مقالة منهجية

الصب المزدوج المحسن من Polydimethylsiloxane (PDMS) عبر معالجة زيت السيليكون لتكرار البنية المجهرية المعبأة بكثافة

DOI:

10.3791/68736

⸱

يوليو 18, 2025

 ,  , 
1School of Mechanical and Robotics Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يقدم هذا البروتوكول إجراء محسنا لإزالة القوالب لتقنية الصب المزدوج Polydimethylsiloxane (PDMS) عن طريق إدخال زيت السيليكون كحاجز غير لاصق بين طبقات PDMS. على عكس طرق تعديل البلازما أو السطح الكيميائي ، لا يتطلب هذا النهج أي معدات متخصصة أو مكلفة ، مما يجعله بديلا أكثر سهولة وفعالية من حيث التكلفة.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يستخدم الصب المزدوج Polydimethylsiloxane (PDMS) على نطاق واسع لتكرار الهياكل الدقيقة ، بما في ذلك قنوات الموائع الدقيقة والأجهزة الدقيقة الطبية الحيوية مثل Bio-MEMS. على الرغم من تعدد استخداماته ، فإن الالتصاق البيني القوي بين طبقات PDMS غالبا ما يؤدي إلى تكرار غير مكتمل أو تلف هيكلي ، لا سيما في الميزات الدقيقة المكتظة بكثافة. تتطلب الأساليب التقليدية لتقليل الالتصاق ، مثل البلازما أو تعديل السطح الكيميائي ، معدات متخصصة ويمكن أن تستغرق وقتا طويلا ومكلفة. لمعالجة هذه القيود ، نقدم استراتيجية محسنة لإزالة القوالب تجمع بين الشيخوخة الحرارية وتطبيق طبقة رقيقة من زيت السيليكون كحاجز تحرير غير لاصق. تتضمن الخطوة الحاسمة في البروتوكول كنس خيط مشدود عبر السطح لتوزيع الزيت وتعزيز اختراق PDMS بين الركائز الدقيقة. هذا يعزز إطلاق العفن ويحافظ على السلامة الهيكلية دون المساس بالهياكل المجهرية الحساسة. يتم توضيح الطريقة باستخدام أنماط مصفوفة ثقب معبأة بكثافة ، مما يحقق النسخ المتماثل النظيف مع الحد الأدنى من انحراف الأبعاد. هذا النهج البسيط والقابل للتكرار والفعال من حيث التكلفة مناسب تماما لتصنيع الأنظمة الدقيقة القائمة على PDMS ، بما في ذلك الأجهزة متعددة الطبقات والميزات المعقدة هندسيا في تطبيقات الطباعة الحجرية الناعمة.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يدعم الصب الحجري الناعم الموائع الدقيقة1،2 ، والاستشعار الحيوي3،4 ، والتشخيص التحليلي5 من خلال تمكين نقل نمط سريع وعالي الدقة. تم استكشاف مواد بوليمرية مختلفة لهذا الغرض ، بما في ذلك اللدائن الحرارية6،7 ، والبوليمرات القابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية8 ، والمواد الهلاميةالمائية 9. ومع ذلك ، غالبا ما تنطوي هذه المواد على مقايضات: المواد البلاستيكية الحرارية صلبة بشكل عام وتتطلب معالجة بدرجة حرارة عالية ، مما يحد من قدرتها على التوافق مع الميزات الناعمة أو المرنة. تتطلب البوليمرات القابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية معدات متخصصة وقد تعاني من مرونة محدودة ؛ والهلاميات المائية هشة ميكانيكيا وغير مستقرة في ظل الظروف الجافة. من بين هؤلاء ، أصبح بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS) أكثر مواد الصب المعتمدة على نطاق واسع نظرا لمرونته الميكانيكية وسهولة التشكيل والتوافق الحيوي ونفاذية الغاز. على وجه الخصوص ، يتم استخدام الصب المزدوج PDMS بشكل متكرر لتكرار قوالب السيليكون و SU-8 الحساسة أو باهظة الثمن ، أو لتكرار الأشكال الهندسية غير المقلوبة مثل الطبوغرافيا الحيوية10. ومع ذلك ، فإن التحدي المستمر في هذه الطريقة هو الالتصاق القوي بين طبقات PDMS المعالجة وغير المعالجة أثناء خطوة الصب الثانوية ، مدفوعة بتشابك السلسلة البينية. غالبا ما يؤدي هذا إلى إزالة القوالب غير المكتملة أو الفشل الهيكلي ، مما يحد من قابليتها للتطبيق على نطاقأوسع 11.

