דור של פולי שבשליטת גודל (אתילן גליקול) Diacrylate טיפות דרך דו-תלת-ממדי לזרום התמקדות Microfluidic מכשירים
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי להמחיש את תהליכי ייצור וניסויים אימות של semi-three-dimensional (למחצה 3D) מיקוד זרימת microfluidic שבב על היווצרות droplet.
Abstract
פוליפוני אחיד ואת גודל-לשליטה (אתילן גליקול) diacrylate (PEGDA) טיפות ניתן לייצרו באמצעות הזרם התמקדות בתהליך במכשיר microfluidic. הנייר הזה מציעה semi-three-dimensional (למחצה 3D) מיקוד זרימת microfluidic שבב על היווצרות droplet. השבב polydimethylsiloxane (PDMS) היה מפוברק בשיטת הדפס אבן רכה רב-שכבתית. Hexadecane המכיל חומרים פעילי שטח שימש שלב רציף, PEGDA עם אולטרה סגול (UV) צילום-היוזם היה השלב התפזרו. פיתחה אפשרה את מתח הפנים המקומי להטיל ויצרו טיפ יותר cusped אשר קידם פורצים מיקרו-טיפות קטנות. כמו הלחץ של שלב התפזרו היה קבוע, בגודל של טיפות נהיה קטן יותר עם הגדלת לחץ מתמשך שלב לפני שלב התפזרו זרימה היה נשבר. כתוצאה מכך, טיפות עם וריאציה גודל מ מיקרומטר 1 מיקרומטר 80 קוטר ניתן להשיג באופן סלקטיבי על-ידי שינוי היחס לחץ בשני ערוצים כניסת, המקדם הממוצע של וריאציה נאמדת מתחת ל 7%. יתר על כן, טיפות יכול להפוך מיקרו-חרוזים על-ידי חשיפה UV עבור צילום-הפילמור. Conjugating מולקולות על פני מיקרו-חרוזים כאלה יש הרבה שימושים פוטנציאליים בתחומי ביולוגיה וכימיה.
Introduction
מערכות מבוססות-droplet microfluidic יש את היכולת לייצר מאוד monodisperse טיפות של ננומטר מיקרומטר קוטר טווח1 והחזק פוטנציאל גדול תפוקה גבוהה סמים גילוי2, סינתזה של מולקולות3 ,4ו-5בדיקות האבחון. בשל היתרונות הייחודיים של טיפות קטנות יותר, כגון פני השטח גדול יותר יחס נפח ויישומים בקנה מידה גדול עם צריכת microliters כמה מדגם, הטכנולוגיה משכה עניין נרחב במגוון רחב של תחומים. תחליב של שני נוזלים immiscible היא אחת השיטות האופייניות ביותר ליצירת droplet. בדוחות קודמים בתחום, חוקרים פיתחו מגוון רחב של גיאומטריות היווצרות droplet שונים, לרבות צומת t, מיקוד זרימה וזורמת משותפת גיאומטריות. ב גאומטריה צומת t, השלב התפזרו מועבר דרך ערוץ בניצב לתוך הערוץ הראשי, שבו זורם השלב רציף6,7. בגיאומטריה טיפוסי דו-ממדית (2D) מיקוד זרימה8,9 , הזרם מפוזר שלב זה לכסנתם מן הכביש הצדדי; והניח שיתוף זורם הגיאומטריה10,11, מצד שני, נים היכרות עם הזרם מפוזר שלב הוא co-axially בפנים נימי גדול עבור שותף זורם גאומטריה, כך הזרם מפוזר שלב זה לכסנתם מן לכל הכיוונים.
