Größe-gesteuerte Poly (Ethylenglycol) Diacrylate Tröpfchen über Semi-3-dimensionale fließen mit Schwerpunkt mikrofluidischen Geräte-Generation

Diese Methode kann dazu beitragen, die Schlüsselfragen im Bereich der mikrofluidischen Tröpfchenbildung zu beantworten, einschließlich der Herstellung des halbdreidimensionalen PDMS-Chips mit Strömungsfokussierung und der Herstellung der reinen PID-Tröpfchen. Der Hauptvorteil dieser Taktik besteht darin, dass die Semi-3D-Strömungsfokussierungsvorrichtung ein größeres Testgelände für die Strömungsfokussierung bietet. Reine PID stellt sicher, dass das Verhältnis der PID-Partikel weniger als 10 % beträgtDie Auswirkungen dieser Technik können aufgrund des größeren Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen auf viele biochemische Implikationen ausgeweitet werden.

Düsen- und Großanwendungen sind für diese Technik von Vorteil, da einige Mikroliter Probe verbraucht werden. Nun kann diese Methode Aufschluss über die Bildung von PID-Tröpfchen geben. Es kann auch auf andere Systeme angewendet werden, z. B. auf gasbetriebene Strömungsfokussierungsanalysen.

Im Allgemeinen haben Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Probleme mit Verstopfungen in der Öffnung und der Instabilität des Spitzenströmungsschimmels. Diese Methode ist von entscheidender Bedeutung, da die Herstellung von Semi-3D-Flow-fokussierten Chips schwer zu erlernen ist, da die Ausrichtung der oberen und unteren PDMS-Schichten zur Herstellung eines semifluidischen Chips von Hand nicht überprüft wird. Entwerfen Sie die beiden Fotomasken mit Standardtechniken.

Verwenden Sie zwei separate Layer für die Maske eins und zwei in derselben Zeichnungsdatei, um sicherzustellen, dass alle Verbindungen zwischen den verschiedenen Kanälen ausgerichtet sind. Maske eins enthält den dispergierten Phaseneinlasskanal und eine Blende, während Maske zwei den kontinuierlichen Phaseneinlasskanal, den Filter und den Auslass enthält. Verwenden Sie die beiden Ausrichtungsmarkierungen und drucken Sie die verschiedenen Schichten unabhängig voneinander auf eine Chromplatte auf Glas.

Legen Sie anschließend in einem dafür vorgesehenen Fotolithographielabor einen sauberen Siliziumwafer mit einem Durchmesser von 3 Zoll auf einen Spin-Coater und schalten Sie das Vakuum ein, um den Wafer auf dem Spin-Chuck zu befestigen. Schleudern Sie zwei bis drei Milliliter SU-8 2025 Negativ-Fotolack für 10 Sekunden bei 1.000 U/min auf den Wafer. Ändern Sie dann die Drehzahl 30 Sekunden lang auf 3.000 U/min.

Dadurch wird eine Schichtdicke von 20 Mikrometern für die erste Schicht erreicht. Backen Sie die erste Schicht weich, indem Sie sie sechs Minuten lang auf eine 95 Grad Celsius heiße Platte legen. Entfernen Sie dann den Wafer und lassen Sie ihn wieder auf Raumtemperatur abkühlen.

Setzen Sie den weich gebrannten Wafer 18 Sekunden lang der Maske Nummer eins unter kollimiertem UV-Licht aus. Nach der UV-Belichtung den Wafer auf einer 95 Grad Celsius heißen Platte sechs Minuten lang nachbacken. Lassen Sie den Wafer anschließend wieder auf Raumtemperatur abkühlen.

Wiederholen Sie den Schleudervorgang ein zweites Mal mit zwei bis drei Millilitern SU-8 2100 Negativ-Fotolack. Drehen Sie den Wafer 10 Sekunden lang mit 1.000 U/min und dann 30 Sekunden lang mit 2.000 U/min. Dies ergibt eine zweite Schichtdicke von 130 Mikrometern.

Nachdem Sie den Wafer 35 Minuten lang auf einer 95 Grad Celsius heißen Platte weich gebacken haben, richten Sie Maske Nummer zwei auf dem Fotolack der zweiten Schicht aus und setzen Sie ihn 30 Sekunden lang UV-Licht aus. Dann auf einer 95 Grad Celsius heißen Platte sieben Minuten nachbacken. Sobald der Wafer wieder auf Raumtemperatur abgekühlt ist, entwickeln Sie ihn, indem Sie ihn in ein Rührbad mit 50 Millilitern Propylenglykolmethyletheracetat eintauchen, bis die Merkmale auf dem Wafer deutlich werden.

Waschen Sie dann die Waffel mit Ethylalkohol. Zum Schluss legst du den Wafer auf die Thermostatplattform und backst ihn zwei Stunden lang bei 95 Grad Celsius hart. Mischen Sie ein PDMS-Monomer und sein Härter vier Minuten lang in einem Verhältnis von 10:1 für die obere Schicht und einem Verhältnis von 8:1 für die untere Schicht.

Legen Sie den Siliziumwafer mit einem automatischen Salbenrührwerk in eine 90-Millimeter-Petrischale und gießen Sie dann die PDMS-Mischung im Verhältnis 8:1 auf eine Dicke von zwei bis drei Millimetern über die Form. Entgasen Sie dann das PDMS in einer Vakuumkammer, bis alle Blasen verschwunden sind. Stellen Sie die Petrischale in einen Ofen und härten Sie das PDMS eine Stunde lang bei 80 Grad Celsius aus.

