Name: generation of size-controlled poly (ethylene glycol) diacrylate droplets via semi-3-dimensional flow focusing microfluidic devices
Uploaded: 2018-07-03T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 8 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Generation of Size-controlled Poly ethylene Glycol Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices at JoVE.com

Diese Arbeit wurde von der Shenzhen Grundlagenforschung Finanzierung (Grant Nr. unterstützt. JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665 und JCYJ20160317152359560). Die Autoren möchten Prof. Y. Chen an der Shenzhen Institute of Advanced Technology, chinesische Akademie der Wissenschaften für Unterstützungen bedanken.

1. Schimmel Fertigung
<ol><li>Zwei Fotomasken mit einer Zeichnung Software zu entwerfen. Beschreiben Sie die Umrisse der Microchannel Struktur zu und verwenden Sie zwei separate Ebenen für Maske 1 und 2 in der gleichen Zeichnung, also gewährleisten Sie alle Verbindungen zwischen verschiedenen Kanälen zu. Verschiedene Ebenen unabhängig voneinander um Chrom-Platte auf dem Glas von einem Anbieter mit 1 µm Auflösung zu drucken. Sicherstellen Sie, dass die Fotomasken dunkel mit transparent gestaltete Strukturen als ein negativer Polarität. Hinweis: Die Maske 1 enthält die dispergierte Phase Einlasskanal und eine Öffnung. Die Maske 2 enthält die dauerphase Einlasskanal, den Filter und die Steckdose.</li>
	<li>Reinigen Sie in ausgewiesenen Photolithographie Labor einen 3-Zoll-Durchmesser-Silizium-Wafer. Legen Sie die Wafer auf eine Spin Coater, schalten Sie das Vakuum den Wafer zum Spin Futter anzubringen. Spin-Mantel 2-3 mL von SU-8 2025 negativer Photoresist auf dem Wafer für 10 s bei 1.000 u/min, dann 30 s bei 3.000 u/min, Bereitstellung der ersten Schichtdicke von 20 µm.</li>
	<li>Weiche Backen auf einer Herdplatte 95 ° C für 6 min. Nachdem die beschichtete Wafer auf Raumtemperatur (RT) abgekühlt, setzen Sie es über die Maske 1 unter einem kollimierten 15 mW/cm2, 365 nm UV für 18 S. Post-Exposition auf eine Herdplatte 95 ° C für 6 min. Backen, dann die Wafer auf RT abkühlen lassen</li>
	<li>Wiederholen Sie die Spin-Coating-Verfahren. Anwenden von 2-3 mL von SU-8 2100 negativer Photoresist auf dem Wafer für 10 s bei 1.000 u/min, dann 30 s bei 2.000 u/min, bietet der zweite Schichtdicke von 130 µm. Nach weiche Backen auf einer Herdplatte 95 ° C für 35 min, legen Sie die Maske 2 auf der zweiten Schicht Photoresist aussetzen für 30 s, die mit der dispersen Phase-Kanal-Ebene durch eine UV-Aligner ausgerichtet war. Post-Exposition, auf einer Herdplatte 95 ° C für 7 min backen.</li>
	<li>Den Wafer durch Eintauchen in einem gerührten Bad 50 ml von Propylenglykol Methyl Äther Acetat bis Funktionen auf dem Wafer klar, dann waschen Sie es mit Spiritus zu entwickeln. Schließlich legen Sie die Wafer auf die thermostatischen Plattform zum Backen für 2 h.</li>
</ol>2. halb-3D Flow-Fokussierung Mikrofluidik-Chip Fabrication
<ol><li>Mix-PDMS Monomer und seine Härtemittel in einem etwas anderen Gewichtsverhältnis für die oberen und die unteren Schichten, in der Regel 10:1 für die oberste Schicht, und 8:1 für die Unterschicht verwenden automatische Salbe Rührwerk für 4 min. Hinweis: Die oberen und unteren PDMS-Platten sind bereit, in ein etwas anderes Verhältnis (10:1 und 8:1 bzw.) der PDMS-Basis zum Härtemittel, Verbesserung der Haftfestigkeit. Beim 5:1 Verhältnis für die Unterschicht gewählt wird, die steifere Bodenplatte PDMS Ausrichtung erschwert und Haftfestigkeit aufgrund mangelnder Flexibilität reduziert. Darüber hinaus ist die Dicke der Bodenplatte PDMS ca. 1 mm für die Anpassung des Arbeitsabstand des Mikroskops. Der Chip verformt sich leicht unter hohem Druck bei 15:1-Verhältnis gewählt wird.</li>
	<li>Gießen Sie die Mischung in die fertige Silikon-Form in einer 90-mm-Petrischale und bieten eine Dicke von 2 ~ 3 mm. Legen Sie sie in einer Vakuumkammer und degas bis alle Luftblasen verschwinden. Heilung bei 80 ° C für 1 h im Ofen.</li>
	<li>Lassen Sie die PDMS auf RT. Verwendung abkühlen ein Skalpell zum Ausschneiden des Gerätes mindestens 3 mm von den Funktionen und langsam Abziehen der PDMS-Schicht aus dem Siliziumwafer. Lochen Sie die dispergierte Phase Inlet, dauerphase Einlass und Auslass in der PDMS-Deckschicht mit einem 0,75 mm Durchmesser.</li>
	<li>Reinigen Sie die PDMS mit Klebeband um Staubpartikel zu entfernen. Plasma Behandlung der oberen und unteren PDMS Schichten gleichzeitig für 2 min in einem 300 W Plasma Reiniger. Die oberste Schicht auf der unteren Ebene Oberfläche und schieben Sie die Oberflächen relativ bis Funktionen ausgerichtet sind durch ein Stereo-Mikroskop betrachten.</li>
