Mikrofluidische Rapid- und Low-Cost-Prototyping-Verpackungsmethoden mit hohem Durchsatz

Summary

In diesem Artikel beschreiben wir verschiedene Techniken für mikrofluidische Rapid Prototyping Plattformen. Die vorgeschlagenen Techniken basieren auf ultraviolett (UV) empfindlichen und temperaturhärtenden Epoxidharzen, Schläuchen auf Basis von Polydimethylsiloxan (PDMS), Drahtbonden und anisotropen Klebefilmen. Die vorgestellten Montageverfahren wurden sowohl für Einweggeräte als auch für wiederverwendbare mikrofluidische Systeme entwickelt.

Abstract

In dieser Arbeit werden 3 verschiedene Verpackungs- und Montagetechniken vorgestellt. Sie können in zwei Kategorien eingeteilt werden: Einweg- und Mehrwegverpackungstechniken.

Die Einwegverpackungstechnik verwendet UV-basierte und temperaturhärtende Epoxidharze, um Mikroröhrchen mit Zugangslöchern zu verbinden, Drahtbonden für integrierte Schaltkreisverbindungen und Silberepoxidharz für elektrische Verbindungen. Diese Methode basiert auf einer robusten Assemblierungstechnik, die einen relativ hohen Druck nahe 1 psi aushalten kann und keine Unterstützung benötigt, um die mikrofluidische Architektur zu stärken.

Wiederverwendbare Verpackungstechniken bestehen aus PDMS-basierten Mikrorohr-Interkonnektoren und anisotropen Klebefolien für elektrische Verbindungen. Diese Geräte sind empfindlicher und zerbrechlicher. Folglich wird die mikrofluidische Struktur um eine Plexiglasstütze erweitert, um den elektrischen Kontakt bei der Verwendung von anisotropen Klebefilmen zu verbessern und die mikrofluidische Architektur zu stärken. Darüber hinaus wird ein Mikromanipulator benötigt, um die Rohre zu warten und sie mit einer dünnen PDMS-Schicht mit den Zugangslöchern zu verbinden. Unterschiedliche PDMS-Schichtdicken von 0,45 bis 3 mm werden getestet, um die beste Haftung mit den Injektionsraten zu vergleichen. Die applizierten Injektionsraten variieren von 50-300 μl/h für 0,45-3 mm PDMS-Schichten. Diese Techniken sind vor allem für Niederdruckanwendungen anwendbar. Sie können jedoch durch das Plasma-Sauerstoff-Verfahren für Hochdruckdruckgeräte erweitert werden, um das PDMS dauerhaft auf Glassubstraten abzudichten. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht neben der Tatsache, dass sie wiederverwendbar ist, darin, dass das Gerät auch dann beobachtbar bleibt, wenn die Mikrokanallänge sehr kurz ist (im Bereich von 3 mm oder weniger).

Introduction

Jüngste Fortschritte in der Mikrofabrikation haben zu komplexeren mikrofluidischen Geräten geführt, die eine große Anzahl von Elektroden und verschiedene Arten von Steuerungsalgorithmen enthalten. Diese Fortschritte zeigten jedoch neue Herausforderungen bei der Verpackung auf. Darüber hinaus ist Lab-on-Chip (LoC) ein multidisziplinäres Konzept, bei dem mikrofluidische Bauelemente, mikroelektromechanische Systeme (MEMS), mikroelektronische Chips und andere Teile miteinander verbunden sind. Folglich ist es unmöglich, einen Verpackungsprozess zu entwickeln, ohne verschiedene Einschränkungen von LoC-Komponenten zu berücksichtigen, wie z. B. die Empfindlichkeit und der Schutz von Mikroelektronik, Schaltkreisen, Schläuche und mechanische Aspekte. Darüber hinaus steht das Verpacken der Komponenten einer gegebenen LoC in engem Zusammenhang mit der Anwendung^1,2. So ist beispielsweise bei optischen Anwendungen die Transparenz des Bausteins entscheidend, insbesondere zu Testzwecken. Daher ist es wichtig, das Systemverhalten zu überwachen, indem das Gerät beobachtbar bleibt. Bei Anwendungen im Zusammenhang mit Zell- oder Partikelmanipulationen ist der Einsatz von Niederspannungstechniken attraktiver, da neue Mikrofabrikationstechnologien aufkommen, die eine Reduzierung der Elektrodenabmessungen (von wenigen Mikrometern auf einen Submikrometerbereich^{von 3 bis 5} Mikrometern) ermöglichen, aber die Anzahl der Elektroden erheblich auf 100 oder mehr erhöhen.

