Múltiples pasos Fotolitografia variable Altura de múltiples capas con válvula dispositivos de microfluidos

El objetivo general de este protocolo de video es demostrar la fotolitografía completa de varios pasos de moldes maestros microfluídicos con válvulas en chip y múltiples características de altura ajustables para cualquier aplicación. Este método es una descripción completa de cómo fabricar moldes maestros con geometrías complejas, incluidas las válvulas de membrana en chip, para dispositivos microfluídicos. La principal ventaja de esta técnica es que permite controlar fácilmente el flujo en dispositivos microfluídicos, superando una importante barrera de entrada a la microfluídica en aplicaciones biológicas.

La demostración visual de esta técnica es fundamental, ya que los pasos de la fotolitografía suelen ser difíciles de dominar para los principiantes. La alineación, el desarrollo y la exposición adecuados dependen de las señales visuales y de la experiencia en la sala limpia. Para empezar, diseñe su dispositivo y prepare las máscaras fotográficas individuales para las geometrías multicapa.

Además, prepare unas cuatro obleas con una capa de cinco micras de fotorresistencia negativa SU-8 2050 y exponga a las inundaciones como se describe en el protocolo de texto adjunto. Coloque la oblea recubierta en un recubridor giratorio y encienda la aspiradora para fijarla al mandril giratorio. Utilice nitrógeno o aire comprimido para eliminar el polvo de la superficie.

A continuación, aplique de dos a tres mililitros de fotorresistencia positiva AZ 50XT en el centro de la oblea. Aplica una capa giratoria al fotorresistente para crear una capa de 55 micras. Una vez cubierta, coloque la oblea con cuidado en una placa de Petri de cinco pulgadas y déjela reposar durante 20 minutos.

A continuación, hornee suavemente la oblea en una placa caliente durante 22 minutos mientras aumenta la temperatura de 65 grados Celsius a 112 grados Celsius a una velocidad de 450 grados Celsius por hora. Luego, retire la oblea y déjela reposar durante la noche a temperatura ambiente en una placa de Petri para rehidratarla a temperatura ambiente. Pegue la máscara de transparencia redonda de flujo a la placa de vidrio de cinco pulgadas de modo que el lado de impresión esté más cerca de la oblea y cárguela en el posicionador de máscaras del alineador de máscaras UV.

Exponga la apuesta a 930 milijulios de UV en seis ciclos. Revele la oblea inmediatamente sumergiéndola en un baño agitado de revelador durante tres a cinco minutos, o hasta que el baño se vuelva púrpura y emerjan las características. Una vez desarrollada, retire la oblea y enjuáguela bien con agua desionizada.

Luego, hornee la oblea para que se derrita y redondee las características de la válvula. Aumente la temperatura de 65 a 190 grados centígrados en el transcurso de 15 horas a una velocidad de 10 grados centígrados por hora. Una vez que haya terminado, apague la placa calefactora y deje que la oblea se enfríe a temperatura ambiente.

Las características de la oblea ahora están redondeadas. Este horneado duro es fundamental para refluir correctamente las características de la válvula rectangular en perfiles de válvula redondeados. Los tiempos más cortos pueden provocar grietas o inestabilidad.

Para fabricar un dispositivo con características de altura variable, coloque la oblea limpia en un recubridor giratorio como se muestra anteriormente. Aplique de uno a dos mililitros de fotorresistencia negativa SU-8 2050 en el centro de la oblea y gire la fotorresistencia sobre las características de la válvula desarrolladas. Luego, coloque con cuidado la oblea hilada en una placa de Petri de cinco pulgadas y déjela relajar durante 20 minutos sobre una superficie plana o hasta que los patrones de rayas se desvanezcan.

A continuación, precaliente dos placas calefactoras a 65 grados Celsius y 95 grados Celsius, y luego coloque la oblea en la placa a 65 grados Celsius durante dos minutos, la placa a 95 grados Celsius durante ocho minutos y la placa a 65 grados Celsius durante dos minutos adicionales para hornear suavemente la oblea. Una vez que la oblea se enfríe a temperatura ambiente, pegue la máscara de baja transparencia de flujo a una placa de vidrio de cuarzo de cinco pulgadas para que el lado de impresión esté más cerca de la oblea y cárguela en el posicionador de máscara del alineador de máscara UV. Luego, coloque la oblea en un mandril alineador de máscara UV y, con el ocular o la cámara del microscopio, alinee cuidadosamente las nuevas características de la capa de capa de flujo bajo con las características de la capa de la válvula redonda de flujo.

Comience alineando los ejes horizontal, vertical e inclinable de los bordes del dispositivo con las entidades del borde del dispositivo en la máscara. A continuación, alinee las entidades de retícula entre las capas. Finalmente, confirme que las características de la válvula se cruzan con las características de flujo bajo donde se desea.

A continuación, exponga la oblea a una deposición UV de 170 miliJoule. Cuando termine, retire la oblea y hornee después de la exposición cambiando entre las dos placas calefactoras configuradas a 65 grados centígrados y 95 grados centígrados. Sin desarrollar la oblea, deje que se enfríe a temperatura ambiente y luego agregue secuencialmente la capa de flujo alto y luego la capa de espiga del mezclador caótico usando SU-8 2025 como se describe en el protocolo de texto adjunto.

