Name: photolithography for microfluidic device making
Uploaded: 2023-04-30T06:32:31.000Z
Duration: 7 min 53 s
Channel: JoVE

<div class="chapter_text" id="script_0">Litografía suave es un conjunto de procesos de fabricación rápida, sencilla y barata que se han utilizado con éxito para los canales complejos de sistemas microfluídicos del patrón. En la industria de la electrónica, la litografía se refiere al proceso de microfabricación con luz y polímeros sensibles a la luz piezas de patrón de una capa fina o la mayor parte del sustrato. La litografía suave del término se refiere al uso de materiales elastómeros blandos como polidimetilsiloxano PDMS para realizar estas técnicas. En este video, se ilustran los diferentes tipos de técnicas de litografía blanda en seguida de un protocolo de demostración de la fabricación de un dispositivo de microfluidos. Por último, veremos cómo los investigadores en diferentes campos están utilizando litografía blanda en su beneficio.</div><div class="chapter_text" id="script_1">En primer lugar, vamos a repasar las técnicas de litografía blanda más común. El primer paso de todas estas técnicas es la fabricación del molde maestro. Esto se hace utilizando Fotolitografía tradicional que utiliza luz y un material sensible a la luz llamado photoresist para crear el patrón deseado en un substrato de silicio. Para Fotolitografía en detalle, por favor consulte un video anterior de esta colección de Zeus. El segundo paso es verter un elastómero sobre este molde maestro y luego curarlo. Esto crea el sello elastomérico flexible teniendo las características del relieve que se utiliza de maneras diferentes en las diferentes técnicas de litografía blanda. Los modos del principio de transferencia usando el sello de fundición son impresión, moldeado, litografía óptica de cambio de fase, de seccionamiento mecánico y fundición. En la impresión, el sello está cubierto primero con una tinta transferible como octadecanethiol o ODT que se coloca en el substrato, como el oro. Cuando el sello es removido, se imprime sólo la tinta de la superficie de sello levantado sobre la superficie del sustrato. Así, la impresión directamente Replica características de nano-escala en el sustrato. En otra técnica llamada moldeo, el sello sí mismo se utiliza como molde. Aquí, el sello se presiona en un polímero sin curar y entonces curado. Entonces el molde se pela apagado para revelar el patrón de la estampilla. Como la impresión, moldeado también resulta en replicación directa de características de nano-escala en el sustrato. En la tercera técnica llamada litografía de borde de cambio de fase, en primer lugar, el substrato está cubierto con el material del photoresist. Entonces el sello se coloca en el substrato recubierto y la luz se muestra a través de la estampilla. Esto resulta en los bordes de las características de ser transferidas a la película de photoresist como se observa en las técnicas de la litografía tradicional. En seccionamiento mecánico, también conocido como nanoskiving, el sello se utiliza para moldear el prepolímero de epoxi sin curar, como en moldeo. Este prepolímero moldeada se cura que entonces está cubierto con una capa delgada de un material de elección, por ejemplo, oro. Esta película está incrustada en epoxy más y curada después de que se secciona utilizando un ultramicrótomo para formar una losa de epoxy con el patrón. Por último, en el bastidor, un polímero se vierte en un molde maestro para hacer un sello. Entonces puede ser perforado para las entradas y salidas y adherido a un sustrato. En la siguiente sección, se revisa el protocolo para la fabricación de un dispositivo de microfluidos sencillos.</div><div class="chapter_text" id="script_2">En primer lugar, preparar el molde maestro utilizando técnicas de la litografía tradicional. Para detalles del Protocolo se refieren a un video anterior de esta colección. El molde maestro se fabrica normalmente sobre un sustrato de silicio. Para fabricar el sello, primero preparar una mezcla de aproximadamente 25 gramos de PDMS y agente endurecedor en la proporción 10:1. Luego desgasificar la mezcla para eliminar las posibles burbujas de aire. A continuación, coloque el molde principal en un recipiente de base plana y verter la mezcla desgasificada de PDMS en él. Ahora hornea el PDMS a 60 grados centígrados durante una hora, seguido de un enfriamiento natural abajo del horno a temperatura ambiente una hora. A continuación, corte los PDMS del molde y colocarlo con el lado del patrón para evitar la contaminación. Luego cortar los patrones individuales. Golpear cualquier entradas y salidas usando una perforadora dermatológica del tamaño adecuado para permitir el flujo de fluido dentro y fuera del dispositivo. Luego coloque el dispositivo PDMS en un plasma de oxígeno limpio y tratar durante aproximadamente un minuto. Se adhieren las dos capas del dispositivo juntos y alinee el patrón bajo un microscopio. Por último, adherir el dispositivo terminado en un substrato con PDMS y hornearlo para curar. Antes de usar la prueba en busca de fugas por fluir agua a través de los canales de microfluidos.</div><div class="chapter_text" id="script_3">Litografía suave ha encontrado aplicación en campos que van desde el análisis molecular al diagnóstico clínico y el desarrollo de fármacos. Echemos un vistazo a algunos de estos ejemplos. Esta técnica puede utilizarse para crear estructuras no convencionales como microposts flexibles para perfiles de Mecano de las células. Perfiles de Mecano se refiere al estudio de los parámetros mecánicos como las fuerzas aplicadas por los microorganismos en su ambiente. Después se fabrican los microposts, células cultivadas pueden crecer en ellos. Esto produce la flexión de los pequeños pilares flexibles, que pueden entonces ser medidos para calcular las fuerzas ejercidas por los diferentes tipos de células. Sistemas multicapas, multifluidic pueden utilizarse para estudiar y comprender los efectos de diferentes microambientes en células de mamíferos. Estos sistemas se fabrican haciendo que cada capa PDMS individual utilizando diferentes moldes maestro. Entonces los diversos elencos PDMS son limpiar, alineados y capas encima de la otra y al horno. Las múltiples capas del dispositivo PDMS permite la eficiente separación del líquido de las células a través de una membrana semipermeable de PDMS. Esta configuración permite a los investigadores a estudiar y caracterizar los efectos de la nueva microambientes en las células permitiendo cantidades controladas de los fluidos, como oxígeno o un nuevo medio, para difundir de la capa de fluido de prueba superior a las células de mamíferas en la microfluídica de fondo canal.</div><div class="chapter_text" id="script_4">Sólo ha visto video de Zeus en litografía blanda. Aquí, hemos hablado de las técnicas base de litografía blanda junto con el protocolo detallado de la fabricación de un dispositivo de microfluidos PDMS como ejemplo. Gracias por ver.</div>