Auf der anderen Seite erfordern LoCs, die für chemische und biologische Analysen bestimmt sind, eine Langzeitbeobachtung. So müssen die Systemverpackung und der Prüfstand biologische Kontaminationen sowie Ausfälle in den elektronischen Geräten von LoC vermeiden und das System beobachtbar halten.

In kürzlich veröffentlichten Arbeiten sind Mikrofluidik und MEMS die Hauptbestandteile eines LoC, aber andere Module können für die Überwachung des Systems verwendet werden. Folglich wurde das Testen und Validieren von mikrofluidischen Architekturen mit den neuen Mikrofabrikationsansätzen und den Architekturen mit hoher Komplexität und Durchsatz zu einer Herausforderung. Bisher gibt es für mikrofluidische Systeme keine standardisierten Prüfplattformen oder Halterungen, wie es bei Mikroelektronik-Matrizen der Fall ist.

Forscher schlugen verschiedene Verpackungstechniken für bestimmte Anwendungen vor, wie z.B. Xie et al.⁶ die ein biomikrofluidisches Packaging mit einem Mikroelektronik-Chip zur Steuerung der DNA-Trennung in mikrofluidischen Kanälen entwickelt haben. Beebe et al.⁷ entwarf einen mikrofluidischen Kanal mit integrierten Flüssigkeitsreservoirs und stimuli-responsiven Hydrogelventilen zur Manipulation von Flüssigkeitsproben. Andere Systeme schlagen die Verwendung von elektrolytischen blasenbasierten Durchflusssensoren vor, um Drücke durch ein elektrisches Feld zu erfassen, um Luftblasen zu erzeugen und den entsprechenden Druck^{zu messen 8}. Das Sensorsystem misst die Impedanz der Blase und bestimmt dann den Druck, was eine spezielle Verpackung erfordert, die so konzipiert ist, dass keine Störungen in die Messungen eingeführt werden. In einer anderen Arbeit wurde ein mikrofluidisches Verpackungsverfahren bei Raumtemperatur eingeführt, das auf dem sequentiellen Plasmaaktivierungsprozess⁹ basiert. Trotz der Tatsache, dass dieser Prozess zu einem stark zusammengebauten Gerät führen kann, hat er Einschränkungen, wenn er für Prototyping-Zwecke verwendet wird oder wenn das Gerät mehrmals verwendet wird. Letzteres kann den häufigen Austausch einiger Teile des Systems erfordern. Darüber hinaus führten Lee et al. eine neue Packaging-Technik namens Biolab-on-IC ein, die auf der Verwendung von Magnetfeldern für die Manipulation einzelner magnetischer Beads basiert, wobei die mikrofluidische Architektur auf der Oberseite des integrierten Schaltkreises¹⁰ entworfen ist. Darüber hinaus sind die Zuverlässigkeit des Aufbaus und die Integration von mikrofluidischen Systemen unter Berücksichtigung der Systemgröße, der optischen Aspekte und der Verbindungsteile kritische Aspekte, wie von Han und Frazier¹¹ beschrieben. Letzteres spiegelt einen typischen Ansatz für LoC-Systeme wider, bei denen mehrere Parameter während der Verpackung genau festgelegt und gemessen werden müssen.

Folglich ist das mikrofluidische Packaging eine Herausforderung für eine neue Generation von mikrofluidischen Geräten. Die Verpackung umfasst heterogene Teile wie Schläuche, elektrische Anschlüsse und mikrofluidische Halterungen. Bei der Verrohrung ist das Hauptproblem der sehr begrenzte Platz, der für den Anschluss der Schläuche für den Zugang zu den mikrofluidischen Löchern zur Verfügung steht. Der Durchmesser der aktuell handelsüblichen Steckverbinder liegt im Bereich von 6 mm; Der Abstand zwischen den beiden Zugangslöchern wird jedoch mit der Reduzierung der Gesamtsystemabmessungen^{12-13 kleiner.} Aus diesem Grund haben wir eine Schlauchtechnik auf Basis von PDMS vorgeschlagen. Dieser Schlauchprozess ist speziell für die Prototyping-Phase ausgearbeitet. Aufgrund der chemischen Einschränkungen ist es nämlich obligatorisch, das Verbindungsrohr nach jedem Gebrauch zu wechseln, um das Austreten von Flüssigkeit in der Mikrostruktur zu vermeiden und zu minimieren und die Mikrokanäle zu reinigen. Für diese Zwecke ist das in dieser Arbeit beschriebene Verfahren insbesondere für ein schnelles Prototyping-Design geeignet.

