250 | 350 | 19950 | 57 |
Deneyler için kullanılan Tablo 1. Akış hızı parametreleri. İç faz ve orta fazlı akış hızları (Q i Q m) sabit bir kombine debisi (Q toplamı) vererek, sürekli tutulur. Taşıyıcı fazı akış oranı (Qc) farklı çaplarda iki emülsiyonları üretmek için değiştirilir. Oranı Q c / Q toplamı deneysel koşullar açıklayan başlıca boyutsuz parametredir.
Burada anlatılan çift emülsiyon üreten geometri cam kılcal cihazlarının 8 fiziğini taklit için tasarlanmıştır. Bunlarda, hizalanmış silindirik cam kılcal kısımların düzgün çift emülsiyon damlacıkları haline kesilmiş olan bir üç fazlı koaksiyal püskürmesi oluşturmak için kullanılır. Bizim 3D PDMS cihazın işlevi toplam yüksekliği 320 mm olan taşıyıcı faz kanallarını 50 mikron boyunda imalat ile oluşturulan küçük özellikler merkez hizalama bağlıdır. Maskeleri doğru hizada değilse 50 mikron boyunda geometri ile ilgili adım 1.7 2. katman maskesi ile desenli uzun özelliklerini misaligning için önemli bir potansiyel vardır. Tam hizalama fotoğraf desenlendirme sırasında birlikte bulunduğu için maskeler bu tür konsantrik daireler olarak hizalama işaretlerini, tasarlayarak destekli edilebilir. Cihazın iki PDMS yarım plazma yapıştırma son cihazın önemli bir yanlış hizalama yol ikinci bir süreçtir. Plazma yapıştırmaAşama 2.4 biz bağ geciktirir ve Şekil 3A'da gösterilen hizalama çerçevesi kilitlemek için izin verilmesi, böylece manipülasyon DI su ile bir aygıt yüzeyinin ıslanmasını tarif nedenle PDMS PDMS genellikle anlık. Bu yeterli ıslanma olmadan teşebbüs edilirse, PDMS yüzeyler düzgün hizaya gelmeden önce bağı Tersinmezlik olacak ve cihaz atılmalıdır ve yeni PDMS kalıplar yaptı.
Çift emülsiyon cihazı fabrikasyon teknikleri o kurşun üniform hidrofobik yüzey özellikleri yararlanmak için tasarlanmıştır. Ancak, protokolde açıklanan parametrelerin dışında çalışması gereken akışkan süreçlerin bazı anlamayı gerektirir. İç ve orta fazın bir bağlantı (Şekil 1D, noktası ", 1"), iç faz ve orta fazın düşük akım, nispeten yüksek bir akış hidrofobik orta fazlı kanal duvarları kaplanması ile iki fazlı bir püskürtülmesi. EğerOrta faz orantılı akış deliğinin (Şekil 1D damla oluşumu için tutarlı bir üç fazlı bir püskürtü oluşturmak için yeteneği noktası "3" ortadan kaldırarak, kesikli bir su-içinde-yağ damlacıklarının oluşumu oluşmaya başlar artar ). Kanal genişleme sonra (Şekil 1D, gelin "2"), taşıyıcı faz akışının önemli miktarda orta faz ve hidrofobik kanal duvarları arasında geometrik ayrımı yaratmak için gereklidir. Taşıyıcı faz akışındaki azalma sonunda hidrofobik ıslatma cihazı duvarların orta faza yol açacaktır. Taşıyıcı faz akışında önemli azalmalar dolayısıyla radikal çift emülsiyon damlacık oluşumu fizik değiştirerek, uzun, ince bir filament içine iç evrelerini kesme yetersiz akış koşulları yaratabilir.
Dahili sonra, bu cihaz, ticari FACS ayıklama kullanılarak 50 um, uygun bir boyutu 14 ila iki emülsiyonları üretmek için tasarlanmıştırenstrümanlar. Bu büyüklük aralığı dışında çift emülsiyonlar istenirse, delik boyutları Burada kullanılan 50 mm x 50 mm boyutu ölçekli gerekir. Cihaz düzgün hidrofobik yüzey özelliklerine sahip, su / yağ / su çift emülsiyonlar üretmek için tasarlanmış olduğundan cihaz düzgün hidrofilik hale getirmek için uygulanan bir yüzey işleme vardı sürece, yağ / su / yağ çift emülsiyonlar oluşturulan olamaz.
