تصميم وتطوير محول محاذاة قناع مجهر مطبوع ثلاثي الأبعاد لتصنيع أجهزة Microfluidic متعددة الطبقات
January 25th, 2021
يسمح هذا المشروع للمختبرات الصغيرة بتطوير منصة سهلة الاستخدام لتصنيع أجهزة دقيقة متعددة الطبقات ذات طبقات دقيقة. تتكون المنصة من محول محاذاة قناع مجهر مطبوع ثلاثي الأبعاد باستخدام أجهزة microfluidic متعددة الطبقات مع أخطاء محاذاة <10 ميكرومتر.
هذا البروتوكول مهم لأنه يسمح لتوليد منصة فعالة من حيث التكلفة وسهلة الاستخدام التي تساعد في إنتاج قوالب رئيسية دقيقة متعددة الطبقات microfluidic. والميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنها لا تتطلب سوى استخدام المنصة المطبوعة ثلاثية الأبعاد والمعدات المختبرية القياسية الموجودة عادة في المختبرات التي تنتج أجهزة ميكروفلويديك. العرض التوضيحي المرئي لهذا البروتوكول أمر بالغ الأهمية لتوضيح كيفية تخصيص واستخدام محول محاذاة قناع المجهر المطبوع ثلاثي الأبعاد.
الحصول على أبعاد علبة من نظام الانبعاثات ضوء الأشعة فوق البنفسجية المتاحة لتكون الحد العلوي لأبعاد حامل رقاقة. قياس قطر الحافة الدائرية الداخلية، والارتفاع الداخلي لأنظمة الأشعة فوق البنفسجية أنظمة الانبعاثات، والعرض الإجمالي وطول الدرج. باستخدام تطبيق تصميم الكمبيوتر، وتطبيق هذه الأبعاد لتخصيص حامل رقاقة لتناسب داخل علبة أنظمة الأشعة فوق البنفسجية الانبعاثات الخفيفة.
قياس الطول بين مسامير وعرض مسامير على مرحلة المجهر تستقيم المتاحة التي تعقد حامل الشريحة في مكان. باستخدام تطبيق تصميم الكمبيوتر، وتطبيق هذه الأبعاد لتخصيص حامل المغناطيسي لتناسب المجهر المتاحة للسماح لتثبيت سهلة ودقيقة من MMAA إلى المجهر. استخدام رقاقة السيليكون أربعة بوصة معك مقاومة الصورة المناسبة لإنشاء الطبقة الأولى من القالب الرئيسي، وضمان أن سمك أكبر من الطبقات اللاحقة لتحديد سهل من علامات المحاذاة.
استخدم قلم علامة فاتح اللون لتلوين علامات محاذاة الطبقة الأولى على جميع الجوانب الأربعة. باستخدام تعليمات مقاومة الصورة الشركة المصنعة، والشروع في الطبقة الثانية من القالب الرئيسي عن طريق طلاء تدور مقاومة الصورة على رقاقة وأداء خبز لينة. إدراج رقاقة المغلفة في حامل رقاقة من MMAA وإصلاح رقاقة المغلفة إلى MMAA باستخدام الشريط.
قم بإرفاق حامل الرقاقة بالمجهر المستقيم المتوفر باستخدام مثبت المجهر المغناطيسي. حرك موضع MMAA باستخدام مقابض الاتجاه X و Y لمرحلة المجهر حتى تظهر إحدى علامات المحاذاة الملونة على الرقاقة من خلال عدسة المجهر. إزالة حامل رقاقة من مرحلة المجهر وإدراج قناع الصورة الطبقة الثانية في حامل رقاقة على رأس رقاقة المغلفة.
تأكد من أن علامات المحاذاة الملونة للطبقة الأولى يمكن رؤيتها جزئيا من خلال علامات المحاذاة على قناع الصورة وأن الحافة المستقيمة لقناع الصورة يتم تركيبها مع الحافة المستقيمة لرقائق السيليكون. إرفاق حامل رقاقة مرة أخرى على مرحلة المجهر وإرفاق قناع الصورة إلى رفع مقص من خلال واحدة من القواطع الجانبية مع الشريط. استخدم المقص لضبط موضع اتجاه Z لقناع الصورة حتى يقع فوق الرقاقة المغلفة مباشرة.