لمعالجة هذه المشكلة ، تم تطوير استراتيجيات معالجة الأسطح المختلفة لتقليل الالتصاق بين طبقات PDMS. وتشمل هذه الطلاءات السطحية12،13 ، وظروف المعالجة المتغيرة14 ، ومعالجةالبلازما 15،16. ومع ذلك ، تتطلب هذه الأساليب عادة معدات باهظة الثمن وتتضمن عمليات تعديل دقيقة للسطح. كبديل أبسط ، تم اقتراح الشيخوخة الحرارية11،17. تتضمن هذه التقنية المعالجة الحرارية لقالب PDMS لتقليل وجود سلاسل غير متشابكة أو منخفضة الوزن الجزيئي على السطح. أظهرت الدراسات التي أجراها Kwapiszewska et al.17 و Li et al.11 أن قوالب PDMS التي يبلغ عمرها حراريا تعمل بشكل كبير على تحسين دقة النسخ المتماثل دون الحاجة إلى تعديل كيميائي إضافي. ومع ذلك ، حتى مع الشيخوخة الحرارية ، تستمر مشاكل مثل التمزق الناجم عن الالتصاق وتشويه الميزات ، لا سيما في الهياكل ذات الكثافة العالية والهندسة المعقدة.

تقدم هذه الدراسة طريقة صب مزدوجة محسنة PDMS تجمع بين الشيخوخة الحرارية والمعالجة السطحية الإضافية باستخدام زيت السيليكون. بعد أن يخضع قالب PDMS للشيخوخة الحرارية ، يتم طلاء طبقة رقيقة من زيت السيليكون على سطح القالب ، مما يشكل حاجزا غير لاصق يقلل من الالتصاق السطحي. يعمل هذا التعديل البسيط على تحسين أداء تحرير القالب بشكل كبير ، حتى بالنسبة للميزات الدقيقة المعبأة بكثافة ونسبة العرض المرتفعة ، ويلغي الحاجة إلى معالجة البلازما أو المعدات المتخصصة. تم تصميم البروتوكول ليكون قابلا للتكرار ويمكن اعتماده بسهولة من قبل المستخدمين الذين لديهم وصول محدود إلى البنية التحتية لتعديل السطح. يوفر الشكل 1 والشكل 2 وصفا مفصلا خطوة بخطوة لإجراء التصنيع والمعالجة السطحية. في المقابل ، يوضح الشكل 6 النسخ المتماثل الناجح لهياكل مصفوفة الثقوب عالية الكثافة ، مما يؤكد فعالية الطريقة في ظل الظروف الهندسية الصعبة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. تصنيع قالب PDMS (M2) من قالب السيليكون (M1) (الشكل 1)

ملاحظة: يجب إجراء جميع إجراءات الهكسان في غطاء الدخان أو صندوق القفازات لمنع استنشاق المركبات العضوية المتطايرة وضمان سلامة المشغل.

