Double coulée de polydiméthylsiloxane amélioré (PDMS) par traitement à l’huile de silicone pour une réplication de la microstructure densément tassée

Résumé

Ce protocole présente une procédure de démoulage améliorée pour la technique de double coulée de polydiméthylsiloxane (PDMS) en introduisant de l’huile de silicone comme barrière non adhésive entre les couches de PDMS. Contrairement aux méthodes de modification de surface par plasma ou par produits chimiques, cette approche ne nécessite aucun équipement spécialisé ou coûteux, ce qui en fait une alternative plus accessible et plus rentable.

Résumé

La double coulée de polydiméthylsiloxane (PDMS) est largement utilisée pour reproduire des structures à l’échelle microscopique, y compris les canaux microfluidiques et les microdispositifs biomédicaux tels que les Bio-MEMS. Malgré sa polyvalence, une forte adhérence interfaciale entre les couches PDMS entraîne souvent une réplication incomplète ou des dommages structurels, en particulier dans les microcaractéristiques densément emballées. Les approches conventionnelles visant à réduire l’adhérence, telles que le plasma ou la modification chimique de surface, nécessitent un équipement spécialisé et peuvent prendre du temps et être coûteuses. Pour remédier à ces limitations, nous présentons une stratégie de démoulage améliorée qui combine le vieillissement thermique avec l’application d’une fine couche d’huile de silicone comme barrière antiadhésive. Une étape critique du protocole consiste à balayer un fil tendu sur la surface pour répartir l’huile et favoriser une pénétration uniforme du PDMS entre les micropiliers. Cela améliore le démoulage et préserve l’intégrité structurelle sans compromettre les microstructures délicates. La méthode est démontrée à l’aide de motifs de réseau de trous densément compactés, permettant une réplication propre avec une déviation dimensionnelle minimale. Cette approche simple, reproductible et rentable est bien adaptée à la fabrication de microsystèmes basés sur PDMS, y compris des dispositifs multicouches et des caractéristiques géométriquement complexes dans les applications de lithographie douce.

Introduction

La coulée lithographique douce sous-tend la microfluidique ^1,2, la biodétection ^3,4 et le diagnostic analytique⁵ en permettant un transfert de motifs rapide et haute fidélité. Divers matériaux polymères ont été explorés à cette fin,^{notamment les} thermoplastiques ^6,7, les polymères polymères polymères ⁸ durcissables aux UV et les hydrogels⁹. Cependant, ces matériaux impliquent souvent des compromis : les matériaux thermoplastiques sont généralement rigides et nécessitent un traitement à haute température, ce qui limite leur capacité à se conformer à des caractéristiques souples ou flexibles ; Les polymères durcissables aux UV nécessitent un équipement spécialisé et peuvent souffrir d’une flexibilité limitée. et les hydrogels sont mécaniquement fragiles et instables dans des conditions sèches. Parmi ceux-ci, le polydiméthylsiloxane (PDMS) est devenu le matériau de coulée le plus largement adopté en raison de sa flexibilité mécanique, de sa facilité de moulage, de sa biocompatibilité et de sa perméabilité aux gaz. En particulier, la double coulée PDMS est fréquemment utilisée pour reproduire des moules en silicium et SU-8 délicats ou coûteux, ou pour dupliquer des géométries non inversées telles que les topographies biomimétiques¹⁰. Néanmoins, un défi persistant dans cette méthode est la forte adhérence entre les couches de PDMS durcies et non polymérisées pendant l’étape de coulée secondaire, entraînée par l’intrication de la chaîne interfaciale. Cela se traduit souvent par un démoulage incomplet ou une défaillance structurelle, ce qui limite son applicabilité plus large¹¹.

Pour résoudre ce problème, diverses stratégies de traitement de surface ont été développées pour réduire l’adhérence entre les couches PDMS. Il s’agit notamment des revêtements de surface^12,13, des conditions de durcissement variables¹⁴ et du traitement au plasma^15,16. Cependant, ces approches nécessitent généralement un équipement coûteux et impliquent des processus délicats de modification de surface. Comme alternative plus simple, le vieillissement thermique a été proposé ^11,17. Cette technique consiste à traiter thermiquement le moule PDMS pour réduire la présence de chaînes non réticulées ou de faible poids moléculaire à la surface. Des études menées par Kwapiszewska et ^al.17 et Li et ^al.11 ont montré que les moules PDMS thermiquement vieillis améliorent considérablement la fidélité de la réplication sans nécessiter de modification chimique supplémentaire. Cependant, même avec le vieillissement thermique, des problèmes tels que la déchirure induite par l’adhérence et la distorsion des caractéristiques persistent, en particulier dans les structures à haute densité et aux géométries complexes.

Cette étude présente une méthode améliorée de double coulée PDMS qui combine le vieillissement thermique avec un traitement de surface supplémentaire à l’aide d’huile de silicone. Une fois que le moule PDMS a subi un vieillissement thermique, une fine couche d’huile de silicone est enduite à la surface du moule, formant une barrière non adhésive qui réduit l’adhérence interfaciale. Cette simple modification améliore considérablement les performances de démoulage du moule, même pour les microcaractéristiques densément emballées et à rapport d’aspect élevé, et élimine le besoin de traitement au plasma ou d’équipement spécialisé. Le protocole est conçu pour être reproductible et facilement adoptable par les utilisateurs ayant un accès limité à l’infrastructure de modification de surface. Les figures 1 et 2 fournissent une description détaillée, étape par étape, de la procédure de fabrication et de traitement de surface. En revanche, la figure 6 démontre la réplication réussie de structures de réseaux de trous à haute densité, confirmant l’efficacité de la méthode dans des conditions géométriques difficiles.

Protocole

1. Fabrication du moule PDMS (M2) à partir d’un moule en silicone (M1) (Figure 1)

REMARQUE : Toutes les procédures d’hexane doivent être effectuées dans une hotte ou une boîte à gants pour éviter l’inhalation de composés organiques volatils et assurer la sécurité de l’opérateur.

1. Revêtement de moule en silicone (M1)
   1. Mélangez une solution d’hexane et d’octadécyltrichlorosilane (OTS) dans un rapport de volume de 40:1 dans un bécher en verre propre avec une tige d’agitation.
   2. Couvrez le bécher en verre avec du papier d’aluminium pour minimiser l’évaporation.
   3. Placez le bécher en verre scellé dans un bain à ultrasons à température ambiante rempli d’eau. Sonicate à 40 kHz et 135 W pendant 5 min pour assurer un mixage complet.
   4. Immerger le moule en silicium (préalablement fabriqué par gravure ionique réactive profonde pour comporter un réseau de trous) dans le mélange hexane-OTS préparé pendant 30 min à température ambiante (RT) (Figure 1A).
      REMARQUE : Dans cette étude, un moule en silicone de dimensions 5 cm × 0,5 cm × 725 μm a été utilisé.
   5. À l’aide d’une pince à épiler propre, soulevez doucement l’ensemble du moule en silicone verticalement pour le retirer de la solution d’hexane-OTS. Transférez immédiatement le moule dans un bécher contenant de l’hexane pur. Rincez le moule en l’agitant doucement d’avant en arrière 5 à 10 fois dans de l’hexane.
   6. Séchez doucement le moule à l’aide d’un souffleur N₂ à une distance de ~3 cm pendant 6 à 10 s. Assurez-vous qu’il ne reste pas d’humidité visible sur la surface.
2. Fabrication de moules PDMS (M2)
   1. Mélangez la base PDMS et l’agent de durcissement dans un rapport de 10:1 (p/p) dans une boîte de Pétri en plastique propre pendant 15 min.
   2. Placez le PDMS mixte dans une chambre et dégazez à 160 torr pendant environ 30 min, ou plus si nécessaire, jusqu’à ce qu’il ne reste plus de bulles d’air visibles à la surface.
   3. Enduire légèrement une boîte de Pétri en plastique propre (par exemple, 90 mm de diamètre) avec du SO-100cSt (huile de silicone d’une viscosité de 100 cSt) à l’aide d’un essuie-glace non pelucheux pré-imbibé de SO-100cSt.
   4. Placez le moule en silicone recouvert d’OTS face vers le haut au centre de la boîte de Pétri revêtue. Versez lentement le mélange PDMS dégazé sur le moule jusqu’à ce qu’il soit complètement recouvert (Figure 1B).
   5. Dégazez à nouveau le moule dans le dissolvant à bulles sous vide jusqu’à ce qu’il ne reste plus de bulles visibles.
   6. Placez la boîte de Pétri sur une plaque chauffante préchauffée réglée à 90 °C et durcissez le PDMS pendant 50 min. Après le durcissement, laissez le moule refroidir jusqu’à ce qu’il soit RT avant de le démouler (Figure 1C).
   7. Une fois durci, décollez délicatement le moule PDMS du moule en silicone, en prenant soin de préserver la microstructure (Figure 1D).