	<li>Das Gerät in einem Ofen bei 120 ° C für einen Tag zu erhöhen die Festigkeit und vollständige Verklebung zu heilen.</li>
</ol>(3) Reagenzien Vorbereitung
<ol><li>Bereiten Sie die Lösung für die kontinuierliche Phase: Hexadecan durch 18 Vol % Silikon basierende nichtionische Tenside lösen.</li>
	<li>Bereiten Sie die Lösung der dispersen Phase: hydrophile Poly (Ethylenglycol) Diacrylate (PEGDA, MW 255) mit 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (98 %, MW 224) in einer Konzentration von 5 mg/mL als Foto-Initiator und Rhodamin B () 95 %, MW 479.01) in einer Konzentration von 1 Mmol/L als Fluoreszenz-Farbstoffen.</li>
	<li>Die kontinuierliche Phase 1 mL Stauseen der pneumatische Druckregler einfüllen. Füllen Sie 200 µL Gel laden Tipp mit der dispersen Phase.</li>
</ol>4. die Systemvorbereitung
<ol><li>Stellen Sie das halb-3D mikrofluidischen Gerät auf der Bühne von einem umgekehrten optischen Mikroskop betrachten mit einer Highspeed-Kamera.</li>
	<li>Schließen Sie den fluorierten Ethylen Propylen (FEP) Schlauch an das gestanzte Loch die kontinuierliche Phase durch das Anbringen einer kurzen Edelstahl-Rohr, dann stecken Sie das Ende einer Gel-laden-Spitze in das gestanzte Loch der dispersen Phase. Legen Sie eine 20-cm-Länge von FEP-Schlauch in die Steckdose im Gerät und stecken Sie das Ende in einem 15 mL Zentrifugenröhrchen. Hinweis: Die Konfiguration des Systems ist in Abbildung 1dargestellt.</li>
</ol>(5) Tröpfchen-Bildung
<ol><li>Stellen Sie das Gerät auf der Werkbank von einem inversen Mikroskop, und stellen Sie sicher, dass die Kreuzung der verschiedenen Kanäle sich etwa in die Position der Lichtquelle des Mikroskops befindet. Konzentrieren Sie die inversen Mikroskop auf eine Region, die zwei-Phasen-Schnittmenge enthält, die Blende-Region und der nachgeschalteten Kanal.</li>
	<li>Eingestellte Druck aus zwei Phasen mit pneumatischer Druckregler Flüssigkeit langsam an die sich überschneidenden Region mit 15 Mbar für der dispersen Phase und 30 Mbar für die kontinuierliche Phase liefern. Warten Sie 3 min zur Stabilisierung und Gleichgewichtherstellung bis stabile Strömung tragen keine Luftblasen und PDMS-Rückstände.</li>
	<li>Geben Sie die Parameter auf die Benutzeroberfläche der Steuerungssoftware. Stellen Sie den Druck von der dispersen Phase als Basisebene Druck des Systems auf eine Konstante, zum Beispiel, auf 45 Mbar halten. Erhöhen Sie den Druck der kontinuierlichen Phase bis die Emulsion-Trennung-Modus aus jetten in den Tipp-Streaming-Modus geändert wird, dann warten Sie 5 min zur Stabilisierung.</li>
	<li>Legen Sie das FEP Rohrende Zentrifugenröhrchen, die Tröpfchen sammeln die Austrittsöffnung herstellen.</li>
</ol>6. PEGDA Partikel Auflistung und Charakterisierung
<ol><li>Befestigen Sie die Zentrifugenröhrchen Schraubeinsätze in der Halterung. Erhalten Sie die PEGDA Partikel durch die rasche Erstarrung durch UV-Bestrahlung, wenn Flüssigphase fließen in die Röhre.</li>
	<li>Beim Sammeln von Prozess zu schlichten, probieren Sie und beobachten Sie die PEGDA Partikel durch das Fluoreszenz-Mikroskop mit 20 X oder 60 X Objekte bzw.. Hinweis. Die fluoreszierende Digitalbilder von der Kamera eingefangen werden durch eine maßgeschneiderte Softwareroutine analysiert. Das Bild ist erste Dekonvolution basierend auf R-L-Algorithmus17 , den Effekt von heraus-von-Fokussierung Licht und die Kugel, die Objekte im Bild basierend auf den Canny Rand Nachweismethode extrahiert werden zu beseitigen; zu guter Letzt kann der Durchmesser der einzelnen Kugel mit Hough Transformation18berechnet werden. Infolgedessen, werden Mittelwert und Standardabweichung der Durchmesser der Kugel Objekte in jedem Bild abgeschätzt.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Droplet+microfluidics.">Droplet microfluidics.</a> Lab on a chip. 8, 198-220 (2008).</li><li>Xiao, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+multifunctional+NaYF4:Er3+,Yb3+/PEGDA+hybrid+microspheres:+NIR-light-activated+photopolymerization+and+drug+delivery.">Novel multifunctional NaYF4:Er3+,Yb3+/PEGDA hybrid microspheres: NIR-light-activated photopolymerization and drug delivery.</a> Chemical communications. 49, 1527-1529 (2013).</li><li>Pan, M., Kim, M., Blauch, L., Tang, S. K. 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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Die Generation der Tröpfchen in der Fluss-Fokus-Modus mit 2D und halb-3D mikrofluidischen Gerät wurde zuvor in einer Vielzahl von Berichten8,9,15,19,20, 21. In diesen Systemen wurde die wässrige Flüssigkeit, die nicht verfestigt werden könnte als der dispersen Phase, wie z. B. deionisiertes Wasser8</su...