  1. طلاء قالب السيليكون (M1)
    1. امزج محلول من الهكسان وأوكتاديسيلتري كلوروسيلان (OTS) بنسبة حجم 40: 1 في دورق زجاجي نظيف بقضيب تقليب.
    2. قم بتغطية الدورق الزجاجي بورق الألمنيوم لتقليل التبخر.
    3. ضع الدورق الزجاجي المغلق في حمام بالموجات فوق الصوتية بدرجة حرارة الغرفة مملوء بالماء. صوتية عند 40 كيلو هرتز و 135 واط لمدة 5 دقائق لضمان الخلط الكامل.
    4. اغمر قالب السيليكون (الذي تم تصنيعه مسبقا عن طريق النقش الأيوني التفاعلي العميق لتمييز مصفوفة ثقب) في خليط الهكسان OTS المحضر لمدة 30 دقيقة في درجة حرارة الغرفة (RT) (الشكل 1 أ).
      ملاحظة: في هذه الدراسة ، تم استخدام قالب سيليكون بأبعاد 5 سم × 0.5 سم × 725 ميكرومتر.
    5. باستخدام ملاقط نظيفة ، ارفع قالب السيليكون بالكامل برفق عموديا من محلول الهكسان OTS. انقل القالب على الفور إلى دورق يحتوي على هكسان أنيق. اشطف القالب عن طريق تحريكه برفق ذهابا وإيابا 5-10 مرات في الهكسان.
    6. جفف القالب برفق باستخدام منفاخ N2 من مسافة ~ 3 سم لمدة 6-10 ثوان. تأكد من عدم وجود رطوبة مرئية على السطح.
  2. تصنيع قالب PDMS (M2)
    1. امزج قاعدة PDMS وعامل المعالجة بنسبة 10: 1 (وزن / وزن) في طبق بتري بلاستيكي نظيف لمدة 15 دقيقة.
    2. ضع PDMS المختلط في غرفة وقم بتفريغ 160 torr لمدة 30 دقيقة تقريبا ، أو أكثر إذا لزم الأمر ، حتى لا تبقى فقاعات هواء مرئية على السطح.
    3. قم بتغطية طبق بتري بلاستيكي نظيف برفق (على سبيل المثال ، قطره 90 مم) ب SO-100cSt (زيت السيليكون مع لزوجة 100 درجة مئوية) باستخدام ممسحة خالية من النسالة مبللة مسبقا في SO-100cSt.
    4. ضع قالب السيليكون المطلي ب OTS ووجهه لأعلى في وسط طبق بتري المطلي. اسكب خليط PDMS منزوع الغاز ببطء فوق القالب حتى يتم تغطيته بالكامل (الشكل 1 ب).
    5. قم بإزالة القالب مرة أخرى في مزيل الفقاعات المفرغة حتى تختفي فقاعات مرئية.
    6. ضع طبق بتري على طبق ساخن مسخن مسبقا على 90 درجة مئوية وقم بمعالجة PDMS لمدة 50 دقيقة. بعد المعالجة ، اترك القالب يبرد إلى RT قبل إزالة القوالب (الشكل 1 ج).
    7. بمجرد المعالجة ، قم بتقشير قالب PDMS برفق من قالب السيليكون ، مع الحرص على الحفاظ على البنية المجهرية (الشكل 1 د).

2. تصنيع منتج PDMS النهائي باستخدام قالب PDMS (M2) (الشكل 2)

  1. المعالجة السطحية لقالب PDMS (M2)
    1. ضع قالب PDMS المصنع على لوح ساخن مضبوطة على 150 درجة مئوية وقم بتعتيقه حراريا لمدة 3 أيام في الهواء المحيط (الشكل 2 أ).
    2. بعد الشيخوخة الحرارية ، اغمر القالب في SO-100cSt.
    3. قم بإزالة القالب تحت الفراغ 160 torr لمدة 10-15 دقيقة ، أو حتى تختفي فقاعات مرئية.
    4. قم بإزالة القالب باستخدام الملقط وامسح السطح برفق 3-5 مرات باستخدام ممسحة نظيفة خالية من النسالة لإزالة الزيت الزائد مع ترك طبقة رقيقة موحدة (الشكل 2 ب).
  2. تقليل سمك طبقة الزيت بين أعمدة PDMS
    ملاحظة: هذه الخطوة حاسمة ، حيث يمكن أن تؤدي طبقة الزيت السميكة بشكل مفرط إلى تكرار غير دقيق. يجب تحديد قطر الخيط اعتمادا على هندسة البنية المجهرية.
    1. قم بإعداد خليط PDMS (10: 1 w / w base لعامل المعالجة) ، باتباع نفس خطوات الخلط والتفريغ الموضحة في الخطوة 1.2.
    2. صب خليط PDMS منزوع الغازات برفق على قالب PDMS المعالج ب SO-100cSt ، مما يسمح له بالانتشار عبر السطح (الشكل 2 ج). ضع حجما كافيا بحيث يصل PDMS المصبوب إلى منتصف ارتفاع الأعمدة الدقيقة على الأقل.
    3. قم بتأمين خيط نايلون 0.5 ميكرومتر تحت شد لطيف. اسحبه مرة أو مرتين عبر سطح PDMS في اتجاه واحد لتخفيف الزيت الزائد بين الركائز الدقيقة وضمان طلاء موحد (الشكل 2 د).
    4. قم بإزالة قالب PDMS بطبقة PDMS الرقيقة في غرفة مفرغة حتى تختفي فقاعات هواء مرئية.
  3. تصنيع PDMS بنمط المصفوفة الثقبية
    1. قم بتغطية طبق بتري بلاستيكي نظيف برفق باستخدام SO-100cSt ، كما هو موضح في الخطوة 1.2.3.
    2. ضع قالب PDMS في طبق بتري البلاستيكي المطلي ، ثم اسكب خليط PDMS منزوع الغاز فوق القالب حتى يصل PDMS إلى الارتفاع المطلوب (الشكل 2 ه).
      ملاحظة: في هذه الدراسة ، تم ملء الخليط إلى مستوى 0.5 سم فوق أطراف الرقدة الدقيقة.
    3. قم بإزالة القالب المجمع مرة أخرى لإزالة أي فقاعات هواء قد تكون قد تشكلت أثناء خطوة الصب.
    4. قم بمعالجة PDMS على لوح تسخين مسخن مسبقا عند 110 درجة مئوية لمدة 10 دقائق ، أو أكثر إذا لزم الأمر ، حتى يتماسك تماما.
      ملاحظة: يجب أن تكون درجة حرارة المعالجة مرتفعة بما يكفي لتجنب أوقات المعالجة الطويلة. يمكن أن يؤدي المعالجة الممتدة في درجات حرارة منخفضة إلى انتشار زيت السيليكون في PDMS ، وبالتالي زيادة الالتصاق بين القالب والهيكل المكرر. في هذه الدراسة ، تم ضبط درجة حرارة المعالجة على 110 درجة مئوية ، مما يسمح بالمعالجة الكاملة في غضون 10 دقائق.
    5. بعد المعالجة ، أدخل ملاقط نظيفة برفق بين القالب والنسخة المتماثلة وقم بإزالة المنتج النهائي بعناية من القالب (الشكل 2F).
    6. امسح منتج PDMS النهائي برفق باستخدام ممسحة مبللة بكحول الأيزوبروبيل لإزالة أي بقايا SO-100cSt أو غبار.
    7. جفف السطح باستخدام منفاخ N2 .

