Name: Mehrstufige Höhenverstellbarem Lithografie für Valved Mehrschichtige Mikrofluidiksysteme (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-01-27T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 18 s
Description: Erfahren Sie die mehrstufige Photolithographie zur Herstellung mikrofluidischer Masterformen mit On-Chip-Ventilen und variablen Höhenprofilen. Diese Methode ermöglicht die präzise Steuerung von Flüssigkeitsströmungen in komplexen Mikrofluidiksystemen für biologische Anwendungen.

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Die Autoren danken Scott Longwell für hilfreiche Kommentare und Bearbeitungen des Manuskripts und Robert Puccinelli für die Gerätefotografie. Die Autoren danken für die großzügige Unterstützung durch einen Technology Development Grant des Beckman Institute. K.B. wird durch ein NSF GFRP-Stipendium und die TLI-Komponente des Stanford Clinical and Translational Science Award to Spectrum (NIH TL1 TR 001084) unterstützt; P.F. würdigt ein McCormick and Gabilan Faculty Fellowship.

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Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Diese Arbeit zeigt eine komplette mehrstufigen photolithographischen Protokoll für eine mehrschichtige Mikrofluidik - Vorrichtung mit Ventilen und variabler Höhe Geometrie , die für jede Anwendung mit einfachen Änderungen an Fertigungsparameter auf der Basis unserer Online - Tool 26 und die Anweisungen des Herstellers 25 abgestimmt werden kann. Dieses Protokoll soll mikrofluidischen Geräte über einfache, passive Schichtformen zu konstruieren wollen, mehrschichtige Photolit...

