1: Weiche Lithographie

Die Softlithographie ist eine Reihe von schnellen, einfachen und kostengünstigen Herstellungsverfahren, die erfolgreich zur Strukturierung der komplexen Kanäle mikrofluidischer Systeme eingesetzt wurden. In der Elektronikindustrie bezieht sich Lithographie auf den Prozess der Mikrofabrikation, bei dem Licht und lichtempfindliche Polymere verwendet werden, um Teile einer dünnen Schicht oder den Großteil eines Substrats zu strukturieren. Der Begriff weiche Lithographie bezieht sich auf die Verwendung von weichen elastomeren Materialien wie Polydimethylsiloxan oder PDMS zur Durchführung dieser Techniken. In diesem Video veranschaulichen wir die verschiedenen Arten von Softlithographie-Techniken, gefolgt von einem Protokoll, das die Herstellung eines mikrofluidischen Geräts demonstriert. Schließlich werden wir sehen, wie Forscher in verschiedenen Bereichen die weiche Lithographie zu ihrem Vorteil nutzen.

Lassen Sie uns zunächst einen Blick auf die gebräuchlichsten Softlithographie-Techniken werfen. Der erste Schritt bei all diesen Techniken ist die Herstellung der Urform. Dies geschieht mit Hilfe der traditionellen Fotolithographie, bei der Licht und ein lichtempfindliches Material namens Fotolack verwendet werden, um das gewünschte Muster auf einem Substrat wie Silizium zu erzeugen. Um mehr über die Fotolithografie im Detail zu erfahren, sehen Sie sich bitte ein früheres Video in dieser Jove-Sammlung an. Der zweite Schritt besteht darin, ein Elastomer auf diese Urform zu gießen und anschließend auszuhärten. So entsteht der flexible Elastomerstempel mit den Reliefmerkmalen, der in den verschiedenen Weichlithographietechniken auf unterschiedliche Weise eingesetzt wird. Die Hauptübertragungsarten mit dem Gussstempel sind Drucken, Formen, optische Phasenschichtlithographie, mechanisches Trennen und Gießen. Beim Drucken wird der Stempel zunächst mit einer übertragbaren Tinte wie Octadecanthiol oder ODT beschichtet, die dann wie Gold auf das Substrat aufgebracht wird. Wenn der Stempel entfernt wird, wird nur die Tinte von der erhabenen Stempeloberfläche auf die Substratoberfläche aufgedruckt. So werden beim Drucken nanoskalige Merkmale direkt auf das Substrat repliziert. Bei einer anderen Technik, die als Formgebung bezeichnet wird, wird der Stempel selbst als Form verwendet. Hier wird der Stempel in ein nicht ausgehärtetes Polymer gepresst und anschließend ausgehärtet. Dann wird die Form abgezogen, um das Muster vom Stempel freizulegen. Wie beim Drucken kommt es auch beim Spritzgießen zu einer direkten Replikation von nanoskaligen Merkmalen auf dem Substrat. Bei der dritten Technik, der sogenannten Phasenverschiebungs-Kanten-Lithographie, wird zunächst das Substrat mit dem Fotolackmaterial beschichtet. Dann wird der Stempel auf das beschichtete Substrat gelegt und das Licht wird durch den Stempel hindurchgezeigt. Dies führt dazu, dass die Ränder der Merkmale auf den Fotolackfilm übertragen werden, wie es bei herkömmlichen Lithographietechniken beobachtet wird. Beim mechanischen Schneiden, auch bekannt als Nanoschälen, wird der Stempel verwendet, um ungehärtetes Epoxid-Prepolymer zu formen, wie beim Formen. Dieses geformte Prepolymer wird ausgehärtet und dann mit einem dünnen Film aus einem Material der Wahl, z. B. Gold, überzogen. Dieser Film wird dann in mehr Epoxidharz eingebettet und ausgehärtet, wonach er mit einem Ultramikrotom geschnitten wird, um eine Epoxidplatte mit dem Muster zu bilden. Schließlich wird beim Gießen ein Polymer in eine Urform gegossen, um einen Stempel herzustellen. Anschließend kann es für Ein- und Auslässe gestanzt und mit einem Substrat verklebt werden. Im folgenden Abschnitt sehen wir uns das Protokoll zur Herstellung eines einfachen mikrofluidischen Geräts an.