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم استخدام قالب السيليكون (M1) الذي يتميز بمجموعة كثيفة من الثقوب الدائرية لتقييم طريقة الصب المزدوج المحسنة. يوضح الشكل 3 أ صورة SEM للسطح العلوي التي توضح نمطا موحدا لمصفوفة الثقوب بقطر 143 ميكرومتر وفترة 150 ميكرومتر. تكشف صورة الرؤية الجانبية عن عمق ثقب يبلغ 284 ميكرومتر في الشكل 3 ب ، وهو ما يتوافق مع نسبة عرض إلى ارتفاع تبلغ حوالي 2: 1 ويؤكد تخطيط البنية المجهرية المعبأة بإحكام. أنتج النسخ المتماثل باستخدام هذا القالب قالب ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يقدم هذا البروتوكول نهجا فعالا من حيث التكلفة وقابلا للتكرار للصب المزدوج PDMS الذي يجمع بين الشيخوخة الحرارية والمعالجة السطحية لزيت السيليكون للتغلب على تحديات إزالة القوالب في التصنيع الدقيق. غالبا ما تتطلب التقنيات التقليدية مثل المعالجات السطحية الكيميائية أو الشيخوخة الحرارية وحدها معدات متخصصة أو توفر نتائج غير متسقة ، خاصة عند تكرار الميزات الكثيفة ذات نسبة العرض العالية. من خلال دمج الشيخوخة الحرارية مع حاجز غير لاصق ، تعمل طريقتنا على تبسيط التنفيذ مع تعزيز دقة النسخ المتماثل و...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم دعم هذا البحث من قبل برنامج البحث والتطوير في تكنولوجيا الدفاع المستقبلية القابلة للتحدي من خلال وكالة تطوير الدفاع (ADD) ، بتمويل من إدارة برنامج الاستحواذ الدفاعي (DAPA) في عام 2023 (رقم 915027201)