litografía suave

Dispositivos de muchos BioMEM, como canales de microfluidos, están fabricados mediante la técnica de litografía blanda. Aquí, un patrón de microescala es replicado por el curado de un polímero elastomérico sobre la estructura 3D. Estas estructuras poliméricas se utilizan entonces para crear una amplia gama de dispositivos, que van desde canales de microfluidos para aplicaciones de biosensores a microescala biorreactores para la visualización de colonias de micro.
Este video presenta la fotolitografía y demuestra la técnica en el laboratorio. A continuación, se examinan algunas aplicaciones de la técnica y cómo las estructuras se utilizan en el campo de la bioingeniería.

Litografía suave

Many BioMEM&#160;devices, such as microfluidic channels, are fabricated using the soft lithography technique. Here, a microscale pattern is replicated by ...

La litografía blanda es un conjunto de procesos de fabricación rápidos, sencillos y económicos que se han utilizado con éxito para modelar los canales complejos de los sistemas microfluídicos. En la industria electrónica, la litografía se refiere al proceso de microfabricación que utiliza polímeros ligeros y sensibles a la luz para modelar partes de una película delgada o la mayor parte de un sustrato. El término litografía blanda se refiere al uso de materiales elastoméricos blandos como el polidimetilsiloxano o el PDMS para realizar estas técnicas. En este vídeo, ilustraremos los diferentes tipos de técnicas de litografía blanda seguidas de un protocolo que demuestra la fabricación de un dispositivo microfluídico. Por último, veremos cómo los investigadores de diferentes campos están utilizando la litografía blanda a su favor. En primer lugar, repasemos las técnicas de litografía blanda más comunes. El primer paso en todas estas técnicas es la fabricación del molde maestro. Esto se hace utilizando fotolitografía tradicional, que utiliza luz y un material sensible a la luz llamado fotorresistencia para crear el patrón deseado en un sustrato como el silicio. Para conocer en detalle la fotolitografía, puedes ver un vídeo anterior de esta colección Jove. El segundo paso es verter un elastómero sobre este molde maestro y luego curarlo. Esto crea el sello elastomérico flexible que lleva las características del relieve y que se utiliza de diferentes maneras en las diversas técnicas de litografía blanda. Los principales modos de transferencia utilizando el sello de fundición son la impresión, el moldeo, la litografía óptica por cambio de fase, el seccionamiento mecánico y la fundición. En la impresión, el sello se recubre primero con una tinta transferible como el octadecanetiol o el ODT que luego se coloca sobre el sustrato, como el oro. Cuando se retira el sello, solo se imprime la tinta de la superficie elevada del sello en la superficie del sustrato. Por lo tanto, la impresión replica directamente las características a nanoescala en el sustrato. En otra técnica llamada moldeo, el sello en sí se utiliza como molde. Aquí, el sello se presiona en un polímero sin curar y luego se cura. A continuación, se despega el molde para revelar el patrón del sello. Al igual que la impresión, el moldeo también da como resultado la replicación directa de características a nanoescala en el sustrato. En la tercera técnica, llamada litografía de borde con desplazamiento de fase, primero, el sustrato se recubre con el material fotorresistente. A continuación, el sello se coloca sobre el sustrato recubierto y la luz se muestra a través del sello. Esto da como resultado que los bordes de las características se transfieran a la película de fotorresistencia como se observa en las técnicas de litografía tradicionales. En el seccionamiento mecánico, también conocido como nanoskiving, el sello se utiliza para moldear prepolímero epoxi sin curar, como