Tröpfchen-basierte mikrofluidischen Systemen haben die Fähigkeit zu produzieren hoch monodispersen Tropfen aus Nanometer bis Mikrometer Durchmesser Bereich1 und halten großes Potenzial im Hochdurchsatz-Drug Discovery2, Synthese von Biomolekülen3 ,4, und die Diagnose Test5. Aufgrund der einzigartigen Vorteile der kleineren Tröpfchen, wie die größere Fläche zum Volumenverhältnis und Großanwendungen mit verbraucht wenige Mikroliter der Probe hat die Technologie großes Interesse in den unterschiedlichsten Bereichen angezogen. Die Emulgierung von zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten ist eines der typischsten Methoden, um Tropfen zu erzeugen. Forscher haben in früheren Berichten im Bereich eine Vielzahl von verschiedenen Tropfen Bildung Geometrien, einschließlich der t-Kreuzung, Fluss-Fokussierung und Co fließenden Geometrien entwickelt. In der t-Kreuzung-Geometrie ist die dispersen Phase durch einen senkrechten Kanal in den Hauptkanal, geliefert in der kontinuierliche Phase6,7fließt. In der typischen zweidimensionale (2D) Fluss-Fokus8,9 Geometrie ist der dispersen Phase Flow aus den seitlichen geschoren; und für die Co fließende Geometrie10,11, auf der anderen Seite eine Kapillare, die Einführung der dispersen Phase Flow befindet sich co-Axial innerhalb einer größeren Kapillare für Co fließende Geometrie, so dass der dispersen Phase Flow von geschert ist alle Richtungen.
Die Tropfengröße ist durch Anpassung Kanal Größe und Flow Rate Ratio kontrolliert, und die Mindestgröße von Co fließt oder t-Kreuzung produziert beschränkt sich auf Dutzende von Mikrometern. Für Flow-Fokussierung Tröpfchen Bildung System bilden drei Modi der Tröpfchen Trennung durch das Druckverhältnis der zwei-Phasen-Anpassung und Tensid Konzentration, einschließlich das Nachtropfen Regime sprühvolumen Regime und der Tipp-Streaming-15. Tipp-Streaming-Modus nennt man auch Fadenbildung und das Aussehen einer dünnen der Faden Herausziehen von dispersen Phase Flow Kegelspitze beobachtet werden. Frühere Studien haben gezeigt, Tröpfchen weniger als wenige Mikrometer können erzeugt werden, obwohl Tipp-Streaming-Prozess in 2D oder halb-3D Fluss-Fokus Gerät8,12. Jedoch wie eine wässrige Lösung mit einer sehr geringen Konzentration von PEGDA als der dispersen Phase diente, die Schrumpfung Verhältnis der PEGDA Partikel war etwa 60 % der ursprünglichen Tröpfchen im Durchmesser nach Foto-Polymerisation, während PEGDA ohne Verdünnung als die dispergierte Phase führte zu instabilen Tipp-Streaming-Modus12. Grenzflächenspannung ist ein wichtiger Parameter der Emulsion Prozess und es wird durch die Zugabe des Tensids in die kontinuierliche Phase Flüssigkeit, führt zur Abnahme der Tropfengröße, höhere Erzeugung Frequenz13, stark gewölbte Tip zu verringern und Instabilität14zu verhindern. Außerdem, wenn die Masse Tensid Konzentration viel höher als die kritische Micelle-Konzentration ist, die Grenzflächenspannung ist ungefähr unveränderlich in den gesättigten Zustand13 und Tipp-Streaming-Modus kann15auftreten.
Basierend auf die obigen Beobachtungen in diesem Papier haben wir einen einfachen Ansatz für PEGDA-Tröpfchen-Generation mit einem halb-3D Fluss-Fokussierung mikrofluidischen Gerät, hergestellt von mehrschichtigen weiche Lithographie Methode entwickelt. Anders als die typischen 2D Fluss-Fokus Gerät, hat das halb-3D Fluss-Fokussierung Gerät eine flache dispergierte Phase und einem tief dauerphase-Kanal, damit die dispersen Phase von rauf und runter neben Lateral geschert werden kann. Dies bietet größeren Verstellbereich für Flow-Fokus-Modus durch die Reduzierung der Energie- und Druckbedarf für Tröpfchen Zerfall. Anders als bei den vorherigen Bericht12, die dispersen Phase ist reine PEGDAcontaining Foto-Initiator, darauf achten, dass die Schrumpfung Verhältnis der PEGDA Partikel weniger als 10 %16; und die kontinuierliche Phase ist die Mischung von Hexadecan auflösen mit ein hohes Volumen Konzentration von der Silikon-basierten nichtionische Tenside. Größe-steuerbare und einheitliche Tröpfchen entstanden durch Anpassung der Druckverhältnis aus zwei Phasen. Der Durchmesser der Tröpfchen wechselt von 80 µm bis 1 µm als Tröpfchen Trennung Änderungen vom sprühvolumen Modus Tipp-Streaming-Modus verarbeitet. Darüber hinaus wurde das PEGDA Teilchen durch Foto-Polymerisation unter UV-Bestrahlung synthetisiert. Die Tröpfchen Generation mikrofluidischen System mit Leichtigkeit der Herstellung bieten mehr Möglichkeiten für Anwendungen in der Biologie.