مع الحفاظ على قناع الصورة لا يزال، ننظر من خلال عدسة المجهر وتحديد علامات المحاذاة الملونة الطبقة الأولى تحت علامات المحاذاة من قناع الصورة باستخدام المقابض اتجاه X و Y من مرحلة المجهر لتحريك موقف MMAA. اضبط موضع MMAA حتى يتم تركيب علامة المحاذاة على قناع الصورة مع علامة المحاذاة الملونة على الطبقة الأولى. تطبيق بعناية قوة طفيفة على قناع الصورة واستخدام الشريط لتأمين قناع الصورة في مكان على رأس رقاقة المغلفة.
افصل قناع الصورة عن رفع المقص وتأكد من أن جميع علامات المحاذاة الأربعة الموجودة على قناع الصورة تتم محاذاتها مع علامات المحاذاة الأربعة في الطبقة الأولى. محاذاة آخر، فصل بعناية حامل رقاقة من مرحلة المجهر. أدخل اللوحة العلوية الزجاجية أعلى الرقاقة وقناع الصورة لتقليل الفجوة بين القطعتين.
ضع حامل الرقاقة بالكامل في نظام التعرض للأشعة فوق البنفسجية المتاح واؤدي التعريض الضوئي للطبقة الثانية. قم بإزالة حامل الرقاقة من نظام التعرض للأشعة فوق البنفسجية، ثم قم بإزالة الرقاقة المغلفة من حامل الرقاقة وفصل قناع الصورة عن الرقاقة. إكمال ما بعد خبز وتطوير الطبقة الثانية بعد الصورة مقاومة تعليمات الشركة المصنعة.
استرداد القالب الرئيسي ووضعه على خشبة المسرح من المجهر تستقيم لتحديد المسافة الفجوة بين الطبقة الأولى والطبقة الثانية. قياس المسافة التي يتم نقل الطبقة الثانية وتضليلها من الطبقة الأولى على هياكل القنوات الدقيقة. استخدم المجهر المستقيم لتحديد ما إذا كانت شريحة PDMS تحتوي على جدران قنوات مستقيمة مع حواف جهاز واضحة.
بالإضافة إلى ذلك، تحقق من شريحة PDMS لأي عيوب محتملة قد تعيق وظائف الجهاز. من خلال التحسين واستخدام MMAA ، تم تلفيق قوالب رئيسية متعددة الطبقات مع الحد الأدنى من خطأ المحاذاة. تم استخدام هذا النظام والبروتوكول الموصوف لمحاذاة العلامات على قناع الصورة مع علامات على الطبقة الأولية من القالب الرئيسي.
تم تصنيع الطبقة المزدوجة SU-8 الرئيسية لجهاز microfluidic مع نمط الرنجة وتبين أن لديها مسافة فجوة أقل من خمسة ميكرومترات بين الطبقتين. ثم تم استخدام طبقة اثنين من العفن الرئيسي لتصنيع رقائق PDMS. تظهر صور المجهر الإلكتروني المسح الضوئي أن الجهاز microfluidic مع نمط الرنجة يحتوي على حواف واضحة وجدران قناة مستقيمة وطبقات متوائمة بشكل جيد ، والتي تعتبر ضرورية لوظائف الجهاز المناسبة.
بالإضافة إلى ذلك ، تم إنشاء قالب رئيسي من أربع طبقات مع ميزات دائرية بسيطة باستخدام MMAA لإظهار المحاذاة الناجحة لقالب رئيسي متعدد الطبقات. تؤكد بيانات مقياس التنميط الطبقات الأربع المتميزة للقالب الرئيسي. من المهم التحلي بالصبر والعمل ببطء عند محاذاة علامات محاذاة الطبقتين الأولى والثانية وفي حين تحديد قناع الصورة إلى الرقاقة المغلفة.
يمكن استخدام هذا الإجراء لإنتاج العديد من القوالب الرئيسية متعددة الطبقات المختلفة ، مما يسمح للباحثين من مختبرات أصغر باستكشاف تصاميم أجهزة microfluidic أكثر تعقيدا.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
النظرة العامة
يسمح هذا المشروع للمختبرات الصغيرة بتطوير منصة سهلة الاستخدام لتصنيع أجهزة مايكروفلويدية متعددة الطبقات دقيقة. تتكون المنصة من محول محاذاة قناع مجهر مطبوع ثلاثي الأبعاد، ويحقق أخطاء محاذاة أقل من <10 ميكرومتر.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- الماكروفلويديات
- تصنيع الأجهزة
- تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد
الخلفية
- الأجهزة الماكروفلويدية ضرورية للعديد من التطبيقات البيولوجية.
- تعتبر طرق التصنيع التقليدية معقدة ومكلفة.