<html> In den letzten 15 Jahren Mikrofluidik als Feld hat mit einer Explosion von neuen Technologien , die die Manipulation von Flüssigkeiten im Mikrometer - Maßstab 1 schnelles Wachstum erlebt. Mikrofluidik - Systeme sind attraktive Plattformen für Nasslabor Funktionalität , weil die kleinen Volumina das Potential haben , eine erhöhte Geschwindigkeit und Empfindlichkeit zu realisieren , während gleichzeitig die Durchsatz dramatisch steigern und Kosten reduziert werden durch Skalen 2, 3 nutzen. Mehrlagige Mikrofluidik - Systeme gemacht haben besonders erhebliche Auswirkungen in Hochdurchsatz - biochemische Analyse - Anwendungen wie Einzelzellanalyse 4, 5, 6, Analyse einzelner Moleküle (zB digitale PCR - 7), Proteinkristallographie 8, Transkriptionsfaktor - Bindungsassaysf &quot;&gt; 9, 10, und zelluläre Screening - 11. Ein zentrales Ziel von Mikrofluidik - Geräte die Entwicklung von &quot;auf einem Chip - Labor&quot; war für die gesamte biochemische Analyse 12 in einem einzigen Gerät komplexe fluidische Manipulationen durchführen kann. Die Entwicklung von Mehrschicht - Weich - Lithographie - Techniken hat dazu beigetragen , dieses Ziel zu erreichen , indem die Schaffung von On-Chip - Ventile ermöglichen, Mischer und Pumpen für die aktive Flüssigkeiten in kleinen Mengen 13, 14, 15 zu steuern. Trotz ihrer Vorteile und Anwendungen aufweist, bleiben viele dieser mikrofluidischen Technologien weitgehend ausgespannt durch Nicht-Fachmann-Nutzer. Die weit verbreitete Annahme ist teilweise aufgrund der begrenzten Zugang zu Mikrofabrikationsanlagen, aber auch durch unzureichende Kommunikation von Herstellungstechniken eine Herausforderung gewesen. Dies gilt insbesondere, for mehrschichtige mikrofluidischen Vorrichtungen mit Strukturen für Ventile oder komplexe Geometrien: der Mangel an detaillierten, praktischen Informationen über wichtige Designparameter und Herstellungstechniken oft abschreckt neue Forscher aus sie sich auf Projekte, die Gestaltung und Erstellung dieser Geräte beteiligt sind. Dieser Artikel zielt darauf ab, diese Wissenslücke zu adressieren, indem ein komplettes Protokoll für die Herstellung von mehrschichtigen mikrofluidischen Vorrichtungen mit Ventilen und variabler Höhe Features präsentiert, ausgehend von Konstruktionsparametern und Bewegen durch alle Fertigungsschritte. Durch die Fokussierung auf den ersten Photolithographieschritte der Fertigung, ergänzt dieses Protokoll andere Mikrofluidik - Protokolle 16 , die nachfolgenden Schritte von Geräten aus den Formen beschreiben Gießen und spezifische Experimente ausgeführt wird . Mikrofluidik-Vorrichtungen mit monolithischer on-chip Ventile bestehen aus zwei Schichten: einer &quot;flow&quot; Schicht, wobei die interessierende Fluid in Mikro manipuliertKanäle und eine &quot;Kontrolle&quot; Schicht, in der Mikrokanäle Luft oder Wasser , das wahlweise eine Fluidströmung in dem Strömungsschicht 14 modulieren können. Diese beiden Schichten werden jeweils hergestellt auf einem separaten Siliziumform Master, der anschließend für Polydimethylsiloxan (PDMS) Replik Form in einem Prozess namens verwendet wird &quot;Softlithographie 17.&quot; Um einen mehrschichtigen Vorrichtung zu bilden, werden jede der PDMS Schichten gegossen auf ihren jeweiligen Form Mastern und dann miteinander ausgerichtet, wodurch eine zusammengesetzte PDMS Vorrichtung mit Kanälen in jeder Schicht bildet. Ventile sind an Stellen gebildet, wo Strömungs- und Steuerkanäle einen kreuzen seitig und sind nur durch eine dünne Membran getrennt sind; Druckbeaufschlagung des Steuerkanals lenkt diese Membran den Strömungskanal und lokal verdrängt die Flüssigkeit (1) zu verschließen. Aktive on-chip Ventile können auf verschiedene Weise hergestellt werden, abhängig von der gewünschten Endanwendung. Ventilekann entweder in einer &quot;nach unten drücken&quot; oder &quot;Push - up&quot; Geometrie konfiguriert werden, abhängig davon , ob die Steuerschicht oberhalb oder unterhalb der Strömungsschicht (Abbildung 1) ist 15. &quot;Push-up&quot; Geometrien für untere Schließdrücke und höhere Stabilität der Vorrichtung gegen Delamination erlauben, während &quot;nach unten drücken&quot; Geometrien ermöglichen die Strömungskanäle in direktem Kontakt mit dem gebundenen Substrat zu sein, den Vorteil, selektive Funktionalisierung oder Strukturierung der Substratoberfläche zu verleihen für die spätere Funktionalität 18, 19. Die Ventile können auch entweder absichtlich undicht &quot;Sieb&quot; Ventile oder vollständig verschließbar sein, abhängig von der Querschnittsprofil des Strömungskanals. Sieve Ventile sind nützlich für die Perlen, Zellen oder andere macroanalytes Trapping 1, und über die Verwendung von typischen negativen Photolacke hergestellt (dh SU-8 - Serie), die have Rechteckprofile. Wenn ein Steuerkanal über diese Ventilbereiche unter Druck gesetzt wird, lenkt der PDMS - Membran zwischen der Kontroll- und Strömungsschicht isotrop in das Rechteckprofil des Ventils , ohne die Ecken Dichtungsfluidströmung zulässt , aber Makro Kalkpartikel Trapping (Abbildung 1). Im Gegensatz dazu vollständig verschließbaren mikrofluidische Ventile werden, indem ein kleines Stück abgerundet Photoresist an Ventilplätzen hergestellt. Mit dieser Geometrie Druckbeaufschlagung des Steuerkanals lenkt die Membran gegen die gerundete Strömungsschicht vollständig um den Kanal abzudichten, Anhalten Fluidströmung. Abgerundete Profile in der Strömungsschicht über das Schmelzen und Reflow von positiven Photoresist (zB AZ50 XT oder SPR 220) nach typischen Photolithographieschritte erzeugt. Wir haben bereits gezeigt , dass die Post-Reflow Höhen der Ventilbereiche ist abhängig vom gewählten Merkmalabmessungen 21. Dieses Protokoll zeigt die Herstellung beider Ventilgeometrien mitin einer Perlmühle Synthesevorrichtung. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/55276/55276fig1.jpg" /> Abbildung 1: Mehrschichtige Mikroventil Geometries. Typische &quot;Push-up&quot; Gerätearchitekturen für Sieb und vollständig verschließbaren Ventilen vor (oben) und nach (unten) unter Druck. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55276/55276fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55276/55276fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Die Geräte können auch komplexe passive Funktionen wie chaotischen Mischern 13 und On-Chip - Widerstände 20 , die innerhalb einer Strömungsschicht Merkmale von mehreren unterschiedlichen Höhen erfordern. Um das zu erreichen haben eine variable Höhe Strömungsschicht, verschiedene Gruppen , darunter viele Verfahren eingesetzt Leiterplatte Ätzen 22, mehrschichtige PDMS Relief Ausrichtung 23 oder mehrstufiges photolithography 24. Unsere Gruppe hat mehrstufigen Photolithographie auf einem einzigen Form Master gefunden ein effektives und reproduzierbares Verfahren zu sein. Um dies zu tun, eine einfache Photolithographietechnik zu bauen dicke Kanäle negativer Photoresist (zB SU-8 - Serie Photolacke) in Schichten ohne Entwicklung zwischen dem Aufbringen jeder Schicht verwendet. Jede Schicht wird in negativer Photoresist gemäß seiner Dicke mit den Anweisungen des Herstellers 25 auf dem Silizium - Master gesponnen. Merkmale dieser Höhe werden dann auf die Schicht strukturiert , um eine bestimmte Transparenzmaske (Abbildung 2) befestigt unter Verwendung von auf eine Glasmaskenplatte und auf die zuvor gesponnenen Schicht vor der Belichtung ausgerichtet sind . In mehreren Schritten Photolithographie ist eine präzise Ausrichtung zwischen den Schichten kritisch an, um einen vollständigen variablen Höhe Strömungskanal bildet. Nach der Ausrichtung wird jede Schicht in einer Dicke abhängige post-exposure bake unterzogen. Ohne Entwicklung ist die nächste Schicht simlich wie strukturiert. Auf diese Weise können hohe Funktionen auf einem einzelnen Strömungs Wafer Schicht-für-Schicht durch die Verwendung von mehreren Masken aufgebaut werden. Durch Überspringen Entwicklung zwischen jedem Schritt können vorherigen Photoresistschichten verwendet werden , zusammengesetzte Höhenmerkmale zu erzeugen , 24 (dh zwei Schichten 25 um eine 50 &amp; mgr; m - Funktion zu machen). Zusätzlich Kanalboden Features wie chaotisch Mischer Fischgrät - Nuten 13 können unter Verwendung von Schichten mit zuvor belichteten Funktionen vorgenommen werden. Eine letzte Entwicklungsschritt schließt den Prozess, einen Einstrom Wafer mit Merkmalen von variabler Höhe (Abbildung 3) zu schaffen. Hier wird ein komplettes Protokoll für mehrstufige Photolithographie, die Beispiele aller erforderlichen Verfahren zur Herstellung On-Chip-Ventile und Strömungskanäle mit mehreren Höhen enthält, wird zur Verfügung gestellt. Dieses Herstellungsprotokoll wird in Zusammenhang mit einer Mehrschicht-Mikrofluidik-bead-Synthesizers vorgelegt, die Ventile und variab erfordertle-Höhe bietet für seine Funktionalität. Diese Vorrichtung umfasst T-Junctions in einem Ölmantel Wassertröpfchen zu erzeugen, On-Chip-Widerständen Strömungsraten durch Steuerung Poiseuille Widerstand, ein chaotisches Mischer zum Homogenisieren Tröpfchen Komponenten und beide dicht abschließende und Sieb Ventile automatisierte Abläufe zu ermöglichen, zu modulieren mehrere Reagenz Einbeziehung Eingänge. Verwendung mehrstufiger photolithographischen werden diese Merkmale jeweils hergestellt auf einer anderen Schicht gemäß Höhe oder Photoresist; die folgenden Schichten sind in diesem Protokoll aufgebaut: (1) Durchflussrundventilschicht (55 &amp; mgr; m, AZ50 XT) (2) Durchfluss Low-Schicht (55 &amp; mgr; m, SU-8 2050) (3) Durchflusshoch Schicht (85 &amp; mgr; m, SU- 8 2025 30 um additive Höhe) und (4) mit Fischgrätmuster Grooves (125 &amp; mgr; m, SU-8 2025 40 um additive Höhe) (Abbildung 3). Hydrogelperlen können für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich selektive Oberflächenfunktionalisierung für Downstream-Assays, Wirkstoffverkapselung verwendet werden, radiotracing und Imaging-Assays und Zell Inkorporation; Bislang hatten wir eine komplexere Version dieser Geräte spektral codierten PEG Hydrogelperlen Nanoleuchtstoffen enthält , Lanthanid - 20 herzustellen. Die Entwürfe hier diskutiert werden Zusätzliche Ressourcen enthalten für jedes Labor in ihre Forschungsanstrengungen zu verwenden, falls gewünscht. Wir gehen davon aus, dass dieses Protokoll wird eine offene Ressource für Spezialisten und Nicht-Fachleute gleichermaßen daran interessiert, Mehrlagige Mikrofluidik-Geräte mit Ventilen oder komplexen Geometrien stellen die Barriere für den Eintritt in die Mikrofluidik zu senken und die Chancen der Fertigung Erfolg erhöhen.