en el moldeo. Este prepolímero moldeado se cura y luego se recubre con una película delgada de un material de elección, por ejemplo, oro. Luego, esta película se incrusta en más epoxi y se cura, después de lo cual se secciona con un ultramicrótomo para formar una losa de epoxi con el patrón. Finalmente, en la fundición, se vierte un polímero en un molde maestro para hacer un sello. A continuación, se puede perforar para entradas y salidas y adherir a un sustrato. En la siguiente sección, revisamos el protocolo para fabricar un dispositivo microfluídico simple. Primero, prepare el molde maestro utilizando técnicas de litografía tradicionales. Para obtener más información sobre el protocolo, consulte un vídeo anterior de esta colección. El molde maestro se fabrica normalmente sobre un sustrato de silicona. Para fabricar el sello, primero prepare una mezcla de aproximadamente 25 gramos de PDMS y agente de curado en una proporción de 10:1. A continuación, desgasifique la mezcla para eliminar las burbujas de aire. A continuación, coloque el molde maestro en un recipiente de base plana y vierta la mezcla de PDMS desgasificada sobre él. Ahora hornee el PDMS a 60 grados centígrados durante aproximadamente una hora, seguido de un enfriamiento natural del horno a temperatura ambiente durante otra hora. A continuación, corte el PDMS del molde y colóquelo con el lado del patrón hacia arriba para evitar la contaminación. A continuación, recorta los patrones individuales. Perfore las entradas y salidas con un perforador dermatológico del tamaño adecuado para permitir el flujo de fluido dentro y fuera del dispositivo. A continuación, coloque el dispositivo PDMS en un limpiador de plasma de oxígeno y trátelo durante aproximadamente un minuto. Adhiera las dos capas del dispositivo juntas y alinee el patrón bajo un microscopio. Finalmente, adhiera el dispositivo completo a un sustrato con PDMS y hornee para curar. Antes de usar, pruebe si hay fugas haciendo fluir agua a través de los canales microfluídicos. La litografía blanda ha encontrado aplicación en campos que van desde el análisis molecular hasta el diagnóstico clínico y el desarrollo de fármacos. Echemos un vistazo a algunos de estos ejemplos. Esta técnica se puede utilizar para crear estructuras no convencionales como micropostes flexibles para el mecanoperfilado de células individuales. El mecanoperfilado se refiere al estudio de los parámetros mecánicos, como las fuerzas aplicadas por los microorganismos sobre su entorno. Una vez que se fabrican los micropostes, se permite que las células cultivadas crezcan en ellos. Esto da como resultado la flexión de los pequeños pilares flexibles, que luego se pueden medir para calcular las fuerzas ejercidas por los diferentes tipos de celdas. Los sistemas multicapa y multifluídicos se pueden utilizar para estudiar y comprender los efectos de diferentes microambientes en las células de mamíferos. Estos sistemas se fabrican fabricando cada capa individual de PDMS utilizando diferentes moldes maestros. A continuación, los distintos moldes de PDMS se limpian, se alinean y se superponen y se hornean. Las múltiples capas del dispositivo PDMS permiten la separación eficiente del fluido de las células a través de una membrana PDMS semipermeable. Esta configuración permite a los investigadores estudiar y caracterizar los efectos de nuevos microambientes en las células al permitir que cantidades controladas de fluidos, como el oxígeno o un nuevo medio, se difundan desde la capa superior del fluido de prueba a las células de mamíferos en el canal microfluídico inferior. Acabas de ver el vídeo de Jove sobre la litografía blanda. Aquí, discutimos las técnicas básicas de litografía blanda junto con el protocolo detallado de fabricación de un dispositivo microfluídico PDMS como ejemplo. Gracias por mirar.

Education

Educación

JoVE Science Education

Engineering

Ingeniería

Bioengineering

Bioingeniería

Soft Lithography

photolithography for microfluidic device making

Photolithography and soft lithography are used to make BioMEM devices such as microfluidic channels. A microscale pattern is copied by curing an elastomeric polymer over a 3D structure. The result is a polymer piece that can serve as part of a biological device.

These polymer structures are then used to build a range of tools. Some are microfluidic channels for biosensing applications. Others are microscale bioreactors that let scientists visualize micro-colonies.

The process also shows how pattern making works in the laboratory. The video introduces photolithography and demonstrates the technique step by step. It then connects the finished structures to their use in bioengineering.

Photolithography for Microfluidic Device Making

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overview of biomaterials

Biomaterials in Medicine and Engineering

Biomaterials are materials designed to interact well with biological organisms or molecules. They may come from an organism, be produced by an organism, or be made as a synthetic polymer. Because of these properties, engineers use biomaterials in medicine and other biological applications. These materials are used in tissue engineering, biosensing, and drug delivery. Tissue engineering uses materials to support the growth or repair of tissues. Biosensing uses materials to detect biological...

collagen hydrogels

Porcine Collagen for Tissue Engineering

Collagen is a useful biomaterial with uses that go beyond the lab. It has also found commercial use in photography. In tissue engineering, collagen can be turned into hydrogels that give engineered tissue support and structure. This page follows the path from porcine skin to a collagen hydrogel. Porcine skin is used as the source of collagen. The material is then prepared for use in tissue engineering applications. The video also shows several applications of collagen and the methods used to...

electrospinning of silk biomaterials

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats

Silk cocoons can be processed into a soluble material that is useful for making biomaterials. Silk fibers have been used for fabrics and threads for centuries, but turning them into a versatile pre-polymer solution is a newer technique. That solution can then be shaped into materials with controllable mechanical properties. The process begins with silk worm cocoons. The silk is solubilized, or dissolved, so it can be handled as a liquid-like solution. The video then shows how that silk...

overview of biomem devices

BioMEMs in Diagnostics and Miniaturization

Bio-microelectromechanical systems, or BioMEMs, are microscale devices used in diagnostic settings. They work with very small sample and reagent volumes in vivo and in vitro, which means inside a living body or outside it in a lab. These compact systems support bioengineering research and help make diagnostic tools more efficient. BioMEMs can carry out functions such as filtration, sensing, and synthesis on a tiny scale. Using less material can lower costs and improve sensitivity. The...

microfabrication via photolithography

Photolithography for Silicon Wafer Patterning

Photolithography is a common microfabrication method used to pattern a silicon wafer. It uses light to transfer a design onto the wafer surface. This process helps form the basis for many BioMEM devices. The page also shows how photolithography is carried out in a cleanroom. Cleanroom steps are important because they support careful fabrication of small, detailed features. The video ends by introducing applications of this process in BioMEM device production.

soft lithography

Photolithography and soft lithography are used to make BioMEM devices such as microfluidic channels. A microscale pattern is copied by curing an elastomeric polymer over a 3D structure. The result is a polymer piece that can serve as part of a biological device. These polymer structures are then used to build a range of tools. Some are microfluidic channels for biosensing applications. Others are microscale bioreactors that let scientists visualize micro-colonies. The process also shows how...

overview of bioprocess engineering

Bioreactors and Protein Production in Bioprocessing

Bioprocessing uses living organisms to make a desired target product. In many cases, that product is a protein made in a bioreactor, which is a controlled vessel for growing cells. This process often relies on genetically engineered organisms. Engineers design the system so the cells can produce proteins at large scale. That approach is central to making biotherapeutics, which are drugs made from biological materials. Biotherapeutics are important medicines for complex diseases such as...

synthetic biology

Engineering Cells to Produce Proteins

Synthetic biology is a bioengineering method for programming cells to make useful products. In many cases, the goal is to genetically modify an organism so it can produce large amounts of a protein. That protein may already be made by the cell, or it may come from a newly inserted DNA sequence. The process depends on changing an organism’s genetic material. This is done with transformation or transfection, two common ways to introduce DNA into cells. The video also shows how this work is...

batch and continuous bioreactors

Growing Cells in Bioreactors

Bioreactors are used to grow organisms in large volumes. This makes it possible to produce large amounts of a target product. In laboratory and bioengineering settings, they provide a controlled place for cell growth and product formation. The two main reactor types are batch reactors and continuous reactors. A batch reactor contains all of the materials needed for cell growth at the start. A continuous reactor has inlet and outlet ports, so fresh growth media can be added while cell waste is...

overview of biosensing

How Biosensors Detect Molecules

Biosensors detect biological molecules and chemical contaminants by combining biology with physical measurement. They can identify targets such as proteins or cells, as well as non-biological molecules like chemicals or contaminants. This makes biosensing a useful field for studying and monitoring many kinds of samples. These devices rely on different signal types to find the target molecule. Some biosensors use electrical signals, while others depend on optical, electrochemical, or mechanical...

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Glucose Sensors and Cancer Detection

Electrochemical biosensors detect target molecules by measuring an oxidation-reduction event. That signal changes when a molecule binds to the sensor surface. These sensors helped shape modern biosensing after the first glucose biosensor was invented. The glucose biosensor is a key example of this technology. It shows how electrochemical sensing can track a biological target through a measurable electrical change. The same basic idea also helps explain how electrochemical biosensors can be...

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Detecting Molecules with Light

Optical biosensors detect target molecules with light. They monitor binding by reading an optical signal from the sample. This makes them useful for seeing when a target molecule is present. Some optical biosensors use a label molecule. The label creates a measurable signal, such as fluorescence. Other optical biosensors are label-free and track changes in optical properties, such as refractive index, as binding occurs. This page introduces both label and label-free optical biosensors. It...

overview of tissue engineering

Building Artificial Tissue with Biomaterials

Tissue engineering uses biomaterials, specific cells, and growth factors to build artificial tissue. These engineered tissue constructs are designed for tissue repair and, in some cases, organ replacement. The field focuses on how to make tissue work like natural tissue. It begins with a scaffold, which is a structure that supports cell growth. Cells are then added to the scaffold, and growth factors help encourage proliferation, or cell multiplication. The video also outlines common methods...

histotypic tissue culture

3D Cell Growth on Engineered Matrices

Histotypic tissue culture uses an engineered three-dimensional matrix to grow and propagate cells. Compared with common two-dimensional tissue culture, cells in a 3D setting behave more realistically and better mimic native tissue. The method is useful when high cell density is needed. The process begins by harvesting cells from donor tissue. Those cells are then placed onto an engineered construct for culture. This setup supports growth in a three-dimensional space instead of a flat surface.

whole organ tissue culture

Lung Decellularization and Recellularization

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors to support repair or replacement of entire organs. In this approach, a donor organ is first stripped of all cells. What remains is the three-dimensional structure of the organ, which can then be repopulated with new cells. The lung is the example shown here. The method uses a dynamic culture system that provides mechanical stimulation, similar to what the organ experiences in the body. This type of culture helps induce native...

bioengineering

Esta colección abarca conceptos centrales de la bioingeniería, que incluyen la producción de biomateriales, cultivos de tejidos histotípicos y de órganos completos, técnicas de bioprocesamiento y los complejos campos de bioMEM y biodetección.

Learn how photolithography and soft lithography help make microfluidic channels and microscale bioreactors for biosensing and bioengineering.

Photolithography for Microfluidic Device Making

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