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">ליטוגרפיה רכה היא סדרה של תהליכי ייצור מהירים, פשוטים וזולים ששימשו בהצלחה ליצירת הערוצים המורכבים של מערכות מיקרופלואידיות. בתעשיית האלקטרוניקה, ליטוגרפיה מתייחסת לתהליך של מיקרו-פיבריות באמצעות פולימרים רגישים לאור כדי ליצור חלקים של סרט דק או את עיקר המצע. המונח ליטוגרפיה רכה מתייחס לשימוש בחומרים אלסטומריים רכים כמו פולידימתילסילוקסן או PDMS לביצוע טכניקות אלה. בסרטון זה, נמחיש את הסוגים השונים של טכניקות ליטוגרפיה רכה ואחריהן פרוטוקול המדגים את הייצור של מכשיר מיקרופלואידי. לבסוף, נראה כיצד חוקרים בתחומים שונים משתמשים בליטוגרפיה רכה לטובתם.</div><div class="chapter_text" id="script_1">ראשית, בואו נסקור את טכניקות הליתוגרפיה הרכה הנפוצות ביותר. הצעד הראשון בכל הטכניקות האלה הוא ייצור של עובש מאסטר. זה נעשה באמצעות פוטוליתוגרפיה מסורתית המשתמשת באור ובחומר רגיש לאור הנקרא פוטורסיסט כדי ליצור את התבנית הרצויה על מצע כמו סיליקון. כדי ללמוד על פוטוליתוגרפיה בפירוט, עיין בסרטון קודם באוסף יובה זה. השלב השני הוא לשפוך אלסטומר על תבנית מאסטר זו ולאחר מכן לרפא אותו. זה יוצר את החותמת האלסטומית הגמישה הנושאת את תכונות ההקלה המשמשות בדרכים שונות בטכניקות הליתוגרפיה הרכות השונות. דרכי ההעברה העיקריות באמצעות חותמת הגבס הן הדפסה, עיצוב, ליטוגרפיה אופטית של שינוי פאזה, חתך מכני והיציקה. בהדפסה, החותמת מצופה תחילה בדיו הניתנת להעברה כמו octadecanethiol או ODT אשר לאחר מכן ממוקם על המצע, כמו זהב. כאשר החותמת מוסרת, רק הדיו ממשטח החותמת המוגבה מוטבע על משטח המצע. לכן, הדפסה משכפלת ישירות תכונות בקנה מידה ננו על המצע. בטכניקה אחרת הנקראת דפוס, החותמת עצמה משמשת כעובש. כאן, החותמת נלחצת לפולימר לא נצנץ ואז נרפאת. ואז התבנית מקולפת כדי לחשוף את התבנית מהחותמת. בדומה להדפסה, עיצוב גורם גם לשכפול ישיר של תכונות בקנה מידה ננו אל המצע. בטכניקה השלישית, הנקראת ליטוגרפיה של קצה פאזה, ראשית, המצע מצופה בחומר הפוטורסיסטי. לאחר מכן החותמת מונחת על המצע המצולף והאור מוצג דרך החותמת. התוצאה היא הקצוות של התכונות מועברות לסרט של פוטורסיסט כפי שנצפה בטכניקות ליטוגרפיה מסורתיות. בחתך מכני, A.K.A. nanoskiving, החותמת משמשת לעצב פרפולימר אפוקסי לא נצבר, כמו בעיצוב. זה preפולימר יצוק נרפא אשר לאחר מכן מצופה בסרט דק של חומר של בחירה, למשל, זהב. סרט זה מוטבע לאחר מכן אפוקסי יותר נרפא לאחר מכן הוא חתך באמצעות ultramicrotome כדי ליצור לוח של אפוקסי עם התבנית. לבסוף, בליהוק, פולימר נשפך לתוך עובש מאסטר כדי להפוך את בול. לאחר מכן ניתן להכות אותו עבור מכניסות ושקעים וקשר למצע. בסעיף הבא, אנו בודקים את הפרוטוקול לייצור מכשיר מיקרופלואידי פשוט.