<table><tbody><tr><td>Materials</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mylar Transparenzmasken, 5"</td> <td>FineLine Plotting</td><td></td><td></td></tr><tr><td>5" Quarzplatten</td><td>United Silica&nbsp;</td><td>Kundenspezifische</td><td></td></tr><tr><td>4" Siliziumwafer, Test Grade</td><td>University Wafer</td><td>452</td><td></td></tr><tr><td>SU8 2005, 2025, 2050 Fotolack</td><td>Microchem</td><td>Y111045, Y111069, Y111072</td><td></td></tr><tr><td>Az50XT&nbsp;</td><td>Integrierte Mikromaterialien</td><td>AZ50XT-Q</td><td></td></tr><tr><td>SU8 Entwickler</td><td>Microchem</td><td>Y020100</td><td></td></tr><tr><td>AZ400K 1:3 Entwickler</td><td>Integrierte Mikromaterialien</td><td>AZ400K1:3-CS</td><td></td></tr><tr><td>Pyrex 150 mm Glasschale</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>CLS3140150-1EA</td><td></td></tr><tr><td>Wafer-Petrischale, 150 mm</td><td>VWR</td><td>25384-326</td><td></td></tr><tr><td>Waferpinzette&nbsp;</td><td>Elektronenmikroskopie Wissenschaften (EMS)</td><td>78410-2W</td><td></td></tr><tr><td>Trichlor(1H,1H,2H,2H-perfluoroctyl)silan (PFOTS)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>448931-10G</td><td></td></tr><tr><td>2" x 3" Objektträger</td><td>Thomas Wissenschaftlich&nbsp;</td><td>6686K20</td><td></td></tr><tr><td>RTV 615 Elastomerbasis und Härter PDMS Set</td><td>Momentive&nbsp;</td><td>RTV615-1P</td><td></td></tr><tr><td>Tygon-Schlauch, 0,02" Außendurchmesser</td><td>Fischer Scientific&nbsp;</td><td>14-171-284</td><td></td></tr><tr><td>Kapillar-PEEK-Rohre, 510 &#956; m OD, 125 &#956; m ID</td><td>Zeus</td><td>Custom</td><td>360 &#956; m PEEK ist leicht erhältlich von Idex (Katalognummer: 1571)</td></tr><tr><td>Cyro 4 ml Tube</td><td>Greiner Bio-One</td><td>127279</td><td></td></tr><tr><td>Epoxy, 30 min</td><td>Permatex</td><td>84107</td><td></td></tr><tr><td>Metallstifte, 0,025" OD, .013" ID</td><td>New England Small Tube</td><td>NE-1310-02</td><td></td></tr><tr><td>Poly(ethylenglykol) diacrylat, Mn 700</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>455008-100ML</td><td></td></tr><tr><td>Lithiumphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphinat-Photoinitator&nbsp;</td><td>Tokyo Chemical Industry Co.</td><td>L0290</td><td>Wir synthetisieren LAP in der Regel im eigenen Haus.</td></tr><tr><td>HEPES</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>H4034-25G</td><td></td></tr><tr><td>Leichtes Mineralöl</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>330779-1L</td><td></td></tr><tr><td>Span-80</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>85548</td><td></td></tr><tr><td>ABIL EM 90</td><td>UPI Chem</td><td>420095</td><td>&nbsp; &nbsp;</td></tr><tr><td><stark>Name</stark>&nbsp;</td><td>Company</td><td>Katalognummer</strong</td><td>>Comments<</td></tr><tr><td>strong>Equipment</td><td>Gleichwertige Ausrüstung oder selbstgebaute Setups funktionieren genauso gut</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mask Aligner</td><td>Karl Süss</td><td>MA6</td><td></td></tr><tr><td>Profilometer</td><td>KLA-Tencor</td><td>Alpha-Step D500</td><td></td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td>Laurell Technologies</td><td>WS-650-23</td><td>Es kann jeder Spincoater verwendet werden, der 100-mm-Wafer aufnimmt</td></tr><tr><td>Vakuum-Exsikator, Bell-Jar-Stil</td><td>Bel-Art</td><td>420100000</td><td></td></tr><tr><td>Ofen</td><td>Cole-Palmer</td><td>WU-52120-02</td><td></td></tr><tr><td>UV-Spot-Härtungssystem mit 3 mm LLG-Option</td><td>Dymax</td><td>41015</td><td>UV-LEDs, Xenon-Bogenlampen oder andere UV-Quellen gleicher Intensität funktionieren genauso gut</td></tr><tr><td>MFCS Microfluidic Fluid Control System</td><td>Fluidgent</td><td>MFCS-EZ</td><td>Spritzenpumpen, kundenspezifische Pneumatik oder andere Steuerungssysteme können ebenfalls verwendet werden</td></tr><tr><td>Automatisiertes Steuerungsskripting</td><td>MATLAB</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Hotplate</td><td>Tory Pines Scientific</td><td>HP30</td><td>Jede Heizplatte mit gleichmäßiger Erwärmung (d.h. , Aluminium- oder Keramikplatten) ist ausreichend.</td></tr></tbody></table>

mehrstufige höhenverstellbarem lithografie für valved mehrschichtige mikrofluidiksysteme

Multi-step Variable Height Photolithography for Valved Multilayer Microfluidic Devices

Mikrofluidische Systeme haben leistungsfähige neue Ansätze für biochemische und biologische Analysen mit hohem Durchsatz ermöglicht. Es gibt jedoch nach wie vor eine Eintrittsbarriere für Nicht-Spezialisten, die stark von der Möglichkeit profitieren würden, ihre eigenen mikrofluidischen Geräte zur Beantwortung von Forschungsfragen zu entwickeln. Insbesondere fehlte die offene Verbreitung von Protokollen im Zusammenhang mit der Photolithographie, ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung einer Nachbildung einer Form für die Herstellung von Polydimethylsiloxan (PDMS)-Geräten. Während die Herstellung von Siliziummastern mit einfacher Höhe in der Literatur ausführlich untersucht wurde, werden Fertigungsschritte für kompliziertere Photolithographiemerkmale, die für viele interessante Gerätefunktionalitäten erforderlich sind (wie z. B. Merkmalsrundung zur Herstellung von Ventilstrukturen, Einzelformstrukturierung mit mehreren Höhen oder Definition eines hohen Aspektverhältnisses), oft nicht explizit skizziert. 
Hier stellen wir ein vollständiges Protokoll für die Herstellung von mehrschichtigen mikrofluidischen Geräten mit Ventilen und komplexen Geometrien mit mehreren Höhen zur Verfügung, die für jede Anwendung abstimmbar sind. Diese Herstellungsverfahren werden im Kontext eines mikrofluidischen Hydrogel-Bead-Synthesizers vorgestellt und demonstrieren die Herstellung von Tröpfchen, die Polyethylenglykol (PEG-Diacrylat) und einen Photoinitiator enthalten, die zu festen Kügelchen polymerisiert werden können. Dieses Protokoll und die begleitende Diskussion bieten eine Grundlage für Designprinzipien und Herstellungsmethoden, die die Entwicklung einer Vielzahl von mikrofluidischen Bauelementen ermöglichen. Die hier enthaltenen Details sollen es Laien ermöglichen, neuartige Geräte zu entwerfen und herzustellen und so eine Vielzahl kürzlich entwickelter Technologien ihren spannendsten Anwendungen in biologischen Laboratorien zuzuführen.

