Design und Entwicklung eines dreidimensional gedruckten Mikroskopmasken-Alignment-Adapters für die Herstellung von mehrschichtigen mikrofluidischen Geräten

Summary

Dieses Projekt ermöglicht es kleinen Laboren, eine einfach zu bedienende Plattform für die Herstellung präziser mehrschichtiger mikrofluidischer Geräte zu entwickeln. Die Plattform besteht aus einem dreidimensional gedruckten Mikroskopmasken-Alignment-Adapter, mit dem mehrschichtige mikrofluidische Geräte mit Ausrichtungsfehlern von <10 μm erreicht wurden.

Abstract

Dieses Projekt zielt darauf ab, eine einfach zu bedienende und kostengünstige Plattform für die Herstellung präziser, mehrschichtiger mikrofluidischer Geräte zu entwickeln, die typischerweise nur mit kostspieligen Geräten in einem Reinraum erreicht werden kann. Der Hauptteil der Plattform ist ein dreidimensional (3D) gedruckter Mikroskopmasken-Alignment-Adapter (MMAA), der mit normalen optischen Mikroskopen und UV-Licht-Belichtungssystemen kompatibel ist. Der gesamte Prozess der Erstellung des Geräts wurde aufgrund der Arbeit zur Optimierung des Gerätedesigns erheblich vereinfacht. Der Prozess beinhaltet die Suche nach den richtigen Abmessungen für die im Labor verfügbaren Geräte und den 3D-Druck der MMAA mit den optimierten Spezifikationen. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das optimierte MMAA, das durch den 3D-Druck entwickelt und hergestellt wurde, mit einem gängigen Mikroskop- und Lichtbelichtungssystem gut funktioniert. Mit einer master-form, die von der 3D-gedruckten MMAA hergestellt wird, enthalten die resultierenden mikrofluidischen Geräte mit mehrschichtigen Strukturen Ausrichtungsfehler von <10 μm, was für gängige Mikrochips ausreicht. Obwohl menschliches Versagen durch den Transport des Geräts zum UV-Licht-Expositionssystem größere Herstellungsfehler verursachen kann, sind die minimalen Fehler, die in dieser Studie erzielt wurden, mit Übung und Sorgfalt erreichbar. Darüber hinaus kann die MMAA an jedes Mikroskop- und UV-Belichtungssystem angepasst werden, indem Änderungen an der Modellierungsdatei im 3D-Drucksystem vorgenommen werden. Dieses Projekt bietet kleineren Laboren ein nützliches Forschungsinstrument, da es nur die Verwendung von Geräten erfordert, die normalerweise bereits für Labore verfügbar sind, die mikrofluidische Geräte herstellen und verwenden. Das folgende detaillierte Protokoll beschreibt den Design- und 3D-Druckprozess für die MMAA. Darüber hinaus werden hier auch die Schritte zur Beschaffung eines mehrschichtigen Master-Werkzeugs unter Verwendung der MMAA und zur Herstellung von mikrofluidischen Poly(dimethylsiloxan)-Chips (PDMS) beschrieben.

Introduction

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 ....

Protocol

1. Entwerfen der MMAA

1. Die Abmessungen des Trays des verfügbaren UV-Lichtemissionssystems sind die obere Grenze für die Abmessungen des Waferhalters (oder der UV-Belichtungseinheit) in Abbildung 1. Wie in Abbildung 2Adargestellt, messen Sie den Durchmesser (d) des inneren kreisförmigen Randes, die innere Höhe (h) des Trays des UV-Lichtemissionssystems, die Gesamtbreite (w) und die Länge (l) des Trays.
   HINWEIS: Als Beispiel hatte das verfügbare UV-Lichtbelichtungssystem Innenabmessungen von 5 Zoll (") x 5" x 0,25" mit einem kreisförmigen 4" Ausschnitt. Die Abmessungen der MMAA wurden dann so konzip....

Results

Durch die Optimierung und den Einsatz des MMAA (Abbildung 1) wurden mehrschichtige Masterformen mit minimalem Ausrichtungsfehler hergestellt. Die endgültige MMAA wurde im FFF-3D-Druckverfahren (Fused Filament Fabrication) hergestellt(Abbildung 2). Das FFF-Verfahren bietet eine erhöhte Genauigkeit für die gewünschten Geräteabmessungen. Die MMAA besteht aus zwei Hauptteilen(Abbildung 3):dem Basisstück und dem kundenspezifischen Versch.......

Discussion

Das oben genannte Protokoll beschreibt das Verfahren für den 3D-Druck einer MMAA und die Verwendung des Systems, um eine präzise, mehrschichtige, mikrofluidische Geräte-Masterform zu erstellen. Obwohl das Gerät einfach zu bedienen ist, gibt es kritische Schritte innerhalb des Protokolls, die Übung und Sorgfalt erfordern, um eine ordnungsgemäße Ausrichtung der Master-Mold-Schichten sicherzustellen. Der erste kritische Schritt ist das Design der MMAA. Bei der Entwicklung der MMAA ist es wichtig, die genauen Messungen für d.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), 3D-Druckfilament			zur Verfügung gestellt von der 3D-Druckeinrichtung der Texas Tech University
BX53, aufrechtes Mikroskop	Olympus
Form 2, Stereolithographie-3D-Drucker	Formlabs
Advanced Hot Plate Stirrer	VWR	97042-642
Isoproylalkohol, 70% (v/v)	VWR	BDH7999-4
Helle	Markierungs-Sharpie-Magnete
, 3 mm x 3 mm	WOTOY		ASIN #: B075PLVW8W
SYLGARD 184 Silikon-Elastomer-Kit	DOW	4019862
Petrischale, 150 mm x 15 mm	VWR	25384-326
Bedruckte Fotomasken	CAD/Art Services, Inc.
Aluminium-Stützbock - 8" x 8", Scherenhebebühne	VWR	12620-904
Siliziumwafer	Universitätswafer	452
Natriumhydroxid	VWR
Ultraschallbad	Branson	CPX3800H
Spin Coater	Laurell Technologies Corporation	Modell WS-650MZ-23NPPB
STRATASYS SR-30	MakerBot Industries, LLC	SR-30	Auflösbares Stützmaterial für den 3D-Druck
Stratasys uPrint SE 3D-Drucker	Computer Aided Technology, LLC
SU-8 50	Kayaku	Y131269 0500L1GL
SU-8 100	Kayaku	Y131273 0500L1GL
SU-8 Entwickler	Kayaku	Y020100 4000L1PE
Sekundenkleber	Gorilla Kleber
Trichlor(1H,1H,2H,2H-perfluoroctyl)silan	Sigma-Aldrich	448931-10G
Klebeband	Scotch
Form Cure, UV-Härtungskammer	Formlabs	FH-CU-01
UV-KUB2, UV-Lichteinwirkung	Box Kloe	UV-KUB2