ייצור והדמיה של גשרים נימיים בגיאומטריית חריץ נקבוביות
9 בינואר 2014
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.
המטרה הכוללת של הליך זה היא ליצור ולדמות גשרים נימיים בגיאומטריה גרועה של חריצים. זה מושג על ידי ייצור מצעי עמודי PDMS מוגבהים ארוכים באמצעות תבניות ליטוגרפיות צילום סטנדרטיות. השלב השני הוא פונקציונליזציה של החלק העליון של העמודים כדי להציג ניגודיות הרטבה בין החלק העליון לצדדים באמצעות ליתוגרפיה של העברת טביעות, וחד-שכבות בהרכבה עצמית.
לאחר מכן, שני העמודים ממוקמים זה מול זה במכשיר מיקרו שלב בעל ארבעה צירים. דרגות החופש התרגומיות והסיבוביות מאפשרות לחוקר ליישר כראוי את שני העמודים הפונים ולשלוט בהפרדה בין העמודים במהלך הניסוי. השלב האחרון הוא להכניס נוזל בין שני העמודים המוגבהים ולצלם את הגשר הנימי שנוצר עם מצלמת CCD.
מכיוון שגובה יציקת החריץ השתנה, בסופו של דבר השינוי במורפולוגיה של גשר הנוזל ככל שגובה יציקת החריץ גדל, משמש כדי להראות שלחץ הלאלו של גשר הנוזל עובר מסימן אטרקטיבי לדוחה ככל שגובה יציקת החריץ עולה. אם כי שיטה זו יכולה לספק תובנה להבנת המאפיינים של תופעת הרטבה מוצמדת חלקית. ניתן ליישם אותו גם על בעיות כמו עיצוב שבב הפוך, מיחזור שמן בחומרים נקבוביים והדבקה בהשראת ביו.
לפני תחילת הליך זה, נקה פרוסת סיליקון בגודל 4 אינץ' עם תמיסת פיהא בעקבות Spinco SU 8 2002 זה על פני המים למשך 40 שניות ב-500 סל"ד. הבא Spinco SU 8 20 50, על הוופל עם תוכנית קודן ספין דו-שלבית למשך 40 שניות ב-500 סל"ד ואחריה דקה אחת ב-1500 סל"ד. לאחר ייבוש הוופל המצופה בסיבוב, הניחו מעליו מסכת שקיפות, ואז הניחו אותה מתחת למנורה אולטרה סגולה וחשפו אותה למשך 30 שניות בעוצמה של 200 וואט.
לאחר ייבוש הוופל על פלטה חמה של 95 מעלות צלזיוס, הנח אותו בתמיסת מפתח SU 8 וערבב קלות עד שכל ה-SU 8 הלא חשוף הוסר. לאחר מכן שוטפים את הוופל בזרם של אלכוהול איזופרופיל למשך 30 שניות ומייבשים אותו בחנקן. בשלב זה מערבבים במרץ יחס מסה של 10 לאחד של מגן P-D-M-S-S, 180 4 בסיס לחומר ריפוי בכוס באמצעות מוט ערבוב חד פעמי דגה, ה-PDMS בתא ואקום עד שכל הבועות נעלמות.
לאחר הנחת התבנית המפוברקת SU 8 בצלחת וואנג גדולה מפלסטיק בגודל 4 אינץ', שפכו עליה את תערובת ה-PDMS. לאחר הסרת התבנית ותערובת ה- PDMS, הכניסו את כל המנה לתנור בחום של 75 מעלות צלזיוס למשך שעתיים לפחות. לאחר קירור הדגימה לטמפרטורת החדר, חתכו את המנה מה-PDMS ואת ה-PDMS מפרוסת הסיליקון בעזרת סכין גילוח ישר.
לאחר מכן גזרו את אזור ה-PDMS עם העמודים מהתפזורת ואחסנו אותו בצלחת פטרי נקייה. לאחר אידוי 20 ננומטר זהב ישירות על פרוסת סיליקון נקייה, הכניסו אותו לכור פלזמה ונקו אותו באמצעות פלזמת חמצן בלחץ של 300 מילור בהספק של 50 וואט למשך 10 דקות. בסיום, מניחים את הוופל בצלחת פיירקס פטרי מלאה באתנול 200 הוכחה למשך 10 דקות לפחות.
לאחר הוצאת הוופל מהצלחת, יש לשטוף אותו באתנול ולייבש אותו בחנקן. לאחר מכן ציפוי תמיסת טולואן MPTS שהוכנה בעבר על הוופל ב-500 סל"ד למשך 30 שניות, ואחריה 2,750 סל"ד למשך דקה אחת. לאחר שטיפה וייבוש הוופל, הניחו אותו בצלחת פיירקס פטרי המכילה מספיק תמיסת חומצה הידרוכלורית של 16 מילי-מולרית כדי לטבול את הוופל במלואו.
לאחר לפחות חמש דקות של טבילה, הוציאו את הוופל מהתמיסה וייבשו אותו בחנקן. לאחר מכן הנח את עמודי ה-PDMS בתא הפלזמה ובצע פלזמת חמצן בלחץ של 300 מייל והספק של 50 וואט למשך 30 שניות. לאחר הסרת מצעי ה-PDMS מכור הפלזמה, קשרו את החלק האחורי של כל אחד מהם למגלשת זכוכית נקייה על ידי הפעלת לחץ קל עליהם.
הפוך את מצעי ה-PDMS מגובי הזכוכית ולחץ את העמודים כלפי מטה על סרטי הזהב הפונקציונליים של MPTS. לאחר הפעלת לחץ מתון, הניחו משקל של כ-100 גרם על מגלשת הזכוכית כדי להבטיח מגע קונפורמי לאחר 12 שעות לפחות, הפרד כל מצע PDMS מהפרוסה והשתמש בסכין גילוח ישר. אם מצע ה-PDMS תקוע, השתמש במיקרוסקופ אופטי כדי לוודא שסרט הזהב אינו סדוק או שאין חלקים חסרים לאורך העמוד.
לאחר מכן, טבלו את מצע ה- PDMS במצע שהוכן בעבר. תמיסת MHA דימתיל סולפוקסיד מילי-מולרית למשך 24 שעות לפחות. לאחר שטיפה במים נטולי יונים וייבוש, הנח את מצע ה-PDMS בתא ואקום בלחץ של פחות מ-100 מילור ב-25 מעלות צלזיוס למשך 12 שעות לפחות באמצעות שני מצעי עמודים.
הנח אחד בחלק העליון ואחד במחזיקים התחתונים של מכלול המיקרו שלב ארבעת הצירים. אבטח את המצעים באמצעות ברגי מתח צד. בשלב זה, הרכיבו את המכשיר על ידי הצמדת המצע העליון stage ללוח הלחם כך שהמצע העליון יהיה בערך מעל המצע התחתון.
הקטן את הגובה בין שני העמודים הפונים לכמילימטר אחד באמצעות כפתורי x, y וסיבוב. בשלב המצע התחתון. יישר את רצועות הזהב עבור שני המצעים כך שיהיו מקבילים.
לאחר מכן מקם את המצלמה כך שתסתכל למטה לאורך עמוד ה-PDMS באמצעות הזנת המצלמה החיה על מסך המחשב, התאם את מיקום המצע התחתון כך שהעמודים יהיו מקבילים. לאחר מכן, העבר את המצלמה לצד הנגדי של המכשיר וחזור על שני השלבים הקודמים. באמצעות הזנת המצלמה החיה, צמצם את ההפרדה בין שני העמודים עד שהעמוד העליון יוצר מגע עם העמוד התחתון.
לאחר מכן אפס את שלב המיקרו הדיגיטלי והגדל את גובה הנקבוביות לכ-200 מיקרומטר. התקן מזרק המכיל תמיסת מים גליצרול 80% למזרק XY, Z שלב התרגום עם המהדק המכני. לאחר מכן כוונן את המיקרומטרים על שלב מיקום המזרק כך שהמחט בגודל 30 תתאים למזיגת החריץ.
הקטן את גובה יציקת החריץ כך שהמשטחים העליונים והתחתונים ייגעו בעדינות במחט לאחר הוצאה איטית של הנוזל מהמזרק לתוך יציקת החריץ. השתמש במיקרומטרים במיקום המזרק stage כדי להסיר את המחט מנקבוביות החריץ. ניתן לחלק את המכשיר הניסיוני לארבעה חלקים עיקריים.
שלב המצע העליון, שלב המצע התחתון, שלב התרגום של המזרק XY, Z ואופטיקת המצלמה ומחזיק המצלמה. ