Multi-étape Hauteur variable photolithographie pour dispositifs microfluidiques à valve Multilayer

Les dispositifs microfluidiques multicouches impliquent souvent la fabrication de moules maîtres avec des géométries complexes pour la fonctionnalité. Cet article présente un protocole complet pour la photolithographie en plusieurs étapes avec des valves et des caractéristiques de hauteur variable réglables pour n’importe quelle application. À titre de démonstration, nous fabriquons un générateur de gouttelettes microfluidique capable de produire des billes d’hydrogel.

L’objectif global de ce protocole vidéo est de démontrer la photolithographie complète en plusieurs étapes de moules maîtres microfluidiques avec des vannes sur puce et de multiples caractéristiques de hauteur réglables pour n’importe quelle application. Cette méthode est un aperçu complet de la fabrication de moules maîtres avec des géométries complexes, y compris des vannes à membrane sur puce, pour les dispositifs microfluidiques. Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet de contrôler facilement l’écoulement dans les dispositifs microfluidiques, surmontant ainsi une barrière majeure à l’entrée dans la microfluidique dans les applications biologiques.

La démonstration visuelle de cette technique est essentielle, car les étapes de la photolithographie sont souvent difficiles à maîtriser pour les débutants. L’alignement, le développement et l’exposition appropriés reposent sur des repères visuels et l’expérience de la salle blanche. Pour commencer, concevez votre appareil et préparez les masques photo individuels pour les géométries multicouches.

De plus, préparez environ quatre plaquettes avec une couche de cinq microns de résine photosensible négative SU-8 2050 et exposez-les par inondation comme décrit dans le protocole de texte d’accompagnement. Placez la plaquette enrobée sur une machine à essorer et allumez l’aspirateur pour la fixer au mandrin d’essorage. Utilisez de l’azote ou de l’air comprimé pour souffler toute poussière de la surface.

Ensuite, appliquez deux à trois millilitres de résine photosensible positive AZ 50XT au centre de la plaquette. Appliquez une couche de résine photosensible pour créer une couche de 55 microns. Une fois enrobée, déposez soigneusement la gaufrette dans une boîte de Pétri de cinq pouces et laissez reposer pendant 20 minutes.

Ensuite, faites cuire doucement la gaufrette sur une plaque chauffante pendant 22 minutes tout en augmentant la température de 65 degrés Celsius à 112 degrés Celsius à raison de 450 degrés Celsius par heure. Ensuite, retirez la gaufrette et laissez-la reposer toute la nuit à température ambiante dans une boîte de Pétri pour une réhydratation ambiante. Collez le masque de transparence Flow Round sur la plaque de verre de cinq pouces de sorte que le côté d’impression soit le plus proche de la plaquette, et chargez-le dans le positionneur de masque de l’aligneur de masque UV.

Exposez la mise à 930 milliJoules d’UV en six cycles. Développez immédiatement la plaquette en la plongeant dans un bain agité de révélateur pendant trois à cinq minutes, ou jusqu’à ce que le bain devienne violet et que les caractéristiques émergent. Une fois développée, retirez la plaquette et rincez-la bien à l’eau déminéralisée.

Ensuite, faites cuire la gaufrette pour la faire fondre et arrondir les caractéristiques de la vanne. Augmentez la température de 65 à 190 degrés Celsius sur une période de 15 heures à raison de 10 degrés Celsius par heure. Une fois terminé, éteignez la plaque chauffante et laissez la gaufrette refroidir à température ambiante.

Les caractéristiques de la plaquette sont maintenant arrondies. Cette cuisson dure est essentielle pour refondre correctement les caractéristiques de la vanne rectangulaire en profils de vanne arrondis. Des temps plus courts peuvent entraîner des fissures ou une instabilité.

Afin de fabriquer un appareil avec des caractéristiques de hauteur variable, placez la plaquette nettoyée sur une machine à revêtir comme indiqué précédemment. Appliquez un à deux millilitres de résine photosensible négative SU-8 2050 au centre de la plaquette et faites tourner la résine photosensible sur les caractéristiques de la valve développées. Ensuite, placez soigneusement la gaufrette filée dans une boîte de Pétri de cinq pouces et laissez-la se détendre pendant 20 minutes sur une surface plane, ou jusqu’à ce que les motifs de stries s’estompent.

Ensuite, préchauffez deux plaques chauffantes à 65 degrés Celsius et 95 degrés Celsius, puis placez la plaquette sur la plaque à 65 degrés Celsius pendant deux minutes, la plaque à 95 degrés Celsius pendant huit minutes et la plaque à 65 degrés Celsius pendant deux minutes supplémentaires pour cuire doucement la gaufrette. Une fois que la plaquette a refroidi à température ambiante, collez le masque à faible transparence sur une plaque de verre en quartz de cinq pouces de sorte que le côté d’impression soit le plus proche de la plaquette, et chargez-le dans le positionneur de masque de l’aligneur de masque UV. Ensuite, placez la plaquette dans un mandrin d’alignement de masque UV et, à l’aide de l’oculaire du microscope ou de la caméra, alignez soigneusement les nouvelles caractéristiques de la couche basse d’écoulement sur les caractéristiques de la couche de vanne d’écoulement rond.

Commencez par aligner les axes horizontal, vertical et d’inclinaison des bordures de l’appareil sur les fonctionnalités de bordure de l’appareil sur le masque. Ensuite, alignez les fonctions de réticule entre les couches. Enfin, vérifiez que les caractéristiques de la vanne croisent les caractéristiques de faible débit là où vous le souhaitez.