Auf der anderen Seite sind elektrische Verbindungen entscheidend für mikrofluidische Geräte, die direkte oder indirekte elektrische Manipulation oder Messung verwenden. Aufgrund des breiten Anwendungsspektrums der Mikrofluidik können die Abmessungen, die Form und die Anzahl der elektrischen Kontakte des Geräts erheblich variieren. Daher ist eine vielseitige Methode erforderlich, die für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden kann. Kaler et al. berichteten über Ergebnisse ihrer mikrofluidischen Rapid-Prototyping-Plattform, die auf ZIF-Konnektoren (Zero Insertion Force)¹⁴ basiert. Anstelle dieser späteren Konnektoren verwenden die vorgestellten Verfahren eine anisotrope klebende leitfähige Folie, die sich leicht an jede Form anpassen lässt.

Viele Forscher berücksichtigen die Testeinschränkungen nicht, wenn sie ihr mikrofluidisches Gerät entwerfen. In der Mikroelektronik gibt es viele Stützen, die für das Prototyping und Testen verwendet werden und als IC-Halter bezeichnet werden. Diese sind hauptsächlich darauf ausgelegt, die Prototyping- und Testzeiten zu verkürzen und Forschern und Ingenieuren eine einfache Möglichkeit zu bieten, Geräte im Falle eines Ausfalls auszutauschen. Ähnlich wie bei der Mikroelektronik schlagen wir auch für mikrofluidische Bauelemente ein neues Prüfpaket vor, das auf eine Gerätegröße von 45 mm x 90 mm begrenzt ist.

Unsere vorgeschlagenen Techniken zielen darauf ab, eine große Anzahl von mikrofluidischen Geräten und Anwendungen abzudecken. Diese Methoden können auf andere Anwendungen angepasst, erweitert und aufgerüstet werden. Unser Ziel ist es, eine der ersten vielseitigen Verpackungsmethoden für mikrofluidische Geräte anzubieten, die für mikrofluidische Manipulationen optimiert sind. Zum Beispiel ist eine Endanwendung für Geräte, die mit diesen Techniken verpackt sind, die Trennung von Polystyrol- und Carboxyl-modifizierten Mikrosphären mit künstlicher Zerebrospinalflüssigkeit. Dennoch können sie in anderen Anwendungen mit anderen Lösungen eingesetzt werden.

Im weiteren Verlauf dieses Artikels werden drei verschiedene Schlauchtechniken, 2 elektrische Verbindungsmethoden und eine mikrofluidische Verpackungsmethode vorgestellt und verglichen.

Protocol

1. Abnehmbarer PDMS-basierter Interkonnektor für mikrofluidische Niederdruckanwendungen^15-16

1. Vorbereitung
   In diesem Abschnitt werden verschiedene Schritte zur Vorbereitung des Glases und des PDMS beschrieben, um den Interkonnektor herzustellen.
   1. Bereiten Sie das PDMS vor: Mischen Sie das PDMS und das Härter im Verhältnis (10:1).
   2. Stellen Sie sicher, dass die Ofentemperatur auf einer konstanten Temperatur von 80 °C stabilisiert ist. Verwenden Sie je nach Ofen ein Messgerät, um die Temperatur des Ofens zu messen und dann manuell zu überwachen.
   3. Reinigen Sie die Petrischale gründlich mit Ethanol.
   4. Reinigen Sie die Oberfläche der mikrofluidischen Zugangslöcher, an denen der PDMS-Interkonnektor platziert werden soll.
2. Fertigung
   Bei der in diesem Dokument beschriebenen Verbindungsleitung handelt es sich im Wesentlichen um eine nachgiebige Dichtung. Diese Dichtung ist aus PDMS geformt und enthält Löcher, in die Mikroröhrchen eingeführt werden können. Es haftet selbst an der Oberfläche eines mikrofluidischen Chips, um eine auslaufsichere Abdichtung zwischen dem Mikroröhrchen und den Zugangslöchern zu den Mikrokanälen im Chip zu bilden.
   Führen Sie die folgenden Schritte aus, um die Verbindungsleitung herzustellen.
   1. Gießen Sie eine dünne Schicht (ca. 2 mm) des PDMS (Flüssigkeit) in eine Petrischale.
   2. Lassen Sie das PDMS bei einer Temperatur von 80 °C im Ofen 12-15 min leicht polymerisieren. Platzieren Sie den mikrofluidischen Chip, zu dem die Verbindung hergestellt wird, gleichzeitig im Ofen, so dass er die gleiche Temperatur hat.
   3. Wenn das PDMS zu polymerisieren beginnt, nehmen Sie es aus dem Aushärtungsofen.
   4. Verwenden Sie einen Biopsiestanzer, um Löcher mit dem gewünschten Durchmesser in die mikrofluidische Chipoberfläche zu bohren.
   5. Schneiden Sie mit der Klinge das gewünschte Stück PDMS ab.
      Hinweis: Es wird empfohlen, zunächst ein größeres Stück Material auszuschneiden, als später benötigt wird. Um die Verwendung mehrerer Steckverbinder zu vermeiden, ist es wünschenswert, dass jeder PDMS-Steckverbinder in eine quadratische Form geschnitten und Löcher gestanzt werden, um der maximal möglichen Anzahl von Löchern auf dem Chip des Benutzers zu entsprechen.
   6. Halten Sie die Löcher etwas kleiner als den Außendurchmesser des Mikroröhrchens.
   7. Entfernen Sie das PDMS schnell von den Petrischalen und platzieren Sie es auf dem mikrofluidischen Chip.
   8. Stellen Sie sicher, dass sich weder auf dem PDMS noch auf dem Chip Staub befindet, und stellen Sie sicher, dass die Zugangslöcher auf dem mikrofluidischen Chip mit denen des PDMS ausgerichtet sind.
   9. Führen Sie mit einem Mikropositionierer Rohre (z. B. Teflonrohre) durch den PDMS-Interkonnektor ein. Die Schläuche sollten 110 % des Durchmessers des mikrofluidischen Zugangslochs haben, um ein Austreten von Flüssigkeit zu verhindern. Je nach Anwendung des Benutzers können die gleichen Schläuche an das Flüssigkeitsinjektionssystem angeschlossen werden.
      Anmerkung: Platzieren Sie die Schläuche immer mit einem Mikropositionierer, die PDMS-Schicht ist nicht sehr dick und kann sich ablösen, wenn die Schläuche verdreht werden.
   10. Falls erforderlich, fügen Sie Epoxidharz zwischen der Tube und dem PDMS hinzu, um eine bessere Haftung zu gewährleisten.
       Ein Beispiel für die fertiggestellte Verbindungsleitung ist in den Abbildungen sowie in Ghallab und Badawy² dargestellt.

2. Verbindung von Mikroröhrchen in mikrofluidischen Anwendungen mit Epoxid¹⁷

Wenn Sie einen Interkonnektor herstellen, stellen Sie sicher, dass die Kante des Mikrorohrs korrekt geschnitten ist. Verwenden Sie eine neue, scharfe Klinge, um die Kante des Mikroröhrchens gerade zu schneiden und sicherzustellen, dass der Kontakt zwischen Mikroröhrchen und Zugangsloch gleichmäßig ist.

1. Platzieren Sie das Mikroröhrchen mit dem Mikropositionierer vorsichtig in der Zugangsöffnung des Mikrofluidik-Chips.
2. Üben Sie einen kleinen Druck auf den Epoxidspender aus, um Epoxidharz auf die Zugangslöcher aufzutragen, oder platzieren Sie es manuell.
3. Lassen Sie das Epoxidharz mit den folgenden Schritten aushärten:
   1. UV-härtendes Epoxidharz: Setzen Sie das UV-Epoxidharz je nach Menge des verwendeten Epoxidharzes 3-10 Minuten lang einer UV-Quelle aus. Weitere Informationen finden Sie in den Epoxidspezifikationen.
   2. Standard-Epoxidharz: Wenn das mikrofluidische Substrat nur bei RT verwendet werden soll, muss das Epoxidharz bei RT 24 Stunden lang aushärten. Wenn das Substrat hohen Temperaturen standhalten muss, verfestigen Sie das Epoxidharz schnell, indem Sie es je nach Anwendung mit einem Ofen oder einer Heizung 100 °C aussetzen. Weitere Informationen finden Sie in den Epoxidspezifikationen.