Una vez que se hayan completado todas las capas, desarrolle las características sumergiendo la oblea en un baño agitado que contenga 25 mililitros de revelador SU-8 durante 3,5 minutos, o hasta que las características emerjan claramente. Utilice un estereoscopio para verificar que las entidades tengan límites de entidad claros y definidos. Durante el desarrollo, asegúrese de comprobar cada 20 segundos que las características se han definido por completo y que la resistencia se ha desvanecido.

El desarrollo excesivo puede dañar las características, especialmente en diseños de moldes complejos. Luego, hornee la oblea para estabilizar todas las características de fotorresistencia. Posteriormente, fabrique la capa de control como se describe en el protocolo de texto adjunto.

Fabrica dispositivos microfluídicos multicapa en una geometría de empuje sobre vidrio de acuerdo con los protocolos de acceso abierto existentes, y utiliza la inspección visual para garantizar que todas las válvulas estén correctamente alineadas con las líneas de control y que todas las entradas estén perforadas completamente antes de continuar. Conecte la tubería Tygon cargada con agua a un sistema de control de flujo, como una bomba de jeringa, controladores de fluidos o un conjunto de válvulas solenoide de código abierto con depósitos. A continuación, conecte las clavijas metálicas a la tubería y las clavijas metálicas a los puertos del dispositivo en las entradas de la línea de control.

Luego, configure el sistema de control de flujo a 25 PSI para cada línea para presurizar las líneas de control del dispositivo. Asegúrese de que las válvulas se cierren y vuelvan a abrir mediante inspección bajo el microscopio. En un tubo de microcenrifugo, suspenda 3,9 miligramos de fotoiniciador en 100 microlitros de agua desionizada para preparar la solución de fotoiniciador utilizada para polimerizar las gotas en perlas de hidrogel.

Cubra la solución para protegerla de la luz. En un segundo tubo de microcentrífuga, agregue 132 microlitros de agua desionizada, 172 microlitros de diacrilato PEG, 12 microlitros de la solución fotoiniciadora y 85 microlitros de tampón HEPES para hacer la solución de gotas de hidrogel. Transfiera la solución de gotas de hidrogel a un recipiente de tubo criogénico personalizado.

A continuación, conecte el tubo del recipiente del tubo criogénico a una fuente de presión controlable y conecte el tubo de PEEK a la entrada del reactivo del dispositivo. A continuación, inserte el tubo de PEEK en la salida del dispositivo para recoger las gotas. Retire las burbujas de aire del dispositivo, vuelva a presurizar el sistema y luego despresurice la válvula de aceite RO1 y ajuste la presión del aceite a 10 PSI.

A continuación, ajuste la presión de la mezcla PEG a nueve PSI, despresurice las válvulas aguas arriba y ajuste la presión según sea necesario para producir gotas del tamaño deseado. Determine el tamaño de la gota a través de la microscopía con una cámara con 50 FPS o más. Cuando las gotas se hayan estabilizado, coloque una fuente de luz ultravioleta sobre la región de polimerización del dispositivo y aplique 100 milivatios por centímetro cuadrado de luz de 365 nanómetros desde la fuente en un punto de cinco milímetros.

Presurice la válvula del tamiz de perlas para observar cómo se acumulan las perlas polimerizadas y asegúrese de que las gotas se hayan endurecido en perlas. Finalmente, despresurice la válvula de tamiz de perlas y recoja las perlas en un tubo a través del tubo de salida de PEEK. Este protocolo comienza con la demostración de un método para redondear válvulas de flujo.

Aquí, se utilizó un perfilómetro para determinar el perfil de redondeo típico de la válvula post-reflujo resultante de este método, mostrando una altura de aproximadamente 55 micras. En la imagen de la izquierda, la válvula está cerrada y el líquido puede pasar a través de los canales. Una vez activadas mediante la presurización de las válvulas, se corta el flujo a través de estas válvulas.

Aquí, se puede ver el dispositivo sintetizador de perlas en funcionamiento, produciendo gotas de hidrogel en una emulsión de aceite en el generador de gotas de unión T. Al cerrar parcialmente un flujo aguas abajo con una válvula de tamiz, el fluido puede continuar fluyendo, pero las perlas quedan atrapadas detrás de la válvula. Las perlas resultantes producidas mediante este proceso tenían un promedio de 52,6 micras de diámetro con una desviación estándar de solo 1,6 micras.

De las casi 3.000 cuentas, menos del 1% estaban equivocadas en más de tres desviaciones estándar. Una vez dominada, esta técnica se puede completar en tres días desde el diseño hasta la prueba. Esto permite una iteración rápida del diseño.

Siguiendo este procedimiento, incluso los investigadores con poca experiencia en fabricación pueden construir sus propios dispositivos microfluídicos complejos y aplicarlos a sus propios problemas biológicos. Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de cómo realizar los pasos de fotolitografía necesarios para fabricar dispositivos microfluídicos de cualquier nivel de complejidad, incluidos dispositivos con características complejas de altura variable o válvulas.