Sobald das Gerät wieder auf Raumtemperatur abgekühlt ist, schneiden Sie das Gerät mit einem Skalpell mindestens drei Millimeter von den Merkmalen weg und schälen Sie die PDMS-Schicht langsam vom Siliziumwafer ab. Stanzen Sie dann den Einlass der dispergierten Phase, den Einlass der kontinuierlichen Phase und den Auslass in der oberen PDMS-Schicht mit einem Stempel mit einem Durchmesser von 0,75 Millimetern. Reinigen Sie die PDMS-Oberfläche mit Klebeband, um Staubpartikel zu entfernen.

Legen Sie dann sowohl die obere als auch die untere PDMS-Schicht gleichzeitig in einen Plasmareiniger und setzen Sie ihn zwei Minuten lang mit 300 Watt dem Plasma aus. Unmittelbar nach der Plasmabelichtung legen Sie die oberste Schicht auf die untere Schicht und schieben Sie die Oberflächen relativ weit, bis die Merkmale ausgerichtet sind, um sie durch ein Stereomikroskop zu betrachten. Härten Sie das Gerät einen Tag lang in einem Ofen bei 120 Grad Celsius aus, um seine Festigkeit zu verbessern und die Verklebung zu vervollständigen.

Bereiten Sie zunächst die Lösung der kontinuierlichen Phase vor, indem Sie 18 % eines nichtionischen Tensids auf Silikonbasis in Hexadecan lösen. Als nächstes bereiten Sie die Lösung der dispergierten Phase vor, indem Sie mit einem hydrophilen Peg-Diacrylat, einem Millimol pro Liter eines Fluoreszenzfarbstoffs beginnen und fünf Milligramm pro Milliliter eines Photoinitiators hinzufügen. Füllen Sie die Ein-Milliliter-Behälter eines pneumatischen Druckreglers mit der kontinuierlichen Phase.

Füllen Sie dann eine 200-Mikroliter-Gelladespitze mit der dispergierten Phase. Platzieren Sie das semi-3D-Mikrofluidikgerät auf dem Tisch eines inversen optischen Mikroskops, das mit einer Hochgeschwindigkeitskamera ausgestattet ist. Verbinden Sie als Nächstes ein fluoriertes Ethylen-Propylen-Röhrchen mit dem gestanzten Loch der kontinuierlichen Phase, indem Sie es zuerst an einem kurzen Edelstahlrohr befestigen, das Röhrchen in das Ende einer Gelladespitze einführen und die Spitze in das gestanzte Loch der dispergierten Phase stecken.

Führen Sie dann einen 20 cm langen FEP-Schlauch in den Auslass des Geräts ein und stecken Sie das Ende in eine Petrischale. Fokussieren Sie das inverse Mikroskop auf einen Bereich, der den Zweiphasenschnittpunkt, den Blendenbereich und den stromabwärts gelegenen Kanal enthält. Stellen Sie dann die Drücke der beiden Phasen mit einem angeschlossenen pneumatischen Druckregler ein.

Stellen Sie die dispergierte Phase auf 15 Millibar und die kontinuierliche Phase auf 30 Millibar ein. Warten Sie drei Minuten, bis sich der Druck stabilisiert hat und ein stabiler Flüssigkeitsfluss erreicht ist, der keine Blasen oder PDMS-Rückstände enthält. Stellen Sie anschließend den Druck der dispergierten Phase als Basisdruck des Systems auf 45 Millibar ein.

Erhöhen Sie den Druck der kontinuierlichen Phase, bis der Emulsionsaufbrechmodus vom Jetting- in den Tip-Streaming-Modus umgeschaltet wird. Warten Sie dann fünf Minuten, bis es sich stabilisiert hat. Platzieren Sie nach dem Einrichten das Rohrende, das das Auslassloch mit der Petrischale verbindet, und sammeln Sie die Tröpfchen.

Setzen Sie sie UV-Licht aus, wo sie sich schnell zu Kugeln verfestigen. Aufgrund des Tiefenunterschieds zwischen dem dispergierten Phasenkanal und dem kontinuierlichen Phasenkanal wird die dispergierte Phasenströmung durch die kontinuierliche Phasenströmung in alle Richtungen gequetscht. Infolgedessen bildet sich eine symmetrische konische Flüssigkeitsspitze, die kontinuierlich Tröpfchen erzeugt.

Die Größe der Tröpfchen wird durch das Druckverhältnis der dispergierten und kontinuierlichen Phasenströmung verändert. Dabei wird der Druck der kontinuierlichen Phase so modifiziert, dass er die Scherkraft beeinflusst, so dass die Tröpfchenaufbruchprozesse vom Jetting-Modus in den Tip-Streaming-Modus übergehen. Die Tröpfchen werden durch Photopolymerisation verfestigt und bilden beim Verlassen des Chips Partikel.

Die hier gezeigten Tröpfchen wurden mit unterschiedlichen Druckverhältnissen gebildet. Der resultierende Tröpfchenradius steht in umgekehrter Beziehung zum Druckverhältnis der kontinuierlichen Phase und der dispergierten Phase. Diese Technik ebnet Forschern den Weg auf dem Gebiet der biologischen Anwendungen und bietet ein leistungsfähiges Werkzeug für die Wirkstoffforschung, die Synthese von Biomolekülen und die diagnostische Prüfung.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man halbdreidimensionale mikrofluidische Chips herstellt und wie man einige Mikro-PID-Tröpfchen herstellt. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Fotolack PGMEA äußerst gefährlich sein kann und Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen von Einweghandschuhen und einer Maske bei der Durchführung dieses Verfahrens immer getroffen werden sollten.