Name: ייצור והדמיה של גשרים נימיים בגיאומטריית חריץ נקבוביות (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-01-09T13:45:00.000+00:00
Duration: 11 min 20 s
Description: למדו לייצר ולצלם גשרים נימיים בגיאומטריית חריץ נקבוביות באמצעות עמודי PDMS ומיקרוסקופיה. שיטה זו מאפשרת חקר דינמיקת נוזלים ותופעות לחות מוגבלות במערכות ביופיזיקליות.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

המחברים אסירי תודה על תמיכתה של הקרן הלאומית למדע תחת גרנט לא. CMMI-00748094 ו- ONR N000141110629.

טקסט הפרוטוקול מחולק לשלושה חלקים עיקריים: 1) ייצור עמודי PDMS (polydimethylsiloxane), 2) הפונקציונליזציה של צמרות העמודים, ו -3) היווצרות ואפיון הגשרים הנימים.
1. ייצור עמודי PDMS
סעיף זה מפרט את הייצור של עמודי PDMS באמצעות יציקת למות עם תבנית סיליקון / SU-8.
<ol><li>
ייצור עובש סיליקון/SU-8
	<ol>
<li>מניחים 4 נקי בופל סיליקון בצלחת פטרי Pyrex.</li>
		<li>הכן 4:1 (לפי נפח) חומצה גופרתית מי חמצן (פיראנה) פתרון ב כיף נפרדת. הערה: יש צורך בזהירות רבה בהכנה ובשימוש בתמיסת הפיראנה. התגובה היא אקסותרמית מאוד וכפפות מבודדות יידרשו לטפל בכפפות. פיראנה מגיבה באלימות עם אורגנים. תן פתרון פיראנה להתקרר לטמפרטורת החדר לפני סילוק. רק להכין פתרון מספיק נדרש כדי להטביע את הוופל בצלחת.</li>
		<li>יוצקים תמיסת פיראנה לאט על רקיק הסיליקון עד שהוא שקוע לחלוטין. בואו נשב 15 דקות.</li>
		<li>מוציאים את הוופל מצלחת פטרי ושוטף תחת זרם של: מים deionized (DI) במשך 2 דקות, אתנול במשך 30 שניות, אצטון במשך 30 שניות, ואז מכה יבשה עם חנקן. הערה: אם שאריות מאצטון הן בעיה, מומלץ לשטוף עם IPA</li>
		<li>יבש את הוופל על צלחת חמה ב 150 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות.</li>
		<li>מוציאים מהצלחת החמה ומניחים להתקרר לטמפרטורת החדר.</li>
		<li>מעיל ספין SU-8 2002 על פני השטח של הוופל במשך 40 שניות ב 500 סל"ד.</li>
		<li>מעיל ספין SU-8 2050 על הוופל עם תוכנית מעיל ספין דו-שלבי. שלב 1: 40 שניות ב-500 סל"ד. שלב 2: דקה אחת ב-1,500 סל"ד.</li>
		<li>מוציאים את הוופל ממעיל הספין ומניחים על פלטה חמה מראש (65 מעלות צלזיוס) למשך 10 דקות.</li>
		<li>בואו להתקרר לטמפרטורת החדר, ולאחר מכן למקם מסכה מעל רקיק.</li>
		<li>מניחים תחת מנורה אולטרה סגולה ולחשוף במשך 30 שניות ב 200 וואט.</li>
		<li>מוציאים את המסכה ומניחים את הוופל על פלטה חמה מראש (95 מעלות צלזיוס) למשך 10 דקות.</li>
		<li>הנח בפתרון מפתחי SU-8 והתסיס קלות עד שכל SU-8 שלא נחשף יוסר. ואז לשטוף בזרם של אלכוהול איזופרופיל במשך 30 שניות, מכה יבשה עם חנקן.</li>
		<li>מניחים על פלטה חמה מראש (95 מעלות צלזיוס) במשך 30 דקות עבור hardbake הסופי.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
למות הליהוק של עמודי PDMS
	<ol>
<li>ערבבו במרץ יחס מסה של 10:1 בבסיס PDMS sylgard-184 לסוכן ריפוי בעגלה.</li>
		<li>דגה PDMS בתא ואקום עד שכל הבועות נעלמות.</li>
		<li>מניחים את התבנית מפוברק בסעיף 1.1 ב 4 גדול בצלחת שקילה פלסטיק ויוצקים את PDMS.</li>
		<li>מניחים את המנה עם PDMS ועובש בחזרה לתא ואקום. דגה שוב עד שכל הבועות ייעלמו.</li>
		<li>מניחים את כל המנה בתנור (שחומם מראש ל-75 מעלות צלזיוס) למשך שעתיים לפחות. אז תן מגניב לטמפרטורת החדר.</li>
		<li>חותכים את המנה מן PDMS, ואת PDMS מן רקיק סיליקון עם סכין גילוח ישר.</li>
		<li>חותכים את אזור PDMS עם העמודים מהתפזורת ולאחסן בצלחת פטרי נקייה.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. פונקציונליזציה של צמרות העמודים
תהליך תלת-שלבי זה כרוך תחילה בהתאדות של סרט זהב על רקיק סיליקון, ואחריו ליטוגרפיה של העברת חותם16 של סרט הזהב על עמודי PDMS (מפוברק בסעיף 1), ולבסוף פונקציונליזציה של סרט הזהב עם מונולאייר בהרכבה עצמית כדי להפוך אותו הידרופילי.
<ol><li>ייצור זהב על ופלים סיליקון עבור ליטוגרפיה העברת חותם 
	<ol>
<li>השתמש חותך זכוכית קוביות 4 בופל סיליקון עגול לתוך 4 חתיכות בגודל שווה. הערה: ניתן לנקות את הוופלים באמצעות שלבים 1.1.2-1.1.4 ולהשתמש בהם שימוש חוזר.</li>
		<li>לאדות 20 ננומטר של זהב ישירות על רקיק הסיליקון.</li>
		<li>השאירו את הוופל בתא האידוי (או במייבש) עד שסעיף 3 להלן יושלם. זה ישמור על הוופל נקי ככל האפשר.</li>
		<li>הכן 8 μl:20 מ"ל, (3-mercaptopropyl)-trimethoxysilane (MPTS) : פתרון טולואן בקבוקון זכוכית נקי.</li>
		<li>הכן 200 מל של 16 ממ חומצה הידרוכלורית (HCl) ב נקייה.</li>
		<li>שים את הוופל עם סרט זהב בכור הפלזמה.</li>
		<li>לנקות את הוופל באמצעות פלזמת חמצן בלחץ של 300 mTorr, כוח של 50 W במשך 10 דקות. הערה: עבור הליך זה נעשה שימוש בכור פלזמה ביתי.</li>
		<li>שים את הוופל בצלחת Pyrex פטרי מלא 200 אתנול הוכחה לפחות 10 דקות. הערה: שלב זה נעשה כדי להסיר את כל תחמוצות לא יציבות היוצרות על הזהב עקב פלזמת החמצן.</li>
		<li>לשטוף את הוופל עם אתנול, ואז מכה יבשה עם חנקן.</li>