3. Montagetechnik für wiederverwendbare mikrofluidische Chips mit elektrischer Schnittstelle¹⁷

1. Zusammenbau der Komponenten
   Abbildung 2 zeigt die Verbindungen zwischen den elektrischen Steckverbindern auf der Leiterplatte und den elektrischen Pads auf dem Mikrofluidik-Chip. Gehen Sie folgendermaßen vor, um die PCB-/Mikrofluidik-Chip-/Plexiglaskomponenten zusammenzubauen:
   Vorsicht: Vermeiden Sie übermäßigen Kompressionsdruck, der den mikrofluidischen Chip brechen kann.
   1. Löten Sie die oberflächenmontierbaren mehrpoligen elektrischen Steckverbinder an die Leiterplatte.
   2. Wenn die elektrischen Pads des Mikrofluidik-Chips oberflächenverunreinigt sind, reinigen Sie sie mit Plasmasauerstoff, andernfalls reinigen Sie die Pads mit Ethanol.
   3. Schneiden Sie das leitfähige Band mit einer scharfen Klinge in kleine Stücke mit den gleichen Abmessungen wie die elektrischen Pads des Mikrofluidik-Chips, wie in den Abbildungen 1 und 2 gezeigt.
   4. Legen Sie das leitfähige Klebeband mit einer Pinzette auf die elektrischen Pads der Leiterplatte.
   5. Richten Sie den Mikrofluidik-Chip aus und platzieren Sie ihn dann auf der Leiterplatte.
      Anmerkung: Verwenden Sie für die Genauigkeit der Platzierung eine Ausrichtmaschine.
   6. Legen Sie eine Isolationsschicht (z. B. Papier) auf die Leiterplatte, um Kurzschlüsse zu vermeiden, bevor Sie die Metallhalterungen installieren, abhängig von der Position der PCB-Leiterbahnen.
   7. Befestigen Sie die Metallhalterung mit Maschinenschrauben und Muttern.
2. disassemblierend
   1. Entfernen Sie die Maschinenschrauben, Muttern und die Metallhalterungen.
   2. Trennen Sie vorsichtig den mikrofluidischen Chip und die Leiterplatte.
   3. Verwenden Sie Ethanol, um den leitfähigen Klebebandkleber von den elektrischen Pads auf der Leiterplatte und dem mikrofluidischen Chip zu entfernen, bevor Sie ihn wieder zusammenbauen.

Results

Abbildung 3 zeigt ein detailliertes Schema der vorgeschlagenen Verpackungstechnik. Die Verpackungslösung wurde mit verschiedenen PDMS-Stärken und -Größen getestet, um einen transparenten und effizienten Verpackungsprozess für hybride Mikroelektronik/mikrofluidische Mikrosysteme zu charakterisieren, wie in den Abbildungen 4 und 5 gezeigt. Die Abmessungen der entworfenen PDMS-Verbindungsschicht betragen 6 mm x 6 mm und werden zum Verbinden von zwei Zugangslöchern verwendet...

Discussion

Der PDMS-Interkonnektor ist für Niederdruckanwendungen vorgesehen, ein Austreten von Flüssigkeit in das Chip-Zugangsloch beim anschließenden Aufsetzen des PDMS-Interkonnektors auf das Zugangsloch muss verhindert werden. Daher beträgt die empfohlene Dicke von PDMS weniger als 2 mm. Eine größere Dicke kann zu einer schwachen Adhäsion des PDMS an der mikrofluidischen Chipoberfläche führen und wird nicht empfohlen. Ein erfolgloser Versuch wurde mit einer Dicke von 4 mm durchgeführt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Haf...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Epoxy 731	Epotek	731
PDMS	Dow Corning	SYLGARD 184
UV Epoxy	Epotek	OG159
Mikropumpe	Harvard Apparatus	PHD Ultra
PCB	Advanced Circuits
Plexiglas	Ecole Polytechnique
Klebstoff leitfähig Folie	3M	9703