Hier zeigen wir die Herstellung von mit Ventil versehenen, variable Höhe mehrschichtigen mikrofluidischen Formen durch Vorrichtungen, die Erzeugung von Poly ethylenglykol (PEG) Hydrogelperlen aus Tröpfchen Herstellung (Abbildung 2). Eine Übersicht über das komplette Herstellungsprozess in Abbildung enthalten ist 3. Design unter Verwendung von Elementen aus früheren Arbeiten beschäftigt die Perle Synthesizer 4 Höhen in ...

Mehrschichtige mikrofluidische Geräte beinhalten oft die Herstellung von Urformen mit komplexen Geometrien für die Funktionalität. In diesem Artikel wird ein vollständiges Protokoll für die mehrstufige Fotolithographie mit Ventilen und variablen Höhenmerkmalen vorgestellt, die auf jede Anwendung abgestimmt werden können. Zur Demonstration stellen wir einen mikrofluidischen Tröpfchengenerator her, der in der Lage ist, Hydrogelkügelchen herzustellen.

Mehrstufige Höhenverstellbarem Lithografie für Valved Mehrschichtige Mikrofluidiksysteme

Microfluidic systems have enabled powerful new approaches to high-throughput biochemical and biological analysis. However, there remains a barrier to ...

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&nbsp;Mikroliter deionisiertes Wasser, 172&nbsp;Mikroliter PEG-Diacrylat, 12&nbsp;Mikroliter der Photoinitiatorlösung und 85&nbsp;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.

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Research

Forschung

JoVE Journal

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Biotechnik

Wir zeigen, Protokolle für die Herstellung und Automatisierung von Elastomer-Polydimethylsiloxan (PDMS)-basierte Mikroventil Arrays, die keine zusätzliche Energie benötigt, um in der Nähe und bieten photolithographisch definiert präzise Volumina. Ein parallel subnanoliter-Volumen-Mixer und einem integrierten mikrofluidischen Perfusion System vorgestellt werden.

Mikrofluidik-Chips mit Elastomer-Mikroventil Arrays Controlled

A Mikrokanälen-on-a-Chip-Plattform wurde durch die Kombination von photolithographischen reflowable Photolacktechnik, weiche Lithographie und Mikrofluidik entwickelt. Die endothelialisierten Mikrokanäle Plattform imitiert die dreidimensionale (3D) Geometrie in vivo Mikrogefäßen läuft unter kontrollierten kontinuierlichen Perfusionsfluss, ermöglicht qualitativ hochwertige und Echtzeit-Bildgebung und kann für mikrovaskuläre Forschung angewendet werden.

Verfahren für die Entwicklung von Multi-Tiefe rundem Querschnitt endothelialisierten Mikrokanäle-on-a-Chip

Hier präsentieren wir ein Protokoll zur Isolierung und Kultivierung einzelner Zellen mit einer mikrofluidischen Plattform, die ein neues Mikrotiter-Designkonzept verwendet, um eine hocheffiziente Einzelzellisolierung und eine langfristige klonale Kultur zu ermöglichen.

Ein Mikrofluidik-Plattform für Hochdurchsatz-Einzelzell-Isolierung und Kultur

Ein Protokoll für die Herstellung von Kunststoff mikrofluidischen Geräten mit transparenten Blick-Ports für die sichtbaren und infraroten Licht Bildgebung wird beschrieben.