</div><div class="chapter_text" id="script_2">ראשית, להכין את התבנית הראשית באמצעות טכניקות ליטוגרפיה מסורתיות. לקבלת פרטי פרוטוקול, עיין בסרטון וידאו קודם באוסף זה. תבנית האב מפוברקת בדרך כלל על מצע סיליקון. כדי לפברק את החותמת, ראשית להכין תערובת של כ 25 גרם של PDMS וסוכן ריפוי ביחס של 10:1. ואז degas התערובת כדי להסיר את כל בועות אוויר. לאחר מכן, מניחים את התבנית הראשית במיכל שטוח ויוצקים עליה את תערובת PDMS המנוגת. עכשיו לאפות את PDMS ב 60 מעלות צלזיוס במשך כשעה, ואחריו התקררות טבעית של התנור לטמפרטורת החדר במשך שעה נוספת. לאחר מכן, חותכים את PDMS את התבנית ומניחים אותו עם צד התבנית למעלה כדי למנוע זיהום. ואז לחתוך את הדפוסים הבודדים. תנקב את כל הכניסות והשקעים באמצעות ניקוב חורים דרמטולוגי בגודל הנכון כדי לאפשר זרימת נוזלים לתוך המכשיר ומחוצה לו. לאחר מכן הניחו את מכשיר ה-PDMS בחומר ניקוי פלזמה של חמצן וטיפלו בו במשך כדקה. דבקו יחד בשתי השכבות של ההתקן ויישרו את דוגמת המילוי מתחת למיקרוסקופ. לבסוף, קשרו את המכשיר שהושלם למצע באמצעות PDMS ואופים אותו כדי לרפא. לפני השימוש, לבדוק את כל דליפות על ידי הזרמת מים דרך הערוצים microfluidic.</div><div class="chapter_text" id="script_3">ליטוגרפיה רכה מצאה יישום בתחומים החל מניתוח מולקולרי ועד אבחון קליני ופיתוח תרופות. בואו נסתכל על כמה מהדוגמאות האלה. טכניקה זו יכולה לשמש ליצירת מבנים לא קונבנציונליים כמו מיקרופוסטים גמישים ליצירת פרופילי מיכנו של תאים בודדים. פרופילי מכאנו מתייחסים לחקר הפרמטרים המכניים כמו כוחות המופעלים על ידי מיקרואורגניזמים על סביבתם. לאחר המיקרופוסטים מפוברקים, תאים מתורבתים מורשים לגדול עליהם. התוצאה היא כיפוף העמודים הגמישים הקטנים, אשר לאחר מכן ניתן למדוד על מנת לחשב את הכוחות המופעלים על ידי סוגים שונים של תאים. ניתן להשתמש במערכות רב שכבתיות ורב-פלוידיות כדי לחקור ולהבין את ההשפעות של מיקרו-סביבה שונה על תאי יונקים. מערכות אלה מיוצרות על ידי יצירת כל שכבת PDMS בודדת באמצעות תבניות אב שונות. לאחר מכן יציקות PDMS השונות מנוקות, מיושרות ומשכבות זו על גבי זו ואפויות. השכבות המרובות של התקן PDMS מאפשרות הפרדה יעילה של הנוזל מהתאים באמצעות קרום PDMS חצי-אמין. התקנה זו מאפשרת לחוקרים לחקור ולאפיין את ההשפעות של מיקרו-סביבה חדשה על התאים על ידי מתן אפשרות לכמויות מבוקרות של נוזלים, כמו חמצן או מדיה חדשה, לפזר משכבת נוזל הבדיקה העליונה לתאי היונקים בערוץ המיקרופלואידי התחתון.</div><div class="chapter_text" id="script_4">הרגע צפית בסרטון של ג'וב על ליטוגרפיה רכה. כאן, דנו בטכניקות הליבה של ליטוגרפיה רכה יחד עם הפרוטוקול המפורט של ייצור מכשיר מיקרופלואידי PDMS כדוגמה. תודה שצפיתם.</div>