Bu çalışma su / yağ / su çift emülsiyon sağlam oluşturabilen PDMS cihaz imal kolay gösteriyor. Önceki araştırmacılar 3D litografi 14,15 kullanılarak oluşturulan cihazlarda çift emülsiyon oluşumunu rapor olmasına rağmen, onların cihazlarda oluşan çift emülsiyonlar um 100'ler ölçüldü çapları vardı. Burada bildirilen cihaz memeli hücrelerine benzer ve FA göre sıralama için uygun hacimleri sağlayan çift emülsiyonlarm bu daha küçük büyüklükte bir düzen üreten uygundurCS.
Bu sonuçlar aynı zamanda cam cihazları imalatı, cam kılcal mikroakışkanları kullanılarak elde edilebilmesine rağmen zahmetli ve cihaz başına adımlar eller birçok gerektirir. Bizim bütün PDMS cihaz için, fabrikasyon büyük ölçüde kalıplama, yapıştırma ve pişirme PDMS plaka, çok sayıda karşı ölçekli, basit, tekrarlanabilir ve kolay süreçlerden oluşur.
Bir lithographically fabrikasyon cihazın yarar gösterilmiştir odaklama koaksiyel akışını kullanarak çift emülsiyonlar oluşturmak için. Biz basit imalat ve bu çifte emülsiyon jeneratör tasarımı sağlam işlevselliği, bilimsel ve endüstriyel uygulamalar için adaptasyon gitmelidir umuyoruz. Daha önce kılcal cam Mikroakiskan çalışmak için gerekli özel becerilere tarafından engelledi Müfettişler PDMS yumuşak litografi, şimdi ortak bir laboratuar tekniği kullanılarak daha rahat olmalıdır. Bundan başka, elde edilebilir, küçük damlacık boyutları performan- için uygundurm hücresi ve damlacıklar biyolojik analizler ve miktar ve kullanım FACS sıralama. Endüstriyel uygulamalar için, zaten cihazların bu tür diziler halinde imal ve tek cihazlara kıyasla büyüklükleri siparişleri artması çift emülsiyon üretim oranlarını sağlayan 10 paralelleştirilmiş edilebileceği gösterilmiştir. Buna ek olarak, yetenek müdahalesi olmadan uzun süreler için çalıştırmak amacıyla cihazlar koşutlama zaman kritik kirlenme ve tıkanma dayanıklı cihaz, yapmalıdır büyük koaksiyel akış odaklanan kanallarda küçük çift kişilik emülsiyonlar oluşturmak için.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma Sayısal Biosciences için California Institute (QB3), Rogers Aile Vakfı, Cephe Biyomedikal Araştırma, BASF'den bir hibe için UCSF / Sandler Vakfı Programı Bridging Gap Ödülü ve NSF aracılığıyla bir Araştırma Ödülü ile desteklenmiştir Fakülte Erken Kariyer Gelişimi (KARİYER) Programı (DBI-1253293).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Photomasks | CadArt Servcies | ||
3" silicon wafers, P type, virgin test grade | University Wafers | 447 | |
SU-8 3035 | Microchem | Y311074 | |
SU-8 2050 | Microchem | Y111072 | |
Sylgard 184 silicone elastomer kit | Krayden | 4019862 | |
1 ml syringes | BD | 309628 | |
10 ml syringes | BD | 309604 | |
27 gaugue needles | BD | 305109 | |
PE 2 polyethylene tubing | Scientific Commodities, Inc. | B31695-PE/2 | |
Novec 7500 | Fisher Scientific | 98-0212-2928-5 | Commonly knowns as HFE 7500 |
Biocompatable surfactant | Ran Biotechnologies | 008-FluoroSurfactant | |
35,000 MW PEG | Sigma Aldrich | 1546660 | |
Tween 20 | Sigma Aldrich | P1369 | |
Sodium dodecyl sulfate | Sigma Aldrich | L3771 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır