1: Lithographie souple

La lithographie douce est un ensemble de procédés de fabrication rapides, simples et peu coûteux qui ont été utilisés avec succès pour modéliser les canaux complexes des systèmes microfluidiques. Dans l’industrie électronique, la lithographie fait référence au processus de microfabrication utilisant des polymères sensibles à la lumière et à la lumière pour modeler des parties d’un film mince ou la majeure partie d’un substrat. Le terme lithographie molle fait référence à l’utilisation de matériaux élastomères mous comme le polydiméthylsiloxane ou le PDMS pour réaliser ces techniques. Dans cette vidéo, nous illustrerons les différents types de techniques de lithographie douce suivies d’un protocole démontrant la fabrication d’un dispositif microfluidique. Enfin, nous verrons comment les chercheurs de différents domaines utilisent la lithographie douce à leur avantage.

Tout d’abord, passons en revue les techniques de lithographie douce les plus courantes. La première étape de toutes ces techniques est la fabrication du moule maître. Cela se fait à l’aide de la photolithographie traditionnelle, qui utilise la lumière et un matériau sensible à la lumière appelé photoresist pour créer le motif souhaité sur un substrat comme le silicium. Pour en savoir plus sur la photolithographie en détail, veuillez consulter une vidéo précédente de cette collection Jove. La deuxième étape consiste à verser un élastomère sur ce moule maître, puis à le durcir. Cela crée le poinçon élastomère flexible portant les éléments en relief qui est utilisé de différentes manières dans les différentes techniques de lithographie douce. Les principaux modes de transfert à l’aide du tampon coulé sont l’impression, le moulage, la lithographie optique à décalage de phase, le sectionnement mécanique et le moulage. Lors de l’impression, le tampon est d’abord recouvert d’une encre transférable comme l’octadécanéthiol ou l’ODT qui est ensuite placée sur le support, comme de l’or. Lorsque le tampon est retiré, seule l’encre de la surface du tampon en relief est imprimée sur la surface du support. Ainsi, l’impression reproduit directement les caractéristiques à l’échelle nanométrique sur le substrat. Dans une autre technique appelée moulage, le tampon lui-même est utilisé comme moule. Ici, le tampon est pressé dans un polymère non durci, puis durci. Ensuite, le moule est décollé pour révéler le motif du tampon. Comme l’impression, le moulage entraîne également la réplication directe de caractéristiques à l’échelle nanométrique sur le substrat. Dans la troisième technique, appelée lithographie à bord à décalage de phase, le substrat est d’abord recouvert d’un matériau photorésistant. Ensuite, le tampon est placé sur le substrat revêtu et la lumière est montrée à travers le tampon. Cela se traduit par le transfert des bords des caractéristiques sur le film de résine photosensible, comme observé dans les techniques de lithographie traditionnelles. Dans le sectionnement mécanique, alias le nanoskiving, le tampon est utilisé pour mouler du prépolymère époxy non durci, comme dans le moulage. Ce prépolymère moulé est durci et est ensuite recouvert d’une fine pellicule d’un matériau de son choix, par exemple l’or. Ce film est ensuite incorporé dans plus d’époxy et durci, après quoi il est sectionné à l’aide d’un ultramicrotome pour former une dalle d’époxy avec le motif. Enfin, lors de la coulée, un polymère est versé dans un moule maître pour réaliser un tampon. Il peut ensuite être poinçonné pour les entrées et les sorties et collé à un substrat. Dans la section suivante, nous passons en revue le protocole de fabrication d’un dispositif microfluidique simple.

Tout d’abord, préparez le moule maître à l’aide de techniques de lithographie traditionnelles. Pour plus de détails sur le protocole, reportez-vous à une vidéo précédente de cette collection. Le moule maître est généralement fabriqué sur un substrat en silicone. Pour fabriquer le tampon, préparez d’abord un mélange d’environ 25 grammes de PDMS et d’agent de durcissement dans le rapport de 10 : 1. Dégazez ensuite le mélange pour éliminer les bulles d’air. Ensuite, placez le moule maître dans un récipient à fond plat et versez le mélange PDMS dégazé dessus. Faites maintenant cuire le PDMS à 60 degrés Celsius pendant environ une heure, suivi d’un refroidissement naturel du four à température ambiante pendant une autre heure. Ensuite, coupez le PDMS du moule et placez-le avec le motif vers le haut pour éviter la contamination. Ensuite, découpez les motifs individuels. Perforez toutes les entrées et sorties à l’aide d’un perforateur dermatologique de la bonne taille pour permettre l’écoulement du fluide à l’intérieur et à l’extérieur de l’appareil. Placez ensuite l’appareil PDMS dans un nettoyeur de plasma d’oxygène et traitez-le pendant environ une minute. Collez les deux couches de l’appareil ensemble et alignez le motif au microscope. Enfin, collez l’appareil terminé à un substrat à l’aide d’un PDMS et faites-le cuire pour durcir. Avant l’utilisation, testez l’absence de fuites en faisant circuler l’eau à travers les canaux microfluidiques.

La lithographie douce a trouvé des applications dans des domaines allant de l’analyse moléculaire au diagnostic clinique et au développement de médicaments. Jetons un coup d’œil à certains de ces exemples. Cette technique peut être utilisée pour créer des structures non conventionnelles telles que des micro-piliers flexibles pour le mécano-profilage de cellules uniques. Le mécano-profilage fait référence à l’étude des paramètres mécaniques comme les forces appliquées par les micro-organismes sur leur environnement. Une fois les microtenons fabriqués, les cellules cultivées sont autorisées à se développer dessus. Cela se traduit par la flexion des petits piliers flexibles, qui peuvent ensuite être mesurés afin de calculer les forces exercées par les différents types de cellules. Les systèmes multicouches et multifluidiques peuvent être utilisés pour étudier et comprendre les effets de différents microenvironnements sur les cellules de mammifères. Ces systèmes sont fabriqués en fabriquant chaque couche PDMS individuelle à l’aide de différents moules maîtres. Ensuite, les différents moulages PDMS sont nettoyés, alignés, superposés les uns sur les autres et cuits. Les multiples couches du dispositif PDMS permettent de séparer efficacement le fluide des cellules via une membrane PDMS semi-perméable. Cette configuration permet aux chercheurs d’étudier et de caractériser les effets de nouveaux microenvironnements sur les cellules en permettant à des quantités contrôlées de fluides, comme l’oxygène ou un nouveau média, de diffuser de la couche supérieure de fluide d’essai vers les cellules de mammifères au niveau du canal microfluidique inférieur.

Vous venez de regarder la vidéo de Jupiter sur la lithographie douce. Ici, nous avons discuté des techniques de base de la lithographie douce ainsi que du protocole détaillé de fabrication d’un dispositif microfluidique PDMS à titre d’exemple. Merci d’avoir regardé.