ליטוגרפיה רכה

התקני BioMEM רבים, כגון ערוצים מיקרופלואידיים, מפוברקים בטכניקת הליתוגרפיה הרכה. כאן, תבנית מיקרו-קשקשית משוכפלת על ידי ריפוי פולימר אלסטומרי מעל המבנה התלת-ממדי. מבנים פולימריים אלה משמשים לאחר מכן ליצירת מגוון רחב של מכשירים, החל מערוצים מיקרופלואידיים ליישומי רגישות ביולוגית ועד ביו-רה-קטרים זעירים להדמיה של מיקרו-מושבות.
וידאו זה מציג פוטוליתוגרפיה ומדגים את הטכניקה במעבדה. לאחר מכן, נבדקים כמה יישומים של הטכניקה וכיצד המבנים משמשים בתחום הביו-הנדסה.

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

ליתוגרפיה רכה היא קבוצה של תהליכי ייצור מהירים, פשוטים וזולים ששימשו בהצלחה לעיצוב הערוצים המורכבים של מערכות מיקרופלואידיות. בתעשיית האלקטרוניקה, ליתוגרפיה מתייחסת לתהליך של מיקרו-ייצור באמצעות פולימרים קלים ורגישים לאור כדי לעצב חלקים של סרט דק או עיקר המצע. המונח ליתוגרפיה רכה מתייחס לשימוש בחומרים אלסטומריים רכים כמו פולידימתילסילוקסן או PDMS לביצוע טכניקות אלה. בסרטון זה, נדגים את הסוגים השונים של טכניקות ליתוגרפיה רכה ואחריה פרוטוקול המדגים ייצור של מכשיר מיקרופלואידי. לבסוף, נראה כיצד חוקרים בתחומים שונים משתמשים בליתוגרפיה רכה לטובתם. ראשית, בואו נסקור את טכניקות הליתוגרפיה הרכה הנפוצות ביותר. השלב הראשון בכל הטכניקות הללו הוא ייצור תבנית המאסטר. זה נעשה באמצעות פוטוליתוגרפיה מסורתית המשתמשת באור ובחומר רגיש לאור הנקרא פוטו-רזיסט כדי ליצור את התבנית הרצויה על מצע כמו סיליקון. כדי ללמוד על פוטוליתוגרפיה בפירוט, אנא ראה סרטון קודם באוסף Jove זה. השלב השני הוא יציקת אלסטומר על תבנית המאסטר הזו ולאחר מכן ריפוי שלה. כך נוצרת החותמת האלסטומרית הגמישה הנושאת את תווי התבליט המשמשת בדרכים שונות בטכניקות הליתוגרפיה הרכה השונות. אופני ההעברה העיקריים באמצעות החותמת היצוקה הם הדפסה, יציקה, ליתוגרפיה אופטית של משמרת פאזה, חתך מכני ויציקה. בהדפסה, החותמת מצופה תחילה בדיו הניתן להעברה כמו אוקטדקנתיול או ODT אשר מונח לאחר מכן על המצע, כמו זהב. כאשר מסירים את החותמת, רק הדיו ממשטח החותמת המוגבה מוטבע על משטח המצע. לפיכך, הדפסה משכפלת ישירות תכונות בקנה מידה ננומטרי על המצע. בטכניקה אחרת הנקראת יציקה, החותמת עצמה משמשת כתבנית. כאן, החותמת נלחצת לפולימר לא נרפא ואז נרפאת. ואז מקלפים את התבנית כדי לחשוף את התבנית מהחותמת. בדומה להדפסה, דפוס מביא גם לשכפול ישיר של תכונות בקנה מידה ננומטרי על המצע. בטכניקה השלישית, הנקראת ליתוגרפיה של קצה הזזת פאזה, ראשית, המצע מצופה בחומר הפוטו-רזיסט. לאחר מכן מניחים את החותמת על המצע המצופה ואור מוצג דרך החותמת. התוצאה היא שקצוות התכונות מועברים לסרט הפוטו-רזיסט כפי שנצפה בטכניקות ליתוגרפיה מסורתיות. בחתך מכני, הידוע גם בשם ננו-סקיבינג, החותמת משמשת ליציקה של פרה-פולימר אפוקסי לא מעובד, כמו ביציקה. פרה-פולימר יצוק זה נרפא ולאחר מכן מצופה בסרט דק של חומר לבחירה, למשל, זהב. לאחר מכן סרט זה מוטבע באפוקסי נוסף ונרפא ולאחר מכן הוא נחתך באמצעות אולטרה-מיקרוטום ליצירת לוח אפוקסי עם התבנית. לבסוף, ביציקה, יוצקים פולימר לתבנית מאסטר ליצירת חותמת. לאחר מכן ניתן לנקב אותו לכניסות ויציאות ולהדביק אותו למצע. בסעיף הבא, אנו סוקרים את הפרוטוקול לייצור מכשיר מיקרופלואידית פשוט. ראשית, הכינו את תבנית המאסטר באמצעות טכניקות ליתוגרפיה מסורתיות. לפרטי הפרוטוקול