Mehrstufige Höhenverstellbarem Lithografie für Valved Mehrschichtige Mikrofluidiksysteme

Das übergeordnete Ziel dieses Video-Protokolls besteht darin, die vollständige mehrschrittige Fotolithografie von Mikrofluidik-Formstempeln mit integrierten Ventilen und mehrstufigen Höhenstrukturen zu demonstrieren, die für beliebige Anwendungen anpassbar sind. Diese Methode bietet einen umfassenden Überblick darüber, wie Formstempel mit komplexen Geometrien, einschließlich membranbasierter Ventile auf dem Chip, für mikrofluidische Vorrichtungen hergestellt werden können. Der entscheidende Vorteil dieser Technik liegt darin, dass sie eine einfache Steuerung des Flusses in mikrofluidischen Systemen ermöglicht und damit eine wesentliche Hürde beim Einstieg in die Mikrofluidik für biologische Anwendungen überwindet.

Die visuelle Demonstration dieser Technik ist entscheidend, da die Schritte der Fotolithographie für Anfänger oft schwer zu beherrschen sind. Eine korrekte Ausrichtung, Entwicklung und Belichtung hängt von visuellen Hinweisen und Erfahrung im Reinraum ab. Beginnen Sie damit, Ihr Bauteil zu entwerfen und die einzelnen Fotomasken für die mehrlagigen Geometrien vorzubereiten.

Bereiten Sie außerdem etwa vier Wafer mit einer fünf Mikrometer dicken Schicht aus dem negativen Fotolack SU-8 2050 vor und führen Sie eine Flächenbelichtung gemäß dem begleitenden Textprotokoll durch. Legen Sie den beschichteten Wafer auf einen Spin-Beschichter und schalten Sie das Vakuum ein, um ihn auf dem Spin-Chuck zu befestigen. Verwenden Sie Stickstoff oder Druckluft, um Staub von der Oberfläche wegzublasen.

Tragen Sie anschließend zwei bis drei Milliliter des positiven Fotolacks AZ 50XT in die Mitte des Wafers auf. Beschichten Sie den Fotolack durch Schleudern, um eine 55-Mikrometer-Schicht zu erzeugen. Legen Sie den Wafer nach der Beschichtung vorsichtig in eine fünf Zoll große Petrischale und lassen Sie ihn 20 Minuten lang entspannen.

Als Nächstes die Wafer auf einer Heizplatte 22 Minuten lang sanft aushärten, wobei die Temperatur mit einer Rate von 450 Grad Celsius pro Stunde von 65 Grad Celsius auf 112 Grad Celsius erhöht wird. Danach die Wafer entfernen und über Nacht bei Raumtemperatur in einer Petrischale zur Umgebungs-Revitalisierung ruhen lassen. Die Durchsichtsfolie der Flow-Round-Maske mit der bedruckten Seite zur Waferseite hin auf die Fünf-Zoll-Glasplatte kleben und in die Maskenhalterung des UV-Maskenaligners einlegen.

Belichten Sie das Wafer mit 930 Millijoule UV-Licht in sechs Zyklen. Entwickeln Sie das Wafer unmittelbar, indem Sie es drei bis fünf Minuten lang in ein gerührtes Entwicklerbad eintauchen, oder bis das Bad violett wird und die Strukturen sichtbar werden. Nach der Entwicklung nehmen Sie das Wafer heraus und spülen es gründlich mit entionisiertem Wasser ab.

Als Nächstes die Wafer härten, um die Ventilstrukturen zu schmelzen und abzurunden. Erhöhen Sie die Temperatur über einen Zeitraum von 15 Stunden von 65 auf 190 Grad Celsius mit einer Aufheizrate von 10 Grad Celsius pro Stunde. Schalten Sie nach Beendigung den Heizblock aus und lassen Sie den Wafer auf Raumtemperatur abkühlen.

Die Strukturen auf dem Wafer sind nun abgerundet. Diese Härtebehandlung ist entscheidend, um rechteckige Ventilstrukturen korrekt zu runden. Kürzere Zeiten können zu Rissen oder Instabilitäten führen.