גודל droplet נקבע על-ידי התאמת יחס גודל ערוץ קצב זרימה, הגודל המינימלי המיוצר על ידי שותף זורם או צומת t הוא מוגבל לעשרות מיקרומטר. התמקדות-זרימה droplet היווצרות מערכת, שלושה מצבים של הפרידה droplet טופס על-ידי התאמת היחס הלחץ של שני שלבים ריכוז חומרים פעילי שטח, כולל טפטוף המשטר, המשטר לטוס ו זרימה-טיפ15. עצה-הזרמת מצב זה נקרא גם היווצרות פתיל, ואת המראה של דקה החוט ב”משיכת מהקצה של שלב התפזרו זרימה חרוט יתקיימו. מחקרים קודמים הדגימו טיפות פחות מ מיקרומטר כמה יכולים להיווצר על פי עצה-הזרמת תהליך ב- 2D או למחצה 3D מיקוד זרימה התקן8,12. עם זאת, כמו פתרון מימית המכילה ריכוז נמוך מאוד של PEGDA שימש את שלב התפזרו, היחס הצטמקות של חלקיקים PEGDA היה כ- 60% טיפות המקורי בקוטר לאחר צילום-פלמור, בעוד PEGDA ללא דילול כמו שלב התפזרו הובילו לא יציב הזרמת מידע מצב12. מתח פנים הוא פרמטר חשוב מתהליך אמולסיה, זה יקטן בשל התוספת של חומרים פעילי שטח לתוך הנוזל שלב רציפה, המוביל לירידה בגודל אגל, תדירות גבוהה יותר הדור13, עצה מאוד מעוקל, ו מניעת חוסר יציבות14. יתר על כן, כאשר ריכוז חומרים פעילי שטח בכמות גדולה הרבה יותר ריכוז קריטי מיצלה גבוה, מתח פנים כ מחזוריים במצב רוויה13 , מצב הזרמת עצה יכול להתרחש15.
מבוסס על תצפיות לעיל, בנייר זה, פיתחנו בגישה נתיישב לדור טיפות PEGDA באמצעות למחצה 3D מיקוד זרימה microfluidic, מכשיר מפוברק על ידי שיטת הדפס אבן רכה רב-שכבתית. שונה מהתקן טיפוסי 2D מיקוד זרימה, המכשיר תוך התמקדות זרימה למחצה 3D יש ערוץ רדוד שלב התפזרו ערוץ עמוק מתמשך שלב, כך השלב מפוזר יכול הטייה למעלה ולמטה לצד לרוחב. זה מספק מגוון גדול יותר התאמת מצב זרימה-התמקדות על-ידי הפחתת האנרגיה ואת הלחץ הדרוש פרידה droplet. שונה מן הדוח הקודם12, השלב התפזרו הוא מוודא כי היחס הצטמקות של חלקיקים PEGDA הוא נמוך מ 10%16; צילום PEGDAcontaining טהור-יוזם, השלב הרציף הוא התערובת של hexadecane המסת עם ריכוז גבוהות בתפזורת בסיס סיליקון nonionic חומרים פעילי שטח. גודל-לשליטה ואחידה טיפות יוצרו על-ידי התאמת היחס הלחץ של שני שלבים. הקוטר של טיפות משתנה מיקרומטר 80 1 מיקרומטר כמו הפרידה droplet תהליכי שינויים ממצב jetting למצב הזרמת עצה. בנוסף, החלקיק PEGDA סונתז בתהליך הפילמור צילום תחת חשיפה UV. מערכת microfluidic הדור droplet בקלות של ייצור תספק יותר אפשרויות עבור יישומים ביולוגיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הדור של טיפות במצב מיקוד זרימה באמצעות 2D ולמחצה 3D microfluidic התקן קודם לכן פותחה ב מגוון רחב של דוחות8,9,15,19,20, 21. במערכות אלו, הנוזל מימית לא יכול להיות פני השטח למוצק נבחר שלב התפזרו, כגו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מחקר בסיסי שנג’ן מימון (מענק מס ‘ JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665, JCYJ20160317152359560). המחברים רוצה להודות פרופסור י’ חן שנג’ן מכונים מתקדמים הטכנולוגי, האקדמיה הסינית למדעים לתומכים.
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).