Ensuite, exposez la plaquette à un dépôt UV de 170 milliJoules. Lorsque vous avez terminé, retirez la plaquette et faites-la cuire après l’exposition en basculant entre les deux plaques de cuisson réglées à 65 degrés Celsius et 95 degrés Celsius. Sans développer la plaquette, laissez-la refroidir à température ambiante, puis ajoutez séquentiellement la couche de débit élevé, puis la couche à chevrons chaotique du mélangeur à l’aide de SU-8 2025, comme décrit dans le protocole de texte ci-joint.

Une fois toutes les couches terminées, développez les caractéristiques en immergeant la plaquette dans un bain agité contenant 25 millilitres de révélateur SU-8 pendant 3,5 minutes, ou jusqu’à ce que les caractéristiques ressortent clairement. Utilisez un stéréoscope pour vérifier que les limites des entités sont claires et définies. Pendant le développement, assurez-vous de vérifier toutes les 20 secondes que les caractéristiques sont devenues entièrement définies et que la résistance a disparu.

Un développement excessif peut entraîner des dommages aux fonctionnalités, en particulier sur les conceptions de moules complexes. Ensuite, faites cuire la plaquette pour stabiliser toutes les caractéristiques de la résine photosensible. Par la suite, fabriquez la couche de contrôle comme décrit dans le protocole de texte ci-joint.

Fabriquez des dispositifs microfluidiques multicouches dans une géométrie de poussée sur du verre conformément aux protocoles d’accès libre existants, et utilisez l’inspection visuelle pour vous assurer que toutes les vannes sont correctement alignées sur les lignes de contrôle et que toutes les entrées sont complètement perforées avant de continuer. Connectez des tubes Tygon chargés d’eau à un système de contrôle de débit, tel qu’une pompe à seringue, des contrôleurs fluidiques ou un réseau d’électrovannes open source avec des réservoirs. Ensuite, connectez des broches métalliques au tube et les broches métalliques aux ports de l’appareil aux entrées de la ligne de contrôle.

Ensuite, réglez le système de contrôle de débit sur 25 PSI pour chaque ligne afin de pressuriser les lignes de contrôle de l’appareil. Assurez-vous que les vannes se ferment et se rouvrent par inspection au microscope. Dans un tube micro-centrifuge, suspendre 3,9 milligrammes de photo-initiateur dans 100 microlitres d’eau DI pour préparer la solution de photo-initiateur utilisée pour polymériser les gouttelettes en billes d’hydrogel.

Couvrez la solution pour la protéger de la lumière. Dans un deuxième tube de microcentrifugation, ajoutez 132 microlitres d’eau déminéralisée, 172 microlitres de diacrylate de PEG, 12 microlitres de solution de photo-initiateur et 85 microlitres de tampon HEPES pour obtenir la solution de gouttelettes d’hydrogel. Transférez la solution de gouttelettes d’hydrogel dans un tube cryogénique personnalisé.

Ensuite, connectez le tube du tube cryogénique à une source de pression contrôlable et connectez le tube PEEK à l’entrée du réactif du dispositif. Ensuite, insérez le tube PEEK à la sortie de l’appareil afin de recueillir les gouttelettes. Retirez les bulles d’air de l’appareil, repressurisez le système, puis dépressurisez la soupape d’huile RO1 et réglez la pression d’huile sur 10 PSI.

Ensuite, réglez la pression du mélange PEG sur neuf PSI, dépressurisez les vannes en amont et ajustez la pression si nécessaire pour produire des gouttelettes de la taille souhaitée. Déterminez la taille des gouttelettes par microscopie à l’aide d’une caméra avec 50 FPS ou plus. Lorsque les gouttelettes se sont stabilisées, positionnez une source de lumière UV sur la région de polymérisation de l’appareil et appliquez 100 milliwatts par centimètre carré de lumière de 365 nanomètres de la source sur un point de cinq millimètres.

Pressurisez la vanne du tamis à billes pour observer les billes polymérisées s’accumuler et vous assurer que les gouttelettes ont durci en billes. Enfin, dépressurisez la vanne de tamis à billes et collectez les billes dans un tube à travers le tube de sortie PEEK. Ce protocole commence par la démonstration d’une méthode d’arrondi des vannes de débit.

Ici, un profilomètre a été utilisé pour déterminer le profil d’arrondi typique de la vanne post-refusion résultant de cette méthode, montrant une hauteur d’environ 55 microns. Dans l’image de gauche, la vanne est fermée et le liquide peut passer à travers les canaux. Une fois activés par la mise sous pression des vannes, le débit à travers ces vannes est coupé.

Ici, on peut voir le synthétiseur à billes en fonctionnement, produisant des gouttelettes d’hydrogel dans une émulsion d’huile au niveau du générateur de gouttelettes de jonction T. En fermant partiellement un écoulement en aval à l’aide d’une vanne à tamis, le fluide peut continuer à s’écouler, mais les billes sont piégées derrière la vanne. Les billes résultantes produites à l’aide de ce procédé avaient un diamètre moyen de 52,6 microns avec un écart-type de seulement 1,6 micron.

Sur près de 3 000 billes, moins de 1 % étaient décalées de plus de trois écarts-types. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en trois jours de la conception aux tests. Cela permet une itération rapide de la conception.

En suivant cette procédure, même les chercheurs ayant peu d’expérience de la fabrication peuvent construire leurs propres dispositifs microfluidiques complexes et les appliquer à leurs propres problèmes biologiques. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’effectuer les étapes de photolithographie nécessaires à la fabrication de dispositifs microfluidiques de n’importe quel niveau de complexité, y compris des dispositifs avec des caractéristiques complexes de hauteur variable ou des vannes.