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Ein gut entwickeltes und vielversprechendes Gebiet in der technischen Forschung ist die Mikrofabrikation aufgrund der großen Weite von Anwendungen, die mikrofluidische Plattformen verwenden. Mikrofabrikation ist ein Prozess, bei dem Strukturen mit μm- oder kleineren Merkmalen unter Verwendung verschiedener chemischer Verbindungen hergestellt werden. Mit der Entwicklung der mikrofluidischen Forschung in den letzten 30 Jahren hat sich die weiche Lithographie zur beliebtesten Mikrofabrikationstechnik entwickelt, mit der Mikrochips aus Poly(dimethylsiloxan) (PDMS) oder ähnlichen Substanzen hergestellt werden können. Diese Mikrochips wurden häufig für die Miniaturisierung gängiger Laborpraktiken1,2,3,4 verwendet und sind zu leistungsstarken Forschungswerkzeugen für Ingenieure geworden, um Reaktionsprozesse5,6,7nachzuahmen, Reaktionsmechanismen zu untersuchen und Organe nachzuahmen, die im menschlichen Körper in vitro gefunden werden (z. B. Organ-on-a-Chip)8,9,10. Mit zunehmender Komplexität der Anwendung ist es jedoch typisch, dass ein komplexeres mikrofluidisches Gerätedesign eine bessere Replikation des realen Systems ermöglicht, das es imitieren soll.
Das grundlegende Verfahren der Weichlithographie besteht darin, ein Substrat mit einer Fotolacksubstanz zu beschichten und eine Fotomaske über das beschichtete Substrat zu legen, bevor das Substrat UV-Licht ausgesetzt wird11. Die Fotomaske hat transparente Bereiche, die das gewünschte Muster der mikrofluidischen Gerätekanäle nachahmen. Wenn das beschichtete Substrat UV-Licht ausgesetzt wird, lassen die transparenten Bereiche das UV-Licht durch die Fotomaske eindringen, wodurch der Fotolack vernetzt wird. Nach dem Belichtungsschritt wird der nicht vernetzte Fotolack mit einem Entwickler weggespült, wobei feste Strukturen mit dem beabsichtigten Muster hinterlassen werden. Da die Komplexität der mikrofluidischen Geräte immer größer wird, erfordern sie einen mehrschichtigen Aufbau mit extrem präzisen Abmessungen. Der Prozess der mehrschichtigen Mikrofabrikation ist im Vergleich zur einschichtigen Mikrofabrikation viel schwieriger.
Die mehrschichtige Mikrofabrikation erfordert eine präzise Ausrichtung der Merkmale der ersten Schicht mit den Designs auf der zweiten Maske. Normalerweise wird dieser Prozess mit einem kommerziellen Mask aligner durchgeführt, was teuer ist und eine Schulung zur Bedienung der Maschinen erfordert. Daher ist der Prozess der mehrschichtigen Mikrofabrikation für kleinere Labore, denen die Mittel oder die Zeit für solche Bemühungen fehlen, in der Regel unerreichbar. Während mehrere andere kundenspezifische Mask aligner entwickelt wurden, erfordern diese Systeme oft den Kauf und die Montage vieler verschiedener Teile und können immer noch ziemlich komplex sein12,13,14. Dies ist nicht nur für kleinere Labore teuer, sondern erfordert auch Zeit und Training, um das System zu erstellen, zu verstehen und zu verwenden. Der in diesem Artikel beschriebene Mask Aligner versuchte, diese Probleme zu lindern, da keine zusätzliche Ausrüstung erforderlich ist, sondern nur Geräte erforderlich sind, die typischerweise bereits in Labors vorhanden sind, die mikrofluidische Geräte herstellen und verwenden. Darüber hinaus wird der Mask Aligner durch 3D-Druck hergestellt, der mit der jüngsten Weiterentwicklung der 3D-Drucktechnologie für die meisten Labore und Universitäten zu erschwinglichen Kosten leicht verfügbar geworden ist.
Das in diesem Dokument beschriebene Protokoll zielt darauf ab, einen kostengünstigen und einfach zu bedienenden alternativen Mask aligner zu schaffen. Der hier beschriebene Mask Aligner kann die mehrschichtige Mikrofabrikation für Forschungslabore ohne konventionelle Fertigungseinrichtungen ermöglichen. Mit dem Mikroskopmasken-Alignment-Adapter (MMAA) können funktionelle Mikrochips mit komplexen Merkmalen mit einer normalen UV-Lichtquelle, einem optischen Mikroskop und gängigen Laborgeräten erreicht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das MMAA mit einem Beispielsystem mit einem aufrechten Mikroskop und einer UV-Licht-Belichtungsbox gut funktioniert. Das im 3D-Druckverfahren hergestellte MMAA wurde verwendet, um eine zweischichtige Masterform eines mikrofluidischen Fischgrätengeräts mit minimalen Ausrichtungsfehlern zu erhalten. Mit der Masterform, die mit einem 3D-gedruckten MMAA hergestellt wurde, wurden mikrofluidische Geräte mit mehrschichtigen Strukturen mit Ausrichtungsfehlern von <10 μm hergestellt. Der Ausrichtungsfehler von <10 μm ist minimal genug, um die Anwendung des mikrofluidischen Geräts nicht zu behindern.
Darüber hinaus wurde die erfolgreiche Ausrichtung einer mit dem MMAA hergestellten vierschichtigen Masterform bestätigt und Ausrichtungsfehler auf <10 μm festgestellt. Die Funktionalität des mikrofluidischen Geräts und minimale Ausrichtungsfehler bestätigen die erfolgreiche Anwendung der MMAA bei der Erstellung von mehrschichtigen mikrofluidischen Geräten. Die MMAA kann an jedes Mikroskop- und UV-Belichtungssystem angepasst werden, indem geringfügige Änderungen an der Datei im 3D-Drucker vorgenommen werden. Das folgende Protokoll beschreibt die Schritte, die erforderlich sind, um die MMAA an die in jedem Labor verfügbaren Geräte anzupassen und die MMAA mit den erforderlichen Spezifikationen in 3D zu drucken. Darüber hinaus beschreibt das Protokoll, wie eine mehrschichtige Master-Form mit dem System entwickelt und anschließend PDMS-Mikrofluidik-Geräte mit der Master-Form hergestellt werden. Die Generierung der Masterform und der mikrofluidischen Chips ermöglicht es dem Benutzer, die Wirksamkeit des Systems zu testen.