Weichen lithografischen Verfahren zur Herstellung von Kunststoff mikrofluidischen Geräte mit Ansicht-Ports für sichtbaren und infraroten Licht durchlässig

Für die Herstellung der Kanäle nicht-rechteckige Abschnitte eingebettet in Polydimethylsiloxan mikrofluidischen Geräte gibt es mehrere Methoden. Die meisten von ihnen beinhalten mehrstufige Fertigung und umfassende Ausrichtung. In diesem Papier ist ein ein-Schritt-Ansatz zur Herstellung von mikrofluidischen Kanäle von verschiedenen geometrischen Querschnitte von Polydimethylsiloxan sequentielle Nassätzen gemeldet.

One-Step Ansatz zur Herstellung von Polydimethylsiloxan mikrofluidische Kanäle von verschiedenen geometrischen Abschnitte durch sequentielle Nassätzen Prozesse

Der Herstellungsprozess eines PDMS-basierten, mehrschichtigen, mikrofluidischen Geräts, das in vitro Transkription und Translation (IVTT) Reaktionen über längere Zeiträume durchführen kann, wird beschrieben. Darüber hinaus erhalten Sie einen umfassenden Überblick über die Hard- und Software, die zur Automatisierung und Aufrechterhaltung dieser Reaktionen über einen längeren Zeitraum erforderlich ist.

Eine multilayer mikrofluidische Plattform für die Leitung einer längeren zellfreien Genexpression

Wir präsentieren ein mikrofluidisches System für Hochdurchsatzstudien an komplexen Lebensmaschinen, das aus 1500 Kultureinheiten, einer Reihe verbesserter Peristaltikpumpen und einem Mischmodul vor Ort besteht. Der mikrofluidische Chip ermöglicht die Analyse der hochkomplexen und dynamischen Mikro-Umgebungsbedingungen in vivo.

Erzeugung dynamischer Umgebungsbedingungen mit einem hochdurchsatzstarken mikrofluidischen Gerät

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 &lt;10 μm erreicht wurden.

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

Das vorliegende Protokoll beschreibt das Design, die Herstellung und die Charakterisierung eines mikrofluidischen Systems, das in der Lage ist, Hunderte von Drosophila melanogaster-Embryonen mit minimalem Benutzereingriff auszurichten, zu immobilisieren und präzise zu komprimieren. Dieses System ermöglicht hochauflösende Bildgebung und Rückgewinnung von Proben für die Analyse nach der Stimulation und kann skaliert werden, um andere mehrzellige biologische Systeme aufzunehmen.

Mechanostimulation mehrzelliger Organismen durch ein mikrofluidisches Kompressionssystem mit hohem Durchsatz

Die Herstellung einer auf Polydimethylsiloxan (PDMS) basierenden Doppelschichtbaurichtung zur Herstellung von kombinatorischen Bibliotheken in Wasser-in-Öl-Emulsionen (Plugs) wird hier vorgestellt. Die notwendige Hard- und Software, die zur Automatisierung der Steckerproduktion erforderlich ist, wird im Protokoll detailliert beschrieben, und die Herstellung einer quantitativen Bibliothek von Leuchtstoffsteckern wird ebenfalls demonstriert.

Zweischichtiges mikrofluidisches Gerät für die kombinatorische Steckerproduktion

Dieses Protokoll beschreibt das Design und die Herstellung eines mikrofluidischen Geräts, das für die Untersuchung der Mikrotubuli-Polymermechanik geeignet ist. Die Synthese von Mikrofabrikation, automatisierter Flusskontrolle und computergestützten Modellierungstechniken ermöglicht ein flexibles System, das sich ideal für die Untersuchung des zellulären Zytoskeletts in vitro eignet.

Entwicklung eines mikrofluidikbasierten Ansatzes zur Untersuchung der Mikrotubuli-Polymermechanik

Erfahren Sie die mehrstufige Photolithographie zur Herstellung mikrofluidischer Masterformen mit On-Chip-Ventilen und variablen Höhenprofilen. Diese Methode ermöglicht die präzise Steuerung von Flüssigkeitsströmungen in komplexen Mikrofluidiksystemen für biologische Anwendungen.

Mehrstufige Höhenverstellbarem Lithografie für Valved Mehrschichtige Mikrofluidiksysteme

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