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加州大学洛杉矶分校 加州大学洛杉矶分校《Science Advances》由3D结构的微粒作为模板的单分散液滴( 二 )

雕刻 science adva


不对称劈裂的实验观察
实验观察到跨越两个厘米级DCP的体积分裂行为 ， 这些DCP缓慢地分离 。 该系统足够大 ， 可以精确控制相邻粒子的位置 ， 而又足够小 ， 以至于毛细管效应在力学上起着主导作用（图2 ， B和C） 。 调整了流体的密度和DCP的分离速度 ， 以保持键数和雷诺数<<1 。 例如 ， 使用聚（丙二醇）（ppg）作为连续相来匹配水相和油相之间的密度阶段 。 在单个dcp中 ， 在不同的水体积下 ， 实验观察到液滴形态的转变与c形的最窄路径上从球形帽到桥接类滑膜的理论转变相匹配 ， 然后填充c的内杯< span=\"\"> 。 最后 ， 润湿整个内表面并填充内部体积（图2B） 。 对于跨越两个DCP的液滴分裂 ， 观察到两个主要方案 ， 这些方案与基于V-E曲线的理论预测显着匹配（图2C） 。
光学瞬态液体成型可以制造微型DCP
使用开发的称为光瞬态液体模塑（OTLM）的光流体技术制造DCP ， 在该技术中 ， 作者将聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）和聚（丙二醇）二丙烯酸酯（PPGDA）的单独预聚物溶液共流 ， 成型在微通道流中将其流化为所需的横截面形态 ， 然后进行光交联 。 使用惯性流体效应沿一个方向雕刻颗粒形状 ， 并使用光刻工艺沿正交方向雕刻颗粒形状（图3A） 。 可以通过调节预聚物溶液的体积流量比和沿通道长度的柱顺序来控制横截面结构 ， 这些柱以受控的方式使预聚物流变形 。 之前曾开发过开源软件FlowSculpt和uFlow ， 以快速定量地模拟和设计同流的横截面图案 ， 并将其应用于此处模拟PPGDA和PEGDA流的位置（图3B） 。
图3尺寸均匀的微型DCP的制造 。
颗粒形状均匀度
作者测量DCP群体的规模 ， 以评估制造过程的可重复性（图3D） 。 作者的理论表明 ， DCP内层的空腔尺寸和润湿性决定着所形成的液滴的体积 。 围绕空腔的内部PEG层的面积为20000±1400μm2 ， 被内部PEG层封装的空隙空间的长轴和短轴分别为95±9和451±13μm 。 总体而言 ， 尺寸在6.57％之内是均匀的 ， 该度量标准有助于定义液滴尺寸的最小预期均匀性 。
单分散性
如理论和厘米级实验所建议 ， 在PSDS和甲苯中形成的微滴具有较好的滴体积（图4A） 。 周围颗粒的微观结构不仅使乳液中的液滴形成模板 ， 而且在很长一段时间内保持其形状 ， 从而抵抗了标准球形液滴乳液中常见的粗化过程 。 液滴ND受实验中水相总体积的影响 。 对于小于饱和值的体积（约为粒子整个空隙体积的20倍） ， 高比例的总体仅部分填充有水相（图4B） 。 填充后 ， 在?200μm处观察到ND分布的强模式 ， 这与理论预测一致 ， 即在相互作用的DCP的临界总体积以上会发生不对称分裂 ， 从而导致优选的体积累积在子滴中（图2C） 。
图4均匀液滴的形成 。
显示DCP形状影响单分散性（图4C） 。 封闭的颗粒具有更紧密的分布 ， CV约为11％ ， 液滴ND的模式明确 。 但是 ， 具有更宽开口的较短长宽比的颗粒的尺寸变化几乎高出四倍 。 我们观察到 ， 具有较大开口的两个或多个颗粒可以围绕单个液滴稳定地聚集（图4C ， 插图） ， 从而导致液滴大小发生更多变化 。 因此 ， 对于液滴的单分散性而言 ， 期望较小的开口 。
形态学
在甲苯和PSDS中形成的液滴的圆度分布如图4D所示 ， 显示了标准乳液和我们的工程体系之间的鲜明对比 。 与我们的厘米级实验一致 ， 液滴的形状使系统的界面能最小化 ， 并受DCP腔形状的影响 ， 而表面活性剂稳定的液滴采用球形以使能量最小化 。
液滴防止串扰
容易产生固相支持的单分散液滴的能力为分子和细胞测定打开了许多新机会 。 这些分析的一项基本要求是能够隔离系统中的各个部分 ， 以最大程度地减少分子干扰 。 在甲苯连续相中混合含有单独染料溶液（大小分别为0.6和70 kDa）的液滴后 ， 我们观察到相同的液滴总数 ， 而没有明显的染料交换（图5A） 。 平均观察到0.6 kDa染料的转移少于9.6 。 ％ ， 而通过移液进行动态搅拌4分钟后 ， 观察到较大的70 kDa染料的转移7.4％ 。 混合后的这种最小串扰可能是由于DCP的外部疏水层产生了物理屏障以及所支撑液滴的热力学稳定性所致 。
图5 液滴中的分子分离和酶促反应 。
液滴中的酶促测定
利用防止隔室之间的串扰的能力 ， 作者证明了固相酶促反应 ， 其中反应的荧光产物积聚在与酶相容的PSDS连续相中形成的液滴中 。 作者用biotin修饰DCP的内PEG层 ， 与streptavidin标记的辣根过氧化物酶（HRP）孵育 ， 洗去未结合的酶 ， 并用QuantaRed水溶液产生液滴 。 产生小滴后 ， 将系统温育不同时间以产生荧光试卤灵产品 。 HRP催化试卤灵的形成 ， 其以剂量依赖的方式积累在液滴中 ， 从而在30分钟的时间内产生易于观察的荧光信号（图5 ， B和C） 。 通过酶促产生试卤灵的液滴在没有反应的情况下不会与相邻的液滴发生串扰 。 将含有或不含biotin的DCP与1 nM链霉亲和素-HRP混合 ， 并如上所述进行QuantaRed分析 。 孵育24小时后 ， 可以轻松区分对链霉亲和素HRP有亲和力的小滴中平均强度水平（图5D） 。 值得注意的是 ， 在不同孔中温育的这些相同颗粒中 ， 酶转化为试卤灵的信号显示出相似的强度水平 ， 这表明产物通过油相的运输对信号强度没有贡献（图5D） 。

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