עיין בסרטון קודם באוסף זה. תבנית המאסטר מיוצרת בדרך כלל על מצע סיליקון. כדי לייצר את החותמת, הכינו תחילה תערובת של כ -25 גרם PDMS וחומר ריפוי ביחס של 10: 1. לאחר מכן הסר את התערובת כדי להסיר בועות אוויר. לאחר מכן, הניחו את תבנית המאסטר בכלי בעל בסיס שטוח ושפכו עליה את תערובת ה-PDMS נטולת הגז. כעת אופים את ה-PDMS בחום של 60 מעלות צלזיוס למשך כשעה, ולאחר מכן קירור טבעי של התנור לטמפרטורת החדר למשך שעה נוספת. לאחר מכן, חתכו את ה-PDMS מהתבנית והניחו אותה כשצד התבנית כלפי מעלה כדי למנוע זיהום. ואז גזרו את הדפוסים האישיים. נקב את כל הכניסות והיציאות באמצעות מנקב חורים דרמטולוגי בגודל הנכון כדי לאפשר זרימת נוזלים לתוך המכשיר והחוצה ממנו. לאחר מכן הכנס את מכשיר ה-PDMS לתוך מנקה פלזמה חמצן וטפל בו במשך כדקה. הדביקו את שתי שכבות המכשיר יחד ויישרו את התבנית תחת מיקרוסקופ. לבסוף, הצמידו את המכשיר שהושלם למצע באמצעות PDMS ואפו אותו לריפוי. לפני השימוש, בדוק אם יש נזילות על ידי הזרמת מים דרך התעלות המיקרופלואידיות. ליתוגרפיה רכה מצאה יישום בתחומים החל מניתוח מולקולרי ועד אבחון קליני ופיתוח תרופות. בואו נסתכל על כמה מהדוגמאות הללו. ניתן להשתמש בטכניקה זו ליצירת מבנים לא קונבנציונליים כמו מיקרו-פוסטים גמישים לפרופיל מכני של תאים בודדים. פרופיל מכני מתייחס לחקר הפרמטרים המכניים כמו כוחות המופעלים על ידי מיקרואורגניזמים על סביבתם. לאחר ייצור המיקרו-פוסטים, מותר לתאים מתורבתים לצמוח עליהם. התוצאה היא כיפוף של העמודים הגמישים הקטנים, אותם ניתן למדוד על מנת לחשב את הכוחות המופעלים על ידי סוגי התאים השונים. ניתן להשתמש במערכות רב-שכבתיות ורב-נוזליות כדי לחקור ולהבין את ההשפעות של מיקרו-סביבות שונות על תאי יונקים. מערכות אלו מיוצרות על ידי ייצור כל שכבת PDMS בודדת באמצעות תבניות מאסטר שונות. לאחר מכן מנקים את יציקות ה-PDMS השונות, מיישרות אותן ומונחות זו על גבי זו ואופות. השכבות המרובות של מכשיר ה-PDMS מאפשרות הפרדה יעילה של הנוזל מהתאים באמצעות ממברנת PDMS חדירה למחצה. מערך זה מאפשר לחוקרים לחקור ולאפיין את ההשפעות של מיקרו-סביבות חדשות על התאים על ידי מתן אפשרות לכמויות מבוקרות של נוזלים, כמו חמצן או מדיה חדשה, להתפזר משכבת נוזל הבדיקה העליונה לתאי היונקים בתעלה המיקרופלואידית התחתונה. זה עתה צפיתם בסרטון של ג'וב על ליטוגרפיה רכה. כאן, דנו בטכניקות הליבה של ליתוגרפיה רכה יחד עם הפרוטוקול המפורט של ייצור מכשיר מיקרופלואידיקה PDMS כדוגמה. תודה שצפית.

Education

JoVE Science Education

Engineering

הנדסה

Bioengineering

הנדסה ביולוגית

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

photolithography-for-microfluidic-device-making

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...

electrochemical biosensing

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...

optical biosensing

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

This collection covers core bioengineering concepts, which include production of biomaterials, histotypic and whole organ tissue cultures, bioprocessing techniques, and the complex system-level fields of bioMEMs and biosensing.


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

Photolithography for Microfluidic Device Making

Description

Transcript

Tags