		<li>ספין מעיל פתרון MPTS על הוופל ב 500 סל"ד במשך 30 שניות ואחריו 2,750 סל"ד במשך דקה אחת. הערה: MPTS משמש כשכבה הידבקות בין PDMS לבין שכבת זהב16.</li>
		<li>קח את הוופל של מעיל ספין ולשטוף תחת זרם של אתנול. לאחר מכן, לשטוף עם מים DI ולפוצץ יבש עם חנקן. הערה: יש לשטוף בעדינות כדי למנוע קילוף של שכבת הזהב מוופל הסיליקון.</li>
		<li>מניחים את הוופל לתוך צלחת Pyrex Petri המכילה מספיק פתרון HCl 16 mM כדי להטביע את הוופל באופן מלא. השאירו ב- HCl לפחות 5 דקות. הערה: מכניסים לתמיסה בעדינות כדי למנוע מהזהב להתקלף. הערה: פעולה זו נעשית כדי לשפר את ההידבקות בין PDMS לבין שכבת זהב16.</li>
		<li>הסר את הוופל מתמיסת HCl ולפוצץ יבש עם חנקן. הערה: יש להשתמש בופלים לא יותר מ- 15-20 דקות לאחר השלמת שלב זה.</li>
	</ol></li>
	<li>ליטוגרפיה של העברת הטבעה של הזהב מוופל לעמודי PDMS
	<ol>
<li>הכינו מגלשת זכוכית אחת בגודל 25 מ"מ x 75 מ"מ לכל דגימת PDMS על ידי שטיפתה באתנול, מי DI, וייבשו עם חנקן.</li>
		<li>מניחים עמודי PDMS לתוך תא פלזמה ולבצע פלזמת חמצן בלחץ של 300 mTorr וכוח של 50 W במשך 30 שניות. הערה: חשיפת יתר של ה-PDMS לפלזמת החמצן תגרום לפיצוח. להתאים את תנאי הפלזמה בהתאם.</li>
		<li>קשרו את החלק האחורי של מצעי PDMS לשקופיות הזכוכית הנקייה על-ידי הפעלת לחץ קל עליהם. שקופית הזכוכית מקלה על המניפולציות של עמודי PDMS וההרכבה במכשיר המתואר בשלב 3.</li>
		<li>הפוך את מצעי PDMS מגובים זכוכית ולחץ על העמודים כלפי מטה על סרטי זהב MPTS פונקציונלי (שלב 2.1). החל לחץ מתון בתחילה, ולאחר מכן לשים משקל (כ 100 גרם) על שקופית הזכוכית כדי להבטיח מגע קונפורמי.</li>
		<li>השאירו את המצע במגע עם רקיק הסיליקון לפחות 12 שעות.</li>
		<li>הפרד את מצע PDMS מהוופל. אם מצע PDMS תקוע, השתמש בסכין גילוח ישר כדי לחטט בזהירות בקצה ה- PDMS מהוופל.</li>
		<li>בשלב זה סרט זהב אחיד צריך להיות נוכח בחלק העליון של עמודי PDMS. השתמש במיקרוסקופ אופטי כדי לוודא שסרט הזהב אינו סדוק או שאין חלקים חסרים לאורך העמוד.</li>
	</ol></li>
	<li>פונקציונליזציה של הזהב בחלק העליון של עמודי PDMS
	<ol>
<li>הכינו מספיק חומצה מרקפטוקסדקאנואית (MHA) בדימתיל סולפוקסיד (DMSO) כדי להטביע את הזהב במלואו על עמודי ה-PDMS. הערה: DMSO משמש עבור גורם הנפיחות הנמוך שלה PDMS17.</li>
		<li>הנח את מצעי PDMS בפתרון MHA והשאיר אותם שם לפחות 24 שעות.</li>
		<li>הסר את המצע מתמיסת MHA ולשטוף עם מים DI, ולאחר מכן לפוצץ יבש עם חנקן.</li>
		<li>מניחים בתא ואקום (לחץ < 100 mTorr ב 25 מעלות צלזיוס) לפחות 12 שעות.</li>
	</ol></li>
</ol>הערה: כדי לוודא שתהליך הפונקציונליזציה הצליח, ניתן לבצע את שלב 2 על פיסת PDMS בתפזורת (ללא עמודים) וזווית ההרטבה יכולה להיבדק בגוניומטר. סרטי הזהב של MHA צריכים להיות מתקדמים ונסוגים זוויות מגע מים של <15 ° ו ~ 0 °, בהתאמה. 18 ,18
3. היווצרות ואפיון הגשרים הנימים
סעיף זה מפרט כיצד ניתן להציג גשר נוזלי בין שני מצעים ולאחר מכן את האפיון שלו באמצעות הדמיה בגבהים שונים ובנפחי נוזלים שונים.
<ol><li>באמצעות שני מצעים עמוד (עשה בשלבים 1-2), למקם אחד בחלק העליון ואחד במחזיקים התחתונים. אבטחו את המצעים באמצעות ברגים צדדיים. הערה: ראה איור 1 ותוצאות מייצגות לפרטי המכשיר.</li>
	<li>להרכיב את המכשיר על ידי הצמדת שלב המצע העליון ללוח הלחם כך המצע העליון הוא בערך מעל המצע התחתון. הקטן את הגובה בין שני העמודים הפונים לכ-1 מ"מ.</li>
	<li>יישור גס: באמצעות כפתורי x, y וסיבוב על שלב המצע התחתון ליישר (בעין) את רצועות הזהב עבור שני מצעים, כך שהם מקבילים (מסתכל למעלה למטה דרך המצע העליון).</li>
	<li>יישור עדין: מקם את המצלמה כדי להביט לאורך עמוד ה- PDMS. באמצעות הזנת המצלמה החיה על מסך המחשב, כוונן עוד יותר את מיקום המצע התחתון כך שהעמודים מקבילים.</li>
	<li>הזז את המצלמה לצד הנגדי של ההתקן וחזור על שלב 3.4.</li>
	<li>הקטן את ההפרדה בין שני העמודים עד שהעמוד העליון יוצר קשר עם העמוד התחתון (באמצעות הזנת מצלמה חיה). אפס שלב מיקרו דיגיטלי. זה יוגדר כגובה נקבובית של אפס.</li>
	<li>להגדיל את גובה הנקבוביות לכ 200 מיקרומטר.</li>
	<li>מכינים מזרק עם 1-5 מיקרול של גליצרול 80%, 20% פתרון מים. חבר מחט 30 G לסוף המזרק, לוודא שאין בועות אוויר להילכד בתוך המחט. הערה: תערובת המים/גליצרול משמשת להפחתת האידוי במהלך הניסוי. ניתן גם להעסיק מים.</li>
	<li>הר את המזרק לשלב תרגום xyz מזרק עם מהדק מכני.</li>
	<li>כוונן את המיקרומטרים על שלב מיקום המזרק כך שהמחט תתאים לנקבובית החריף (במקביל לאורך העמודים).</li>
	<li>להקטין את גובה הנקבובית חריץ כך המשטחים העליונים והתחתונים בעדינות ליצור קשר עם המחט. זה יוודא שהנוזל ייגע בשני המשטחים וייצור גשר נימי באופן ספונטני.</li>
	<li>מחלקים את הנוזל מהמזרק לנקבובית החריף באיטיות.</li>
	<li>השתמש micrometers על שלב מיקום המזרק כדי להסיר את המחט מן הנקבובית חריץ. הערה: בשלב זה, ניתן לגוון את גובה הנקבובית החתוך ואת הגשר הנוזלי. הערה: ניתן לנתח את התמונות באמצעות חבילת התוכנה בקוד פתוח ImageJ.</li>
</ol>

<ol><li>Broesch, D. J., Frechette, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+Concave+to+Convex%3A+Capillary+Bridges+in+Slit+Pore+Geometry%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">From Concave to Convex: Capillary Bridges in Slit Pore Geometry.</a> Langmuir. 28, 15548-15554 (2012).</li>
<li>Orr, F. M., Scriven, L. E., Rivas, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pendular+rings+between+solids+-+meniscus+properties+and+capillary+force%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Pendular rings between solids - meniscus properties and capillary force.</a> J. Fluid Mech. 67, 723-742 (1975).</li>
<li>Rose, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Volumes+and+surface+areas+of+pendular+rings%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Volumes and surface areas of pendular rings.</a> J. Appl. Phys. 29, 687-691 (1958).</li>
<li>Erle, M. A., Dyson, D. C., Morrow, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Liquid+bridges+between+cylinders%2C+in+a+torus%2C+and+between+spheres%5BTitle%5D)+AND+%22Aiche+J%22%5BJournal%5D)">Liquid bridges between cylinders, in a torus, and between spheres.</a> Aiche J. 17, 115-121 (1971).</li>
<li>Lambert, P., Chau, A., Delchambre, A., Regnier, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+between+two+capillary+forces+models%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Comparison between two capillary forces models.</a> Langmuir. 24, 3157-3163 (2008).</li>
<li>Mason, G., Clark, W. C. Liquid Bridges Between Spheres. Chem. Eng. Sci. 20, 859-866 (1965).</li>
<li>De Souza, E. J., Brinkmann, M., Mohrdieck, C., Arzt, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhancement+of+capillary+forces+by+multiple+liquid+bridges%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Enhancement of capillary forces by multiple liquid bridges.</a> Langmuir. 24, 8813-8820 (2008).</li>
<li>Hornbaker, D. J., Albert, R., Albert, I., Barabasi, A. L., Schiffer, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((What+keeps+sandcastles+standing%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">What keeps sandcastles standing.</a> Nature. 387, 765-765 (1997).</li>
<li>Scheel, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Morphological+clues+to+wet+granular+pile+stability%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Morphological clues to wet granular pile stability.</a> Nat. Mater. 7, 189-193 (2008).</li>
<li>Mastrangeli, M., Ruythooren, W., Celis, J. -P., Van Hoof, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Challenges+for+Capillary+Self-Assembly+of+Microsystems%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+T.+Compon.+Pack%22%5BJournal%5D)">Challenges for Capillary Self-Assembly of Microsystems.</a> IEEE T. Compon. Pack. 1, 133-149 (2011).</li>
<li>Josell, D., Wallace, W. E., Warren, J. A., Wheeler, D., Powell, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Misaligned+flip-chip+solder+joints%3A+Prediction+and+experimental+determination+of+force-displacement+curves%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electron.+Pack%22%5BJournal%5D)">Misaligned flip-chip solder joints: Prediction and experimental determination of force-displacement curves.</a> J. Electron. Pack. 124, 227-233 (2002).</li>
<li>Lin, W., Patra, S. K., Lee, Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+of+Solder+Joints+for+Self-Aligned+Optoelectronic+Assemblies%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+T.+Compon.+Pack.+B%22%5BJournal%5D)">Design of Solder Joints for Self-Aligned Optoelectronic Assemblies.</a> IEEE T. Compon. Pack. B. 18, 543-551 (1995).</li>
<li>Berthier, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Capillary+self-alignment+of+polygonal+chips%3A+a+generalization+for+the+shift-restoring+force%5BTitle%5D)+AND+%22Microfluid.+Nanofluid%22%5BJournal%5D)">Capillary self-alignment of polygonal chips: a generalization for the shift-restoring force.</a> Microfluid. Nanofluid. 14, 845-858 (2013).</li>
<li>Lambert, P., Mastrangeli, M., Valsamis, J. B., Degrez, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectral+analysis+and+experimental+study+of+lateral+capillary+dynamics+for+flip-chip+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Microfluid.+Nanofluid%22%5BJournal%5D)">Spectral analysis and experimental study of lateral capillary dynamics for flip-chip applications.</a> Microfluid. Nanofluid. 9, 797-807 (2010).</li>
<li>Mastrangeli, M., Valsamis, J. B., Van Hoof, C., Celis, J. P., Lambert, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lateral+capillary+forces+of+cylindrical+fluid+menisci%3A+a+comprehensive+quasi-static+study%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Micromech.+Microeng%22%5BJournal%5D)">Lateral capillary forces of cylindrical fluid menisci: a comprehensive quasi-static study.</a> J. Micromech. Microeng. 20, 10-1088 (2010).</li>
<li>Childs, W. R., Nuzzo, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-area+patterning+of+coinage-metal+thin+films+using+decal+transfer+lithography%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Large-area patterning of coinage-metal thin films using decal transfer lithography.</a> Langmuir. 21, 195-202 (2005).</li>
<li>Lee, J. N., Park, C., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solvent+compatibility+of+poly%28dimethylsiloxane%29-based+microfluidic+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Solvent compatibility of poly(dimethylsiloxane)-based microfluidic devices.</a> Anal. Chem. 75, 6544-6554 (2003).</li>
<li>Olivier, G. K., Shin, D., Gilbert, J. B., Monzon, L. A. A., Frechette, J. Supramolecular Ion-Pair Interactions To Control Monolayer Assembly. Langmuir. 25, 2159-2165 (2009).</li>
<li>Ferraro, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Morphological+Transitions+of+Droplets+Wetting+Rectangular+Domains%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Morphological Transitions of Droplets Wetting Rectangular Domains.</a> Langmuir. 28, 13919-13923 (1021).</li>
</ol>