<table><tbody><tr><td>Silicon wafer</td><td>Huashi Co., Ltd</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SU-8 2025, 2100</td><td>Microchem Co.</td><td>Y111069</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 developer</td><td>Microchem Co.</td><td>Y020100</td><td></td></tr><tr><td>Chromium mask</td><td>Qingyi Precision Mask Making Co., Ltd</td><td></td><td></td></tr><tr><td>polydimethylsiloxane(PDMS)</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 184</td><td></td></tr><tr><td>poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA)</td><td>Sigma</td><td>26570-48-9</td><td></td></tr><tr><td>2-hydroxy-40-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone</td><td>TCI</td><td>H1361-5G</td><td>photoinitiator</td></tr><tr><td>Hexadecane</td><td>Sigma</td><td>544-76- 3</td><td></td></tr><tr><td>ABIL EM 90</td><td>CHT</td><td>144243-53-8</td><td>surfactants</td></tr><tr><td>Rhodamine B</td><td>Aladdin</td><td>81-88-9</td><td>fluorescent dye</td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Lithography machine</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Automatic ointment agitator</td><td>Thinky</td><td>ARV-310</td><td></td></tr><tr><td>Oven</td><td>BluePard</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Optical microscope</td><td>OLYMPUS</td><td>IX71</td><td></td></tr><tr><td>High-speed camera</td><td>Hamamatsu, Japan</td><td>ORCA-flash</td><td></td></tr><tr><td>MAESFLO Microfluidic Fluid Control System</td><td>FLUIGENT</td><td>MFCS-EZ</td><td></td></tr><tr><td>UV lamp</td><td>FUTANSI</td><td></td><td>365 nm UV light, 8000 MW/CM&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt;</td></tr></tbody></table>

generation of size-controlled poly (ethylene glycol) diacrylate droplets via semi-3-dimensional flow focusing microfluidic devices

Einheitliche und Größe-steuerbare Poly (Ethylenglycol) Diacrylate (PEGDA) Tröpfchen könnte über den Fluss mit Schwerpunkt Prozess in einem mikrofluidischen Gerät hergestellt werden. Dieses Dokument schlägt einen semi-three-dimensional (halb-3D) Fluss-Fokussierung mikrofluidischen Chip für Tropfenbildung. Polydimethylsiloxan (PDMS) Chip wurde hergestellt unter Verwendung der mehrschichtigen weiche Lithographie-Methode. Hexadecan mit Tensid diente als die kontinuierliche Phase, und PEGDA mit dem ultravioletten (UV) Foto-Initiator war der dispersen Phase. Tenside erlaubt die lokale Oberflächenspannung zu fallen und eine mehr Spitzer Spitze, die gefördert, Einbruch in winzigen Mikro-Tröpfchen, gebildet. Da der Druck der dispersen Phase konstant war, wurde die Größe der Tröpfchen kleiner mit zunehmendem dauerphase Druck vor der dispergierten Phase, die Strömung abgebrochen wurde. Infolgedessen Tröpfchen mit Variation der Größe von 1 µm bis 80 µm im Durchmesser durch eine Änderung der Druckverhältnisse in beiden zulaufkanäle gezielt erreicht werden konnte, und der mittlere Variationskoeffizient wurde von unter 7 % geschätzt. Darüber hinaus könnte Tröpfchen durch UV-Bestrahlung für Foto-Polymerisation in Mikro-Perlen verwandeln. Konjugation von Biomolekülen auf solche Mikro-Perlen-Oberfläche haben viele Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Biologie und Chemie.

Der halb-3D Fluss-Fokussierung mikrofluidischen Chip wurde hergestellt mit mehrschichtigen weiche Lithographie Techniken wie oben beschrieben. Die Fertigung und die Ergebnisse für master-Form in der Protocolare in Abbildung 2dargestellt. Die erste Schicht, die einen 65 µm breiten Kanal bietet für die Einführung der dispersen Phase und einem 50 µm breite Öffnung (Abbildung 2eine), ist 20 µm Dicke. Ein Zusat...

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Generation of Size-controlled Poly ethylene Glycol Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll um die Fertigungsprozesse und Überprüfung Experimente eines semi-three-dimensional (halb-3D) Fluss-Fokussierung mikrofluidischen Chips für Tropfenbildung zu veranschaulichen.

Größe-gesteuerte Poly (Ethylenglycol) Diacrylate Tröpfchen über Semi-3-dimensionale fließen mit Schwerpunkt mikrofluidischen Geräte-Generation

Uniform and size-controllable poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) droplets could be produced via the flow focusing process in a microfluidic device. ...

generation-size-controlled-poly-ethylene-glycol-diacrylate-droplets

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

Generation of Size-controlled Poly (ethylene Glycol) Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

7.7K Aufrufe.  Tsinghua University. Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll um die Fertigungsprozesse und Überprüfung Experimente eines semi-three-dimensional (halb-3D) Fluss-Fokussierung mikrofluidischen Chips für Tropfenbildung zu veranschaulichen.

Serie: Generation of Size-controlled Poly ethylene Glycol Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Capillary-based Centrifugal Microfluidic Device for Size-controllable Formation of Monodisperse Microdroplets

Here, we demonstrate a simple method for the rapid production of size-controllable, monodisperse, W/O microdroplets using a capillary-based centrifugal microfluidic device. W/O microdroplets have recently been used in powerful methods that enable miniaturized chemical experiments. Therefore, developing a versatile method to yield monodisperse W/O microdroplets is needed. We have developed a method for generating monodisperse W/O microdroplets based on a capillary-based centrifugal axisymmetric co-flowing microfluidic device. We succeeded in controlling the size of microdroplets by adjusting the capillary orifice. Our method requires equipment that is easier-to-use than with other microfluidic techniques, requires only a small volume (0.1-1 &#181;l) of sample solution for encapsulation, and enables the production of hundreds of thousands number of W/O microdroplets per second. We expect this method will assist biological studies that require precious biological samples by conserving the volume of the samples for rapid quantitative analysis biochemical and biological studies.

Here, we demonstrate a simple production method for size-controllable, monodisperse, water-in-oil (W/O) microdroplets using a capillary-based centrifugal microfluidic device. This method requires only a small sample volume and enables high-yield production. We expect this method will be useful for rapid biochemical and cellular analyses.

Kapillar-basierten Kreisel Mikrofluidik-Vorrichtung zur Größe steuerbare Bildung von monodispersen Mikrotröpfchen

Here, we demonstrate a simple method for the rapid production of size-controllable, monodisperse, W/O microdroplets using a capillary-based centrifugal ...