Um ein Gerät mit variabler Höhe der Strukturen herzustellen, platzieren Sie den gereinigten Wafer wie zuvor gezeigt auf einem Spin-Beschichter. Geben Sie ein bis zwei Milliliter des negativen Fotolacks SU-8 2050 auf die Mitte des Wafers und zentrifugieren Sie den Fotolack über die ausgebildeten Ventilstrukturen. Stellen Sie den beschichteten Wafer anschließend vorsichtig in eine fünf Zoll große Petrischale und lassen Sie ihn 20 Minuten lang auf einer ebenen Fläche ruhen, oder bis eventuelle Streifungsmuster verschwinden.

Als Nächstes zwei Heizplatten auf 65 Grad Celsius und 95 Grad Celsius vorheizen und dann das Wafer zwei Minuten lang auf die 65-Grad-Celsius-Platte, acht Minuten lang auf die 95-Grad-Celsius-Platte und anschließend weitere zwei Minuten auf die 65-Grad-Celsius-Platte legen, um das Wafer zu trocknen. Sobald das Wafer wieder auf Raumtemperatur abgekühlt ist, wird die Durchflussniedrig-Transparenzmaske so auf eine Quarzglasplatte mit fünf Zoll Durchmesser geklebt, dass die bedruckte Seite dem Wafer am nächsten ist, und in die Maskenhalterung des UV-Maskenaligners eingelegt. Danach wird das Wafer in die Spannvorrichtung des UV-Maskenaligners gelegt und mithilfe des Mikroskopokulars oder einer Kamera sorgfältig die Strukturen der neuen Durchflussniedrig-Schicht mit den Strukturen der Durchflussrundventil-Schicht ausgerichtet.

Beginnen Sie damit, die horizontalen, vertikalen und Kippachsen der Geräteränder an den Merkmalen der Geräteränder auf der Maske auszurichten. Danach richten Sie die Fadenkreuze zwischen den Schichten aus. Bestätigen Sie abschließend, dass die Ventilmerkmale die Durchflussmerkmale an den gewünschten Stellen schneiden.

Als Nächstes setzen Sie das Wafer einer UV-Belichtung mit 170 Millijoule aus. Entfernen Sie danach das Wafer und führen Sie eine Nachbelichtungsausheizung durch, indem Sie zwischen den beiden auf 65 °C und 95 °C eingestellten Heizplatten wechseln. Ohne das Wafer zu entwickeln, lassen Sie es auf Raumtemperatur abkühlen und fügen dann nacheinander die Fluss-Hochschicht und danach die chaotische Mischer-Heringbonschicht unter Verwendung von SU-8 2025 gemäß dem begleitenden textlichen Protokoll hinzu.

Nachdem alle Schichten vollständig sind, entwickeln Sie die Strukturen, indem Sie das Wafer in ein gerührtes Bad mit 25 Milliliter SU-8-Entwickler für 3,5 Minuten eintauchen oder bis die Strukturen deutlich sichtbar werden. Überprüfen Sie mithilfe eines Stereomikroskops, ob die Strukturen klare, gut definierte Ränder aufweisen. Während der Entwicklung kontrollieren Sie im Abstand von jeweils 20 Sekunden, ob die Strukturen vollständig herausgebildet sind und der Resist abgewaschen wurde.

Ein Überentwickeln kann die Strukturen beschädigen, insbesondere bei komplexen Formdesigns. Anschließend den Wafer aushärten, um alle Photoresist-Strukturen zu stabilisieren. Danach die Steuerschicht gemäß dem begleitenden textlichen Protokoll herstellen.

Stellen Sie mehrschichtige mikrofluidische Vorrichtungen in Push-up-Geometrie auf Glas gemäß bestehender Open-Access-Protokolle her und verwenden Sie die visuelle Inspektion, um sicherzustellen, dass alle Ventile korrekt mit den Steuerleitungen ausgerichtet sind und alle Zulauföffnungen vollständig durchstochen wurden, bevor Sie fortfahren. Schließen Sie Tygon-Schläuche, die mit Wasser gefüllt sind, an ein Durchflusskontrollsystem an, beispielsweise eine Spritzenpumpe, fluidische Steuergeräte oder ein Open-Source-Magnetventil-Array mit Reservoiren. Verbinden Sie anschließend Metallstifte mit den Schläuchen und die Metallstifte mit den Geräteanschlüssen an den Zulauföffnungen der Steuerleitungen.