לסופרים אין מה לחשוף.

השיטה המוצגת כאן מספקת דרך ליצור גשרים נימיים בגיאומטריית נקבוביות חתוכה, וגם שיטה להדמיית גשרים אלה כך שניתן יהיה לנתח את המורפולוגיה שלהם ולהשוות אותם לסימולציה ולתיאוריה.
שיטה זו משלבת הקלה פיזית, כמו גם דפוס כימי סלקטיבי כדי ליצור תכונות הרטבה אסימטרית. אם קיימת רק הטרוגניות כימית, טיפה נוזלית תישאר מוצמדת להטרוגניות עד שזווית המגע תעלה על זו של האזור הפחות רטוב (אנרגיית פני השטח התחתונה). כאשר PDMS הוא האזור של אנרגיית פני השטח הנמוכה יותר, זוויות המגע המקסימליות ברות השגה בגבול ההידרופיל...

המחקר של הצורה ואת הכוחות וכתוצאה מכך הנגרמת על ידי גשרים נימי כבר הנושא של מחקרים נרחבים2-7. בתחילה התמקדו רוב המאמצים, בשל פשטותם, בגשרים נימיים ציריים. גשרים נימיים המתרחשים לעתים קרובות במערכות טבעיות, כגון אלה הנמצאים במדיה פרטנית ונקבובית8,9 וגשרים המועסקים ביישומים טכנולוגיים, כגון הרכבה עצמית נימי בטכנולוגיות שבב פליפ10-15 הם אסימטריים עם תכונות הרטבה לא יוניפורמיות על משטחי האינטראקציה. השילוב של טכניקות ליתוגרפיה משופרות יחד עם הנגישות של כלים מספריים פשוטים למודל ממשקי נוזלים מאפשר יצירה ומידול של גשרים נימיים עם מורכבות גוברת.
גשרים נימיים בגיאומטריה של חריץ-נקבוביות מציעים פשרה מעניינת: תכונות ההרטבה הכיווניות מובילות לגשרים לא ציריים השומרים על כמה מישורי סימטריה (מה שמפשט את הניתוח). הם נחקרו באופן תיאורטי ומספרי כמקרה מבחן למדיה נקבובית. עם זאת, מחקרים ניסיוניים שיטתיים של גשרים נימיים בגיאומטריה של חריץ-נקבוביות היו מוגבלים. כאן אנו מציגים שיטה ליצור ולאפיין גשרים נימיים בגיאומטריה נקבובית חתוכה. בקצרה, השיטה מורכבת 1) ייצור של עמודים כדי ליצור הטרוגניות כימית ופיזית, 2) העיצוב של microstage ליישר ולתפעל את הגשרים, ו 3) הדמיה של הגשרים נימי או מלפנים או הצדדים לאפיין את המורפולוגיה שלהם. האפיון של מורפולוגיה הגשר, יחד עם השוואות סימולציות מתפתח פני השטח מסופקים בפרסום נפרד1.

<table><tbody><tr><td>99.999% חוטי זהב</td><td>קורט ג'יי לסקר</td><td>EVMAU40040</td><td></td></tr><tr><td>אצטון</td><td>Pharmco-AAPER</td><td>C1107283</td><td></td></tr><tr><td>דימתיל סולפוקסיד</td><td>פישר</td><td>D128-500</td><td></td></tr><tr><td>אתנול (200 הוכחה)</td> <td>Pharmco-AAPER</td><td>111000200</td><td></td></tr><tr><td>חומצה הידרוכלורית</td><td>EMD</td><td>HX0603-4</td><td></td></tr><tr><td>מי חמצן (30%)</td> <td>EMD</td><td>HX0635-3</td><td></td></tr><tr><td>איזופרופיל אלכוהול</td><td>פישר</td><td>L-13597</td><td></td></tr><tr><td>חומצה הקסדקנואית מרקפטו (90%)</td><td>סיגמא-אולדריץ'</td><td>448303-1G</td><td></td></tr><tr><td>מרקפטו-פרופיל-טרימתוקסי-סילאן (MPTS)</td><td>ג'לסט</td><td>Sim6476-O-100GM</td><td></td></tr><tr><td>מילי-Q DI מים</td><td>Millipore</td><td>Milli-Q</td><td></td></tr><tr><td>חנקן (גז)</td><td>Airgas</td><td>UN1066</td><td></td></tr><tr><td>חמצן (גז)</td><td>Airgas</td><td>UN1072</td><td></td></tr><tr><td>פרוסות סיליקון (4 אינץ')</td><td>WRS Materials</td><td>CC8506</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 2002 (התנגדות לאור שליל)</td><td>MicroChem</td><td>SU82002</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 2050 (התנגדות לאור שלילית)</td><td>MicroChem</td><td>SU82050</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 פתרון מפתח</td><td>MicroChem</td><td>Y020100 4000L1PE</td><td></td></tr><tr><td>חומצה גופרתית</td><td>ג'יי טי בייקר</td><td>9681-03</td><td></td></tr><tr><td>פולי דימטי סולפוקסיד (PDMS)</td><td>דאו קורנינג</td><td>סילגארד -184</td><td></td></tr><tr><td>טולואן</td><td>אומניסולב</td><td>TX0737-1</td><td> <עמ>< עמ'> </td></tr></tbody></table>

ייצור והדמיה של גשרים נימיים בגיאומטריית חריץ נקבוביות

Fabrication and Visualization of Capillary Bridges in Slit Pore Geometry

מוצג הליך ליצירה והדמיה של גשרים נימיים בגיאומטריה של חריץ-נקבוביות. עמודים הידרופוביים יחס גובה-רוחב גבוה מפוברקים ותפקודיים כדי להפוך את המשטחים העליונים שלהם הידרופיליים. השילוב של תכונה פיזית (העמוד) עם גבול כימי (הסרט ההידרופילי בחלק העליון של העמוד) מספק הן הטרוגניות פיזית והן הטרוגניות כימית המצמידה את קו המגע המשולש, תכונה הכרחית ליצירת גשרים נימיים ארוכים אך צרים ויציבים. המצעים עם העמודים מחוברים למגלשות זכוכית ומאובטחים למחזיקים מותאמים אישית. לאחר מכן, המחזיקים מותקנים על ארבעה מיקרו-tages צירים וממוקמים כך שהעמודים מקבילים זה לזה. הגשרים הנימים נוצרים על ידי החדרת נוזל בפער בין שני המצעים לאחר שההפרדה בין העמודים הפונים צומצמה לכמה מאות מיקרומטרים. לאחר מכן, המיקרו-במה המותאמת אישית משמשת לשינוי גובה הגשר הנימי. מצלמת CCD ממוקמת כדי לדמות את האורך או את רוחב הגשר נימי כדי לאפיין את המורפולוגיה של ממשק הנוזל. עמודים ברוחב של עד 250 מיקרומטר ואורכים של עד 70 מ"מ היו מפוברקים בשיטה זו, מה שהוביל לגשרים נימיים עם יחסי גובה-רוחב (אורך/רוחב) של מעל 1001.

תיאור ההתקן הניסיוני
ניתן לחלק את המכשיר הניסיוני לארבעה חלקים עיקריים: 1) שלב המצע העליון, 2) שלב המצע התחתון, 3) שלב המזרק/ מזרק xyz-translation ו-4) המצלמה/אופטיקה ומחזיק המצלמה. הפרטים של כל אחד מהתווים הבאים:
<ol><li>
שלב המצע העליון. שלב תרגום דיגיטלי מצורף למהדק הרכבה מסדרת P באמצעות פיסת מחבר במכונה מותאמת אישית. מהדק ההרכבה מחובר ל- P-post בגובה משתנה, המעוגן ללוח לחם באמצעות מזלג הידוק מסדרת P. פיסת חיבור מותאמת אישית מתחברת למחזיק שקופית זכוכית במכונה מותאמת אישית ...

מוצג הליך ליצירה והדמיה של גשרים נימיים בגיאומטריה של חריץ-נקבוביות. יצירת גשרים נימיים מסתמכת על היווצרות עמודים כדי לספק הטרוגניות פיזית וכימית כיוונית להצמיד את הנוזל. גשרים נימיים נוצרים ומתומרנים באמצעות מיקרו-במה ומדמיינים באמצעות מצלמת CCD.

A procedure for creating and imaging capillary bridges in slit-pore geometry is presented. High aspect ratio hydrophobic pillars are fabricated and ...

המטרה הכללית של פרוצדורה זו היא להקים ולדמיין גשרי נימיות (capillary bridges) בגיאומטריה של חריץ צר. דבר זה מושג תחילה על ידי יצירת תשתיות של עמודי PDMS מוגבהים וארוכים באמצעות תבניות פוטוליתוגרפיות סטנדרטיות. השלב השני הוא פונקציונליזציה של חלקם העליון של העמודים כדי להשריש ניגודיות רטיבות בין החלק העליון לדפנות, וזאת באמצעות ליתוגרפיית העברה בהטבעה (imprint transfer lithography) ושכבות מונומולקולריות בסימטריה עצמית (self-assembled monolayers).בשלב הבא, שני העמודים ממוקמים זה מול זה במכשיר מיקרו-במה בעל ארבעה צירים. דרגות החופש התרגומיות והסיבוביות מאפשרות לחוקר ליישם יישור מדויק של שני העמודים הפונים זה אל זה ולשלוט במרחק ההפרדה ביניהם במהלך הניסוי. השלב הסופי הוא הזרקת נוזל בין שני העמודים המורמים ודימוג של גשר הנימי המתקבל באמצעות מצלמת CCD.כיוון שגובה מזיגת החריץ השתנה, בסופו של דבר, נעשה שימוש בשינוי המורפולוגיה של גשר הנוזל ככל שגובה מזיגת החריץ עולה, כדי להראות כי לחץ הלפלאס (Laplace pressure) של גשר הנוזל משנה את סימנו מאטרקטיבי (מושך) לרפולסיבי (דוחה) עם הגברת גובה מזיגת החריץ. למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנות להבנת המאפיינים של תופעת רטיבות עם עיגון חלקי (partially pinned wetting), ניתן ליישמה גם בבעיות כגון תכנון שבבים מסוג flip chip, הפקת נפט מחומרים נקבוביים והדבקה בהשראת הביולוגיה.לפני תחילת הליך זה, נקו פרוסת סיליקון בגודל ארבעה אינצ'ים עם תמיסת piha, ולאחר מכן בצעו Spinco של SU eight 2002 על פני השטח למשך 40 שניות במהירות של 500 RPM. לאחר מכן, בצעו Spinco של SU 8 20 50 על הפרוסה באמצעות תוכנית Spin coder דו-שלבית למשך 40 שניות במהירות של 500 RPM, ולאחריה דקה אחת במהירות של 1500 RPM. לאחר ייבוש הפרוסה שעברה ציפוי סבב (spin coated), הניחו עליה מסכת שקיפות, ולאחר מכן הניחו אותה תחת מנורת ultraviolet וחשפו אותה למשך 30 שניות בהספק של 200 watts.לאחר ייבוש הפרוסה על פלטה חמה בטמפרטורה של 95 °C, הנח אותה בתמיסת מפתח של SU-8 ונער קלות עד להסרה מלאה של כל ה-SU-8 שלא נחשף. לאחר מכן, שטוף את הפרוסה בזרם של isopropyl alcohol למשך 30 שניות ויבש אותה באמצעות נשיפת חנקן. בשלב זה, ערבב בעוצמה בכלי זכוכית יחס מסה של 10 ל-1 בין PDMS (סוג 180 base) לבין חומר המקשה, באמצעות מקל ערבוב חד-פעמי. בצע דגזציה ל-PDMS בתא ואקום עד להסרה מלאה של כל בועות האוויר.לאחר הנחת התבנית המיוצרת ב-SU eight בתוך צלחת ונג פלסטיק גדולה בקוטר ארבעה אינצ'ים, שפכו עליה את תערובת ה-PDMS. לאחר הוצאת הגזים מהתבנית ומתערובת ה-PDMS, הניחו את הצלחת כולה בתנור בטמפרטורה של 75 degrees Celsius למשך שעתיים לפחות. לאחר שהמדגם התקרר לטמפרטורת החדר, חתכו את הצלחת מה-PDMS ואת ה-PDMS מהסיליקון באמצעות להב תער.לאחר מכן, גזרו מהגוש את אזור ה-PDMS עם העמודים ואחסנו אותו בצלחת פטרי נקייה. לאחר אידוי של 20 nanometers של זהב ישירות על גבי פרוסת סיליקון נקייה, הניחו אותה בתוך ריאקטור פלסמה ונקו אותה באמצעות פלסמת חמצן בלחץ של 300 milour ובהספק של 50 watts למשך 10 דקות. עם הסתיים התהליך, הניחו את הפרוסה בצלחת פטרי מפיירקס מלאה באתנול בריכוז 200 proof למשך 10 דקות לפחות.לאחר הוצאת הפרוסה מהצלחת, שטפו אותה באתנול וייבשו אותה בהנשפת חנקן. לאחר מכן, בצעו ציפוי ספין (spin coat) של תמיסת MPTS בטולואן שהוכנה מראש על הפרוסה במהירות של 500 RPM למשך 30 שניות, ולאחר מכן במהירות של 2,750 RPM למשך דקה אחת. לאחר שטיפה וייבוש של הפרוסה, הניחו אותה בתוך צלחת פטרי מפיירקס המכילה תמיסת חומצה כלורית בריכוז 16 millimolar בכמות המספיקה לטבילה מלאה של הפרוסה.לאחר חמש דקות לפחות של טבילה, הוצא את הפרוסה מהתמיסה וייבש אותה באמצעות נשיפת חנקן. לאחר מכן, הנח את עמודי ה-PDMS לתא הפלזמה ובצע פלזמת חמצן בלחץ של 300 milior ובהספק של 50 watts למשך 30 שניות. לאחר הוצאת מצעי ה-PDMS ממגיש הפלזמה, הצמד את גבם של כל אחד מהם לפסיידת זכוכית נקייה על ידי הפעלת לחץ קל עליהם.הפוך את תשבתי ה-PDMS בעלות הגב הזכוכית והלחץ את העמודים מטה אל מול סרטי הזהב שעברו פונקציונליזציה של MPTS. לאחר הפעלת לחץ מתון, הנח משקולת של כ-100 גרם על שקופית הזכוכית כדי להבטיח מגע קונפורמי. לאחר לפחות 12 שעות, הפרד כל תשבית PDMS מהפרוסה באמצעות להב תער. במידה ותשבית ה-PDMS דבוקה, השתמש במיקרוסקופ אופטי כדי לוודא שסרט הזהב אינו סדוק ושאין חלקים חסרים לאורך העמוד.בשלב הבא, טבלו את תשתית ה-PDMS בתמיסת MHA ב-dimethyl sulfoxide בריכוז מילימולרי שהוכנה מראש, למשך 24 שעות לפחות. לאחר שטיפה במים דה-יוניים וייבוש, הניחו את תשתית ה-PDMS בתא ואקום בלחץ של פחות מ-100 mTor בטמפרטורה של 25 °C למשך 12 שעות לפחות, תוך שימוש בשתי תשתיות עמודים.הנח אחת במחזיק העליון ואחת במחזיק התחתון של מכלול מיקרו-במה בעלת ארבעה צירים. הדק את התשמיות באמצעות ברגי מתיחה צדדיים. בנקודה זו, הרכב את ההתקן על ידי חיבור במת התשמית העליונה ללוח הבדיקה (breadboard), כך שהתשמית העליונה תהיה בקירוב מעל התשמית התחתונה.הקטינו את המרווח בין שני העמודים הניצבים לכ-1 מילימטר באמצעות גלגלות ה-x, ה-y והסיבוב. בבמה התחתונה של התשתית, יישרו את פסי הזהב של שתי התשתיות כך שיהיו מקבילים.לאחר מכן, מקמו את המצלמה כך שתסתכל לאורך עמוד ה-PDMS באמצעות תצוגת המצלמה החיה על מסך המחשב, ובנוסף, כווןנו את מיקום המצע התחתון כך שהעמודים יהיו מקבילים. לאחר מכן, העבירו את המצלמה לצדו השני של המכשיר וחזרו על שני השלבים הקודמים. באמצעות תצוגת המצלמה החיה, צמצמו את המרחק בין שני העמודים עד שהעמוד העליון יבוא במגע עם העמוד התחתון.לאחר מכן, אפס את המיקרו-במה הדיגיטלית והעלה את גובה הנקב לכ-200 micrometers. התקן מזרק המכיל תמיסת גליצרין במים בריכוז 80% לבמת התרגום XY, Z של המזרק באמצעות התסמיך המכני. לאחר מכן, כוון את המיקרומטרים בבמת מיקום המזרק כך שהמחט בכילייב 30 תיכנס לתוך חריץ הנקב.הפחית את גובה מזיגת החריץ כך שהמשטחים העליון והתחתון יבואו במגע עדין עם המחט לאחר מזיגה איטית של הנוזל מהמזרק אל תוך חריץ המזיגה. השתמש במיקרומטרים שעל במת מיקום המזרק כדי להוציא את המחט מחריץ המזיגה. ניתן לחלק את המכשיר הניסיוני לארבעה חלקים עיקריים.במת stage של המצע העליון, במת stage של המצע התחתון, מזרק, במת תרגום XY ו-Z, והאופטיקה של המצלמה ותומך המצלמה. ראו את הפרוטוקול הטקסטואלי לפרטים על המכשיר הניסויי. בהעברת הזהב למצע ה-PDMS, חשוב להפריד את התקן ה-PDMS מסיליקון ה-wafer. באופן חלק וזהיר מוצגת כאן תמונת מיקרוסקופ של עמוד PDMS עם זהב לאחר העברה מוצלחת.כאן מוצגת תמונה המראה שאריות של רדיד זהב מהפרוסה שהועברו לעמודה עקב העברה לא תקינה. כדי להקל על העברת שכבת הזהב, ניתן להשתמש בסכין גילוח חדה כדי להרים בעדינות את אחד מקצוות עמודת ה-PDMS מהפרוסת הסיליקון. בנוסף, יש למשוך את תשתית ה-PDMS בכיוון ניצב לפני השטח של הפרוסה כדי למנוע הידבקות של רדיד זהב נוסף לקצה התשתית.כאן מוצגת תמונה המראה כיצד עלולים להיווצר סדקים בשכבת הזהב לאחר ההעברה, אם תתמוצע גזירה או כיפוף משמעותי של תשת PDMS. עם סיום תהליך הייצור, חשוב לאמת את איכות השכבה האحادית של MHA על ידי בדיקת זווית המגע של מים. כאן מוצגת טיפת מים נוזליים על תשת זהב-PDMS לאחר פונקציונליזציה עם MHA.זווית המגע הנמוכה על ה-PDMS מעידה על כך שהתהליך הצליח. התמונה המוקטנת מראה טיפת מים שהונחה על אחד העמודים המוגבהים לאחר סיום הפרוצדורה. זווית המגע של 140 מעלות מדגימה כי השילוב של ההטרוגניות הפיזיקלית והכימית מאפשר לטיפה להינעל על דפנות העמודים.לאחר שהמצעים יוצרו והותקנו במחזיקי הבמה המיקרוסקופית, ניתן למלא את התעלות באמצעות המזרק. כאן מוצגת נקבובי חריץ מלאה, מנקודת מבט ניצבת לרוחב העמוד המוצג. כאן מוצגת נקודת מבט ניצבת לתמונה הראשונה, שהיא ניצבת לאורך נקבובי החריץ. תהליך מילוי התעלה מאותה נקודת מבט כמו בתמונה השנייה מוצג כאן; בשלב המילוי, קריטי להזרים את הנוזל מהמזרק.במידה וקצב הזרימה הגבוה והפתומי גורם לכך שהנוזל יחדור עמוק אל ראש העמוד, הוא עלול להימרח על אזורי ה-PDMS ההידרופוביים. אם זה קורה, יש לנקות ולייבש את התשתיות ולחזור על תהליך המילוי. לאחר צפייה בסרטון זה, תרכוש הבנה טובה לגבי האופן שבו ניתן ליצור עמודי PDMS.בצעו להם פונקציונליזציה באמצעות שכבות מונומולקולריות בהרכבה עצמית ויישרו אותם ליצירת גשרי קפילריים. זכרו כי עבודה עם piran עלולה להיות מסוכנת ביותר ודורשת נקיטת אמצעי זהירות, כגון עבודה תחת מbigcup מכריים. יש להשתמש במשקפי מגן או במגן פנים.יש להשתמש בחלוק מעבדה ובכפפות ניאופרן מלאות בכל פעם שמבצעים הליך זה.

fabrication-visualization-capillary-bridges-slit-pore

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

האידוי של רכיב תהליך של קורבן (VaSC) משמש לפברק מבני כלי הדם. הליך זה נעשה שימוש בסיבי חומצה לקטית (הקרבת פולי) כדי ליצור microchannels חלול עם מיצוב גיאומטרי 3D מדויק המסופק על ידי צלחות ספר micromachined לייזר.

תהליך של הפיכת Microstructures תלת ממדי באמצעות אידוי של רכיב של קורבן

תאי זרימה המשמשים בניסויי הידבקות מורכבים בדרך כלל ממסלולי זרימה ליניאריים ודורשים ניסויים מרובים בקצבי זרימה שונים כדי ליצור מפת הידבקות גזירה.  SynVivo-SMN מאפשר יצירת מפת הידבקות גזירה באמצעות ניסוי יחיד תוך שימוש בנפחי מיקרוליטר וכתוצאה מכך חיסכון משמעותי בזמן ובחומרים מתכלים.

דור של שאר הידבקות מפה באמצעות רשתות כלי הדם סינטטיים SynVivo

נדונים פרוטוקולים לחקר היווצרות ביופילם במכשיר מיקרופלואידי, המחקה מדיה נקבובית. המכשיר המיקרופלואידי מורכב ממערך של מיקרו-עמודים והיווצרות ביופילם על ידי Pseudomonas fluorescens במכשיר זה נחקרת.

פרוטוקול ליצירת biofilm Streamer במכשיר microfluidic עם מיקרו עמודים

כאן, אנו מדגימים שיטת ייצור פשוטה עבור מיקרו-טיפות מים בשמן (W/O) הניתנות לשליטה בגודל, חד-פיזוריות, באמצעות מכשיר מיקרופלואידיקה צנטריפוגלי מבוסס נימים. שיטה זו דורשת נפח דגימה קטן בלבד ומאפשרת ייצור בתפוקה גבוהה. אנו מצפים ששיטה זו תהיה שימושית לניתוחים ביוכימיים ותאים מהירים.

נימים מבוססות מכשיר microfluidic צנטריפוגלי עבור גיבוש גודל לשליטה של ​​Monodisperse microdroplets

כתב יד זה מציג שיטת הזרקה להנדס microvessels כי לשחזר מאפיינים פיסיולוגיים של האנדותל. תהליך microfluidic המבוסס יוצר רשתות כלי דם 3D פטנט עם תנאי tailorable, כגון זרימה, רכב הסלולר, גיאומטריה, והדרגות ביוכימיים. תהליך ייצור ודוגמאות של יישומים פוטנציאליים מתוארים.

Micropatterning והרכבת 3D microvessels

פרוטוקול זה מתאר את היישום של פירוק הידרוג'ל מונחה תמונה ומבוסס לייזר לייצור רשתות מיקרופלואידיות ביו-נוזליות הנגזרות מכלי דם המוטמעות בהידרוג'לים פולי (אתילן גליקול) דיאקרילט (PEGDA). מערכות מיקרופלואידיות ביומימטיות אלו עשויות להיות שימושיות עבור יישומי הנדסת רקמות, יצירת מודלים של מחלות מבחנה וייצור מכשירים מתקדמים "על שבב".

תמונה מונחה, ייצור מבוסס-לייזר של רשתות Microfluidic הנגזרות דם

הפרוטוקול מתאר כיצד מהנדס רשת כלי הדם perfusable ב ספרואיד. Microenvironment שמסביב של ספרואיד הוא פיתח כדי לגרום אנגיוגנזה ולהתחבר ספרואיד של microchannels את התקן microfluidic. השיטה מאפשרת את זלוף של ספרואיד, אשר היא טכניקה המיוחל בתרבויות תלת מימדי.

רשת כלי הדם perfusable עם דגם רקמה במכשיר Microfluidic

בפרוטוקול זה, בדיקת מיקרופלואידים ביומימטיים, שיכולה לשכפל סביבה מיקרו-וסקולרית רלוונטית מבחינה פיזיולוגית ולשכפל את כל מפל ההידבקות/הגירה של לויקוציטים, מועסקת כדי לחקור אינטראקציות של תאי לויקוציטים-אנדותל במחלות דלקתיות.

מערכת מיקרופיזיולוגית לחקר אינטראקציה תאי לויקוציטים-אנדותל במהלך דלקת

כאן, מוצג פרוטוקול לייצור התקנים מיקרופלואידיים מבוססי זכוכית המשמשים ליצירת תחליבי מונודיספראז גבוהים עם גודל טיפה מבוקר.

התקנים מבוססי זכוכית ליצירת טיפות ותחליבים

פרוטוקול זה מתאר את הסימולציה, הייצור והאפיון של בולמי metamaterial THz. בולמים כאלה, כאשר יחד עם חיישן מתאים, יש יישומים בTHz הדמיה וספקטרוסקופיה.

סימולציה, ייצור ואפיון של בולמי metamaterial THz

למדו לייצר ולצלם גשרים נימיים בגיאומטריית חריץ נקבוביות באמצעות עמודי PDMS ומיקרוסקופיה. שיטה זו מאפשרת חקר דינמיקת נוזלים ותופעות לחות מוגבלות במערכות ביופיזיקליות.

ייצור והדמיה של גשרים נימיים בגיאומטריית חריץ נקבוביות

גלה סרטונים נוספים