Forschung

Ingenieurwesen

Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure

The generation of monodisperse droplets with high viscosity has always been a challenge in droplet microfluidics. Here, we demonstrate a phase-inversion co-flow device to generate uniform high-viscosity droplets in a low-viscosity fluid. The microfluidic capillary device has a common co-flow structure with its exit connecting to a wider tube. Elongated droplets of the low-viscosity fluid are first encapsulated by the high-viscosity fluid in the co-flow structure. As the elongated low-viscosity droplets flow through the exit, which is treated to be wetted by the low-viscosity fluid, phase inversion is then induced by the adhesion of the low viscosity droplets to the tip of the exit, which results in the subsequent inverse encapsulation of the high-viscosity fluid. The size of the resultant high-viscosity droplets can be adjusted by changing the flow rate ratio of the low-viscosity fluid to the high-viscosity fluid. We demonstrate several typical examples of the generation of high-viscosity droplets with a viscosity up to 11.9 Pas, such as glycerol, honey, starch, and polymer solution. The method provides a simple and straightforward approach to generate monodisperse high-viscosity droplets, which may be used in a variety of droplet-based applications, such as materials synthesis, drug delivery, cell assay, bioengineering, and food engineering.

A phase-inversion co-flow device is demonstrated to generate monodisperse high-viscosity droplets above 1 Pas, which is difficult to realize in droplet microfluidics.

Herstellung von hoher Viskosität Tröpfchen mit mikrofluidischen Kapillare Gerät mit Phase-Inversion Co-Flow Struktur

The generation of monodisperse droplets with high viscosity has always been a challenge in droplet microfluidics. Here, we demonstrate a phase-inversion ...

Chemie

Microfluidic Preparation of Liquid Crystalline Elastomer Actuators

This paper focuses on the microfluidic process (and its parameters) to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. The preparation usually consists in the formation of droplets containing low molar mass liquid crystals at elevated temperatures. Subsequently, these particle precursors are oriented in the flow field of the capillary and solidified by a crosslinking polymerization, which produces the final actuating particles. The optimization of the process is necessary to obtain the actuating particles and the proper variation of the process parameters (temperature and flow rate) and allows variations of size and shape (from oblate to strongly prolate morphologies) as well as the magnitude of actuation. In addition, it is possible to vary the type of actuation from elongation to contraction depending on the director profile induced to the droplets during the flow in the capillary, which again depends on the microfluidic process and its parameters. Furthermore, particles of more complex shapes, like core-shell structures or Janus particles, can be prepared by adjusting the setup. By the variation of the chemical structure and the mode of crosslinking (solidification) of the liquid crystalline elastomer, it is also possible to prepare actuating particles triggered by heat or UV-vis irradiation.

This article describes the microfluidic process and parameters to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. This process allows the preparation of actuating particles and the variation of their size and shape (from oblate to strongly prolate, core-shell, and Janus morphologies) as well as the magnitude of actuation.

Mikrofluidische Vorbereitung der flüssigen kristallenen Elastomer Aktoren

This paper focuses on the microfluidic process (and its parameters) to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. The preparation ...

Double Emulsion Generation Using a Polydimethylsiloxane (PDMS) Co-axial Flow Focus Device

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 &#181;m to 50 &#181;m in diameter while using large channels that are robust against fouling and clogging.

Double Emulsion Generation Using a Polydimethylsiloxane PDMS Co-axial Flow Focus Device

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 &#181;m.

Doppelemulsion Erstellung Mit einem Polydimethylsiloxan (PDMS) Co-Axial Flow Fokus Geräte-

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 ...

Biotechnik

A Femtoliter Droplet Array for Massively Parallel Protein Synthesis from Single DNA Molecules

Advances in spatial resolution and detection sensitivity of scientific instrumentation make it possible to apply small reactors for biological and chemical research. To meet the demand for high-performance microreactors, we developed a femtoliter droplet array (FemDA) device and exemplified its application in massively parallel cell-free protein synthesis (CFPS) reactions. Over one million uniform droplets were readily generated within a finger-sized area using a two-step oil-sealing protocol. Every droplet was anchored in a femtoliter microchamber composed of a hydrophilic bottom and a hydrophobic sidewall. The hybrid hydrophilic-in-hydrophobic structure and the dedicated sealing oils and surfactants are crucial for stably retaining the femtoliter aqueous solution in the femtoliter space without evaporation loss. The femtoliter configuration and the simple structure of the FemDA device allowed minimal reagent consumption. The uniform dimension of the droplet reactors made large-scale quantitative and time-course measurements convincing and reliable. The FemDA technology correlated the protein yield of the CFPS reaction with the number of DNA molecules in each droplet. We streamlined the procedures about the microfabrication of the device, the formation of the femtoliter droplets, and the acquisition and analysis of the microscopic image data. The detailed protocol with the optimized low running cost makes the FemDA technology accessible to everyone who has standard cleanroom facilities and a conventional fluorescence microscope in their own place.

The overall goal of the protocol is to prepare over one million ordered, uniform, stable, and biocompatible femtoliter droplets on a 1 cm2 planar substrate that can be used for cell-free protein synthesis.

Ein Femtoliter Droplet Array für massive parallele Proteinsynthese aus einzelnen DNA-Molekülen

Advances in spatial resolution and detection sensitivity of scientific instrumentation make it possible to apply small reactors for biological and ...

Fabricating Degradable Thermoresponsive Hydrogels on Multiple Length Scales via Reactive Extrusion, Microfluidics, Self-assembly, and Electrospinning

While various smart materials have been explored for a variety of biomedical applications (e.g., drug delivery, tissue engineering, bioimaging, etc.), their ultimate clinical use has been hampered by the lack of biologically-relevant degradation observed for most smart materials. This is particularly true for temperature-responsive hydrogels, which are almost uniformly based on polymers that are functionally non-degradable (e.g., poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) or poly(oligoethylene glycol methacrylate) (POEGMA)). As such, to effectively translate the potential of thermoresponsive hydrogels to the challenges of remote-controlled or metabolism-regulated drug delivery, cell scaffolds with tunable cell-material interactions, theranostic materials with the potential for both imaging and drug delivery, and other such applications, a method is required to render the hydrogels (if not fully degradable) at least capable of renal clearance following the required lifetime of the material. To that end, this protocol describes the preparation of hydrolytically-degradable hydrazone-crosslinked hydrogels on multiple length scales based on the reaction between hydrazide and aldehyde-functionalized PNIPAM or POEGMA oligomers with molecular weights below the renal filtration limit. Specifically, methods to fabricate degradable thermoresponsive bulk hydrogels (using a double barrel syringe technique), hydrogel particles (on both the microscale through the use of a microfluidics platform facilitating simultaneous mixing and emulsification of the precursor polymers and the nanoscale through the use of a thermally-driven self-assembly and cross-linking method), and hydrogel nanofibers (using a reactive electrospinning strategy) are described. In each case, hydrogels with temperature-responsive properties similar to those achieved via conventional free radical cross-linking processes can be achieved, but the hydrazone cross-linked network can be degraded over time to re-form the oligomeric precursor polymers and enable clearance. As such, we anticipate these methods (which may be generically applied to any synthetic water-soluble polymer, not just smart materials) will enable easier translation of synthetic smart materials to clinical applications.

Protocols are described for the fabrication of degradable thermoresponsive hydrogels based on hydrazone cross-linking of polymeric oligomers on the bulk scale, microscale, and nanoscale, the latter for preparation of both gel nanoparticles and nanofibers.

Herstellung von abbaubaren Thermoresponsive Hydrogele auf mehreren Längenskalen über reaktive Extrusion, Mikrofluidik, Selbstmontage und Elektrospinnen

While various smart materials have been explored for a variety of biomedical applications (e.g., drug delivery, tissue engineering, bioimaging, etc.), ...

Glass-Based Devices to Generate Drops and Emulsions

In this manuscript, three different step-by-step protocols to generate highly monodisperse emulsion drops using glass-based microfluidics are described. The first device is built for the generation of simple drops driven by gravity. The second device is designed to generate emulsion drops in a coflowing scheme. The third device is an extension of the coflowing device with the addition of a third liquid that acts as an electric ground, allowing the formation of electrified drops that subsequently discharge. In this setup, two of the three liquids have an appreciable electrical conductivity. The third liquid mediates between these two and is a dielectric. A&#160;voltage difference applied between the two conducting liquids creates an electric field that couples with hydrodynamic stresses of the coflowing liquids, affecting the jet and drop formation process. The addition of the electric field provides a path to generate smaller drops than in simple coflow devices and for generating particles and fibers with a wide range of sizes.

Here, a protocol to manufacture glass-based microfluidic devices used for generating highly monodisperse emulsions with controlled drop size is presented.

Glasbasierte Geräte zur Erzeugung von Tropfen und Emulsionen

In this manuscript, three different step-by-step protocols to generate highly monodisperse emulsion drops using glass-based microfluidics are described. ...