- تقدم الطباعة ثلاثية الأبعاد نهجًا جديدًا لتبسيط العملية.
- دقة المحاذاة حاسمة لأداء الجهاز.
هدف الدراسة
- لإنشاء منصة فعالة من حيث التكلفة لتصنيع أجهزة ماكروفلويدية متعددة الطبقات.
- لتوضيح استخدام محول محاذاة قناع مجهر مطبوع ثلاثي الأبعاد.
- لتوفير بروتوكول يمكن اتباعه بسهولة من قبل المختبرات الصغيرة.
الطرق المستخدمة
- تصميم محول محاذاة قناع مجهر مطبوع ثلاثي الأبعاد.
- قياس أبعاد صواني نظام انبعاث الضوء فوق البنفسجي.
- تخصيص حوامل الرقائق باستخدام تطبيقات تصميم الكمبيوتر.
- عروض مرئية لمساعدة في فهم البروتوكول.
النتائج الرئيسية
- تحقيق أجهزة ماكروفلويدية متعددة الطبقات بأخطاء محاذاة أقل من <10 ميكرومتر.
- توضيح فعالية المنصة المطبوعة ثلاثي الأبعاد.
- توفير بروتوكول واضح يمكن للمختبرات اتباعه.
- تسليط الضوء على إمكانية الوصول إلى الطريقة باستخدام معدات المختبرات القياسية.
الاستنتاجات
- تمثل المنصة المتقدمة تقدمًا كبيرًا للمختبرات الصغيرة.
- تبسط تصنيع الأجهزة الماكروفلويدية الدقيقة.
- تشجع على اعتماد أوسع للتكنولوجيات الماكروفلويدية في البحث.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
Precision multilayer microfluidic device fabrication is a critical enabler for advanced assay development and complex biological modeling in early discovery pipelines. The 3D-printed microscope mask alignment adapter (MMAA) democratizes access to high-fidelity multilayer fabrication, reducing dependency on costly cleanroom infrastructure and expanding prototyping capabilities for smaller R&D teams. This platform supports rapid iteration and reproducibility, directly impacting the pace and quality of translational research and device-driven screening workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rapid prototyping of multilayer microfluidic devices for functional biological assays.
- Supports precise spatial control in device fabrication, reducing mechanistic ambiguity in target interrogation.
- Facilitates iterative design cycles for pathway clarification and hypothesis testing.
Screening & Assay Development
- Delivers reproducible multilayer master molds with alignment errors below 10 µm, supporting quantitative assay outputs.
- Standardizes device fabrication, enhancing assay comparability and scalability across projects.
- Prepares validated microfluidic platforms for reliable compound screening and evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Enables fabrication of complex device architectures for disease-relevant modeling and biomarker studies.
- Maintains continuity from discovery through preclinical validation by supporting custom device requirements.
- Reduces risk of device-related artifacts in translational workflows.
Pipeline & Workflow Integration
The MMAA-based workflow integrates from early discovery through assay development and preclinical device validation, providing a reusable and customizable fabrication capability.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven device design and biological de-risking through precise multilayer alignment.
- Screening: Ensures assay readiness and reproducibility by minimizing alignment errors in device fabrication.
- Analytics: Enables quantitative measurement of alignment and device fidelity, supporting robust data generation.
- Translational Research: Aligns device fabrication with evolving preclinical and biomarker needs.
- Enterprise Reuse: Customizable design files allow adaptation across diverse microscopes and UV systems, maximizing platform utility.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic uncertainty in device-enabled studies.
- Operational Value: Streamlines fabrication, enhances reproducibility, and lowers barriers for small labs.
- Strategic Value: Accelerates go/no-go decisions and improves capital efficiency by enabling rapid device iteration.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by providing reliable, scalable device fabrication for multiple programs.
Implementation Considerations
- Requires basic CAD proficiency and access to 3D printing resources for adapter customization.
- Relies on standard upright microscopes and UV exposure systems commonly available in microfluidics labs.
- Demands careful manual alignment and patience to minimize human error during fabrication.
- Adaptable to various device geometries and laboratory setups via modification of design files.
- Alignment precision may be limited by user experience and equipment tolerances.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:42
Designing the Microscope Mask Alignment Adapter (MMAA)
1:29
Creation of Bilayer Master Mold Using the MMAA (photolithography) and Determination of the Alignment Error
4:40
Results: Design, Customization, and Characterization of the Master Molds Fabricated Using MMAA
5:44
Conclusion