2. Fabrication du produit PDMS final à l’aide du moule PDMS (M2) (Figure 2)

1. Traitement de surface du moule PDMS (M2)
   1. Placez le moule PDMS fabriqué sur une plaque chauffante réglée à 150 °C et faites-le vieillir thermiquement pendant 3 jours à l’air ambiant (Figure 2A).
   2. Après le vieillissement thermique, immergez le moule dans SO-100cSt.
   3. Dégazez le moule sous vide 160 torr pendant 10-15 min, ou jusqu’à ce qu’il ne reste plus de bulles visibles.
   4. Retirez le moule à l’aide d’une pince à épiler et essuyez doucement la surface 3 à 5 fois avec un essuie-glace propre et non pelucheux pour éliminer l’excès d’huile tout en laissant une fine pellicule uniforme (Figure 2B).
2. Minimisation de l’épaisseur de la couche d’huile entre les piliers PDMS
   REMARQUE : Cette étape est cruciale, car une couche d’huile trop épaisse peut entraîner une réplication inexacte. Le diamètre du filetage doit être déterminé en fonction de la géométrie de la microstructure.
   1. Préparez un mélange PDMS (10:1 p/p de base à l’agent de durcissement), en suivant les mêmes étapes de mélange et de dégazage décrites à l’étape 1.2.
   2. Versez doucement le mélange de PDMS dégazé sur le moule PDMS traité avec du SO-100cSt, en le laissant s’étaler sur la surface (Figure 2C). Appliquez un volume suffisant pour que le PDMS versé atteigne au moins la moitié de la hauteur des micropiliers.
   3. Fixez un fil de nylon de 0,5 μm sous une légère tension. Faites-le glisser une ou deux fois sur la surface du PDMS dans une seule direction pour diluer l’excès d’huile entre les micropiliers et assurer un revêtement uniforme (Figure 2D).
   4. Dégazez le moule PDMS avec la fine couche de PDMS dans une chambre à vide jusqu’à ce qu’il ne reste plus de bulles d’air visibles.
3. Fabrication PDMS à motif de réseau de trous
   1. Enduire légèrement une boîte de Pétri en plastique propre de SO-100cSt, comme décrit à l’étape 1.2.3.
   2. Placez le moule PDMS dans la boîte de Pétri en plastique enduit, puis versez le mélange PDMS dégazé sur le moule jusqu’à ce que le PDMS atteigne la hauteur souhaitée (Figure 2E).
      REMARQUE : Dans cette étude, le mélange a été rempli à un niveau de 0,5 cm au-dessus des extrémités des micropiliers.
   3. Dégazez à nouveau le moule assemblé pour éliminer les bulles d’air qui auraient pu se former lors de l’étape de coulée.
   4. Faites durcir le PDMS sur une plaque chauffante préchauffée à 110 °C pendant 10 min, ou plus longtemps si nécessaire, jusqu’à ce qu’il soit complètement solidifié.
      REMARQUE : La température de durcissement doit être suffisamment élevée pour éviter des temps de durcissement prolongés. Un durcissement prolongé à des températures plus basses pourrait entraîner une diffusion d’huile de silicone dans le PDMS, augmentant ainsi l’adhérence entre le moule et la structure répliquée. Dans cette étude, la température de durcissement a été réglée à 110 °C, ce qui a permis un durcissement complet en 10 minutes.
   5. Après le durcissement, insérez délicatement une pince à épiler propre entre le moule et la réplique et démoulez soigneusement le produit final du moule (Figure 2F).
   6. Essuyez délicatement le produit PDMS final à l’aide d’un essuie-glace imbibé d’alcool isopropylique pour éliminer tout résidu de SO-100cSt ou de poussière.
   7. Séchez la surface à l’aide d’un souffleur N₂ .

Résultats

Un moule en silicone (M1) présentant un ensemble dense de trous circulaires a été utilisé pour évaluer la méthode de double coulée améliorée. La figure 3A illustre l’image MEB de la surface supérieure montrant un motif uniforme de réseau de trous d’un diamètre de 143 μm et d’une période de 150 μm. L’image de côté révèle une profondeur de trou de 284 μm dans la figure 3B, ce qui correspond à un rapport d’aspect d’environ 2:1 et co...

Discussion

Ce protocole présente une approche rentable et reproductible pour la double coulée PDMS qui combine le vieillissement thermique avec le traitement de surface à l’huile de silicone pour surmonter les défis de démoulage dans la microfabrication. Les techniques conventionnelles telles que les traitements chimiques de surface ou le vieillissement thermique nécessitent souvent des équipements spécialisés ou fournissent des résultats incohérents, en particulier lors de la reproduction de carac...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Équipement de mesure d’angle de contact	Optique Surface Elecrto (SEO)	Phénix 300
Agent de durcissement	Dow	Sylgard 184b
Appareil photo numérique	SONY	E3ISPM06300KPB
Hexane	Sigma-Aldrich	32293	&ge ; 99 % (GC), réactif ACS
Plaque chauffante	MTOPS	HSD180
Alcool isopropylique (IPA)	Raontech	Réf. PS2032-001
MR-100 (huile pour pompe à vide)	Moresco	1802-00005-02	44,6 cSt
Microscope optique	OLYMPE	BX51
Base PDMS	Dow  ;	Sylgard 184a
SEM	Thermo Fisher Scientific	Verios 5 UC
Huile de silicone	ShinEtsu  ;	KF-96-100CS	100 cSt
Huile de silicone	ShinEtsu  ;	KF-96-1000CS	1000 cSt
Épandeur de centrifugation	DONG AH TRADE CORP	ACE-200
Trichloro(octadécyl)silane (OTS)	Sigma-Aldrich	104817
Nettoyeur à ultrasons	Branson	5510E-DTH
Pompe à vide	GAST	DOL-701-AA