A Droplet-Based Microfluidic Approach and Microsphere-PCR Amplification for Single-Stranded DNA Amplicons

Droplet-based microfluidics enable the reliable production of homogeneous microspheres in the microfluidic channel, providing controlled size and morphology of the obtained microsphere. A microsphere copolymerized with an acrydite-DNA probe was successfully fabricated. Different methods such as asymmetric PCR, exonuclease digestion, and isolation on streptavidin-coated magnetic beads can be used to synthesize single-stranded DNA (ssDNA). However, these methods cannot efficiently use large amounts of highly purified ssDNA. Here, we describe a microsphere-PCR protocol detailing how ssDNA can be efficiently amplified and separated from dsDNA simply by pipetting from a PCR reaction tube. The amplification of ssDNA can be applied as potential reagents for the DNA microarray and DNA-SELEX (Systematic evolution of ligands by exponential enrichment) processes.

This work provides a method for the fabrication of droplet-based microfluidic platforms and the application of polyacrylamide microspheres for microsphere-PCR amplification. The microsphere-PCR method makes it possible to obtain single-stranded DNA amplicons without separating double-stranded DNA.

Ein Tröpfchen mikrofluidischen Ansatz und Mikrosphären-PCR Verstärkung für Single-Stranded DNA-Amplifikate

Droplet-based microfluidics enable the reliable production of homogeneous microspheres in the microfluidic channel, providing controlled size and ...

Generation of Dynamical Environmental Conditions using a High-Throughput Microfluidic Device

Mimicking in vivo environmental conditions is crucial for in vitro studies on complex life machinery. However, current techniques targeting live cells and organs are either highly expensive, like robotics, or lack nanoliter volume and millisecond time accuracy in liquid manipulation. We herein present the design and fabrication of a microfluidic system, which consists of 1,500 culture units, an array of enhanced peristaltic pumps and an on-site mixing modulus. To demonstrate the capacities of the microfluidic device, neural stem cell (NSC) spheres are maintained in the proposed system. We observed that when the NSC sphere is exposed to CXCL in day 1 and EGF in day 2, the round-shaped conformation is well maintained. Variation in the input order of 6 drugs causes morphological changes to the NSC sphere and the expression level representative marker for NSC stemness (i.e., Hes5 and Dcx). These results indicate that dynamic and complex environmental conditions have great effects on NSC differentiation and self-renewal, and the proposed microfluidic device is a suitable platform for high throughput studies on the complex life machinery.

We present a microfluidic system for high throughput studies on complex life machinery, which consists of 1500 culture units, an array of enhanced peristaltic pumps and an on-site mixing modulus. The microfluidic chip allows for the analysis of the highly complex and dynamic micro-environmental conditions in vivo.

Erzeugung dynamischer Umgebungsbedingungen mit einem hochdurchsatzstarken mikrofluidischen Gerät

Mimicking in vivo environmental conditions is crucial for in vitro studies on complex life machinery. However, current techniques targeting live cells and ...

Reconstitution of Basic Mitotic Spindles in Spherical Emulsion Droplets

Mitotic spindle assembly, positioning and orientation depend on the combined forces generated by microtubule dynamics, microtubule motor proteins and cross-linkers. Growing microtubules can generate pushing forces, while depolymerizing microtubules can convert the energy from microtubule shrinkage into pulling forces, when attached, for example, to cortical dynein or chromosomes. In addition, motor proteins and diffusible cross-linkers within the spindle contribute to spindle architecture by connecting and sliding anti-parallel microtubules. In vivo, it has proven difficult to unravel the relative contribution of individual players to the overall balance of forces. Here we present the methods that we recently developed in our efforts to reconstitute basic mitotic spindles bottom-up in vitro. Using microfluidic techniques, centrosomes and tubulin are encapsulated in water-in-oil emulsion droplets, leading to the formation of geometrically confined (double) microtubule asters. By additionally introducing cortically anchored dynein, plus-end directed microtubule motors and diffusible cross-linkers, this system is used to reconstitute spindle-like structures. The methods presented here provide a starting point for reconstitution of more complete mitotic spindles, allowing for a detailed study of the contribution of each individual component, and for obtaining an integrated quantitative view of the force-balance within the mitotic spindle.

The assembly and positioning of the mitotic spindle depend on the combined forces generated by microtubule dynamics, motor proteins and cross-linkers. Here we present our recently developed methods in which the geometrical confinement of spherical emulsion droplets is used for the bottom-up reconstitution of basic mitotic spindles.

Rekonstitution von Grund Mitosespindeln in Sphärische Emulsionströpfchen

Mitotic spindle assembly, positioning and orientation depend on the combined forces generated by microtubule dynamics, microtubule motor proteins and ...