Bereiten Sie zunächst die Urform mit herkömmlichen Lithografietechniken vor. Einzelheiten zum Protokoll finden Sie in einem früheren Video in dieser Sammlung. Die Urform wird in der Regel auf einem Silikonsubstrat hergestellt. Um den Stempel herzustellen, bereiten Sie zunächst eine Mischung aus ca. 25 Gramm PDMS und Härter im Verhältnis 10:1 vor. Entgasen Sie dann das Gemisch, um alle Luftblasen zu entfernen. Stellen Sie anschließend die Urform in einen Behälter mit flachem Boden und gießen Sie die entgaste PDMS-Mischung darauf. Nun das PDMS bei 60 Grad Celsius für etwa eine Stunde backen, gefolgt von einer natürlichen Abkühlung des Ofens auf Raumtemperatur für eine weitere Stunde. Schneiden Sie anschließend das PDMS von der Form ab und setzen Sie es mit der Musterseite nach oben ein, um eine Kontamination zu vermeiden. Schneide dann die einzelnen Muster aus. Stanzen Sie alle Ein- und Auslässe mit einem dermatologischen Locher in der richtigen Größe, um den Flüssigkeitsfluss in und aus dem Gerät zu ermöglichen. Legen Sie dann das PDMS-Gerät in einen Sauerstoffplasmareiniger und behandeln Sie es etwa eine Minute lang. Kleben Sie die beiden Schichten des Geräts zusammen und richten Sie das Muster unter einem Mikroskop aus. Zum Schluss kleben Sie das fertige Gerät mit PDMS auf ein Substrat und backen es zum Aushärten. Vor dem Gebrauch auf Undichtigkeiten prüfen, indem Wasser durch die mikrofluidischen Kanäle fließt.

Die Softlithographie findet Anwendung in Bereichen, die von der molekularen Analyse über die klinische Diagnostik bis hin zur Arzneimittelentwicklung reichen. Werfen wir einen Blick auf einige dieser Beispiele. Mit dieser Technik lassen sich unkonventionelle Strukturen wie flexible Mikropfosten für die Mechano-Profilierung einzelner Zellen erzeugen. Mechano-Profiling bezieht sich auf die Untersuchung der mechanischen Parameter, wie z.B. der Kräfte, die von Mikroorganismen auf ihre Umgebung ausgeübt werden. Nachdem die Mikropfosten hergestellt wurden, lassen wir kultivierte Zellen auf ihnen wachsen. Daraus ergibt sich die Biegung der kleinen flexiblen Säulen, die dann gemessen werden können, um die Kräfte zu berechnen, die von den verschiedenen Zelltypen ausgeübt werden. Mehrschichtige, multifluidische Systeme können verwendet werden, um die Auswirkungen verschiedener Mikroumgebungen auf Säugetierzellen zu untersuchen und zu verstehen. Diese Systeme werden hergestellt, indem jede einzelne PDMS-Schicht unter Verwendung verschiedener Urformen hergestellt wird. Dann werden die verschiedenen PDMS-Umwandlungen gereinigt, ausgerichtet und übereinander geschichtet und eingebrannt. Die mehreren Schichten des PDMS-Geräts ermöglichen eine effiziente Trennung der Flüssigkeit von den Zellen über eine semipermeable PDMS-Membran. Dieser Aufbau ermöglicht es den Forschern, die Auswirkungen neuer Mikroumgebungen auf die Zellen zu untersuchen und zu charakterisieren, indem kontrollierte Mengen an Flüssigkeiten, wie Sauerstoff oder ein neues Medium, von der oberen Testflüssigkeitsschicht zu den Säugetierzellen im unteren mikrofluidischen Kanal diffundieren können.

Sie haben gerade das Video von Jove über weiche Lithografie gesehen. Hier haben wir die Kerntechniken der weichen Lithographie zusammen mit dem detaillierten Protokoll zur Herstellung eines mikrofluidischen PDMS-Geräts als Beispiel besprochen. Danke fürs Zuschauen.