Dann das Strömungsregelungssystem auf 25 PSI für jede Leitung einstellen, um die Steuerleitungen des Geräts unter Druck zu setzen. Sicherstellen, dass die Ventile durch visuelle Kontrolle unter dem Mikroskop schließen und wieder öffnen. In einem Mikrozentrifugenröhrchen 3,9 Milligramm Photoinitiator in 100 Mikrolitern entionisiertem Wasser suspendieren, um die Photoinitiatorlösung herzustellen, die zur Polymerisation der Tropfen in Hydrogelkügelchen verwendet wird.

Bedecken Sie die Lösung, um sie vor Licht zu schützen. In einem zweiten Mikrozentrifugenröhrchen 132 Mikroliter deionisiertes Wasser, 172 Mikroliter PEG-Diacrylat, 12 Mikroliter der Photoinitiatorlösung und 85 Mikroliter HEPES-Puffer hinzufügen, um die Hydrogel-Tropfenlösung herzustellen. Die Hydrogel-Tropfenlösung in ein angepasstes kryogenes Röhrchengefäß überführen.

Verbinden Sie anschließend das Schlauchsystem des kryogenen Röhrchengefäßes mit einer steuerbaren Druckquelle und schließen Sie das PEEK-Rohr an den Reagenzienzulauf des Geräts an. Stecken Sie danach das PEEK-Rohr an den Geräteauslass, um die Tröpfchen aufzufangen. Entfernen Sie Luftblasen aus dem Gerät, pressen Sie das System erneut auf und dekomprimieren Sie dann das RO1-Ölventil, und stellen Sie den Öldruck auf 10 PSI ein.

Als Nächstes stellen Sie den Druck der PEG-Mischung auf neun PSI ein, entlüften Sie die vorgeschalteten Ventile und passen Sie den Druck bei Bedarf an, um Tröpfchen der gewünschten Größe zu erzeugen. Bestimmen Sie die Tröpfchengröße mittels Mikroskopie unter Verwendung einer Kamera mit 50 FPS oder höher. Sobald die Tröpfchen stabil sind, positionieren Sie eine UV-Lichtquelle über dem Polymerisationsbereich des Geräts und leiten Sie 100 Milliwatt pro Quadratzentimeter 365-Nanometer-Licht aus der Quelle auf einen fünf Millimeter großen Fleck.

Drücken Sie das Kugelsiebventil, um das Sammeln der polymerisierten Kugeln zu beobachten, und stellen Sie sicher, dass die Tröpfchen zu Kugeln erstarrt sind. Schließlich entlüften Sie das Kugelsiebventil und sammeln die Kugeln über die PEEK-Auslassleitung in einem Reagenzglas. Dieses Protokoll beginnt mit der Demonstration einer Methode zum Runden von Flussventilen.

Hier wurde ein Profilometer verwendet, um das typische Rundungsprofil des Ventils nach dem Reflow zu bestimmen, das mit dieser Methode erzielt wird und eine Höhe von etwa 55 Mikrometern aufweist. In der Abbildung links ist das Ventil ausgeschaltet, und Flüssigkeit kann durch die Kanäle fließen. Nach der Aktivierung durch Druckbeaufschlagung der Ventile wird der Durchfluss durch diese Ventile unterbunden.

Hier ist das Perlen-Synthese-Gerät in Betrieb zu sehen, das am T-förmigen Tropfengenerator Hydrogeltropfen in einer Ölemulsion erzeugt. Durch teilweises Schließen eines nachgeschalteten Durchflusses mittels eines Siebventils kann die Flüssigkeit weiterfließen, während die Perlen hinter dem Ventil zurückgehalten werden. Die mit diesem Verfahren erzeugten Perlen wiesen einen durchschnittlichen Durchmesser von 52,6 µm bei einer Standardabweichung von lediglich 1,6 µm auf.

Von fast 3.000 Perlen wichen weniger als 1 % um mehr als drei Standardabweichungen ab. Sobald die Technik beherrscht ist, kann sie in drei Tagen von der Planung bis zur Prüfung abgeschlossen werden. Dies ermöglicht eine schnelle Designiteration.

Nach Durchführung dieses Verfahrens können auch Forscher mit wenig Erfahrung in der Herstellung ihre eigenen komplexen mikrofluidischen Vorrichtungen bauen und auf ihre biologischen Fragestellungen anwenden. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie die notwendigen Schritte der Fotolithographie durchgeführt werden, um mikrofluidische Vorrichtungen jeglichen Komplexitätsgrads herzustellen, einschließlich Vorrichtungen mit komplexen Merkmalen variabler Höhe oder Ventilen.