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
معدات قياس زاوية الاتصالالبصريات السطحية الكهربائية (SEO)فينيكس 300
عامل المعالجةداوسيلجارد 184 ب
كاميرا رقميةسونيE3ISPM06300KPB
الهكسانسيجما ألدريتش32293≥ 99٪ (GC)، كاشف ACS
صحن ساخنMTOPSهس دي 180
كحول الأيزوبروبيل (IPA)راونتيكPS2032-001
MR-100 (زيت مضخة فراغ)موريسكو1802-00005-0244.6 درجة مئوية
مجهر بصريأوليمبوسبي اكس 51
قاعدة PDMSداو  سيلجارد 184 أ
SEMثيرمو فيشر العلميفيريوس 5 يو سي
زيت السيليكونشينيتسو  KF-96-100CS100 cSt
زيت السيليكونشينيتسو  KF-96-1000CS1000 سي إس تي
تدور المغطيدونغ آه للتجارةالآس -200
ثلاثي كلورو (أوكتاديسيل) سيلان (OTS)سيجما ألدريتش104817
منظف بالموجات فوق الصوتيةبرانسون5510E-DTH
مضخة فراغالغازDOL-701-AA

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Morbioli, G. G., Speller, N. C., Stockton, A. M. A practical guide to rapid-prototyping of PDMS-based microfluidic devices: A tutorial. Anal Chim Acta. 1135, 150-174 (2020).
  2. Olmos, C. M., et al. Cost-effective fabrication of photopolymer molds with multi-level microstructures for PDMS microfluidic device manufacture. RSC Adv. 10 (7), 4071-4079 (2020).
  3. Wang, B., et al. A highly sensitive tapered fiber biosensor modified by PDMS combustion product and graphene oxide for MUC1 detection. Sens Actuators Rep. 9, 100287(2025).
  4. Staicu, C. E., Jipa, F., Axente, E., Radu, M., Radu, B. M., Sima, F. Lab-on-a-chip platforms as tools for drug screening in neuropathologies associated with blood-brain barrier alterations. Biomolecules. 11 (6), 916(2021).
  5. Chudy, M., et al. Miniaturized tools and devices for bioanalytical applications: an overview. Anal Bioanal Chem. 395 (3), 647-668 (2009).
  6. Aghvami, S. A., et al. Rapid prototyping of cyclic olefin copolymer (COC) microfluidic devices. Sens Actuators B Chem. 247, 940-949 (2017).
  7. Amadeo, F., Mukherjee, P., Gao, H., Zhou, J., Papautsky, I. Polycarbonate masters for soft lithography. Micromachines. 12 (11), 1392(2021).
  8. Lim, W. -B., et al. A novel UV-curable acryl-polyurethane for flexural 3D printing architectures. Addit Manuf. 51, 102625(2022).
  9. Asad, A., Sadrzadeh, M., Sameoto, D. Direct micropatterning of phase separation membranes using hydrogel soft lithography. Adv Mater Technol. 4 (7), 1800384(2019).
  10. Soffe, R., Bernach, M., Remus-Emsermann, M. N. P., Nock, V. Replicating Arabidopsis model leaf surfaces for phyllosphere microbiology. Sci Rep. 9 (1), 14420(2019).
  11. Li, S., Van Nguyen, S., Lee, B. -K. Role of heat treatment in improving replication quality of PDMS double-casting. Soft Matter. 18 (18), 3473-3478 (2022).
  12. Gitlin, L., Schulze, P., Belder, D. Rapid replication of master structures by double casting with PDMS. Lab Chip. 9 (20), 3000-3002 (2009).
  13. Zhuang, G., Kutter, J. P. Anti-stiction coating of PDMS moulds for rapid microchannel fabrication by double replica moulding. J Micromech Microeng. 21 (10), 105020(2011).
  14. Sung, J., So, H. Facile and cost-effective PDMS double-casting method based on curing temperature and ratio for solvent detecting applications. Sens Actuators B Chem. 387, 133834(2023).
  15. Shao, G., Wu, J., Cai, Z., Wang, W. Fabrication of elastomeric high-aspect-ratio microstructures using polydimethylsiloxane (PDMS) double casting technique. Sens Actuators A Phys. 178, 230-236 (2012).
  16. Kim, S. -H., Lee, S., Ahn, D., Park, J. Y. PDMS double casting method enabled by plasma treatment and alcohol passivation. Sens Actuators B Chem. 293, 115-121 (2019).
  17. Kwapiszewska, K., Żukowski, K., Kwapiszewski, R., Brzózka, Z. Double casting prototyping with a thermal aging step for fabrication of 3D microstructures in poly(dimethylsiloxane). AIMS Biophys. 3 (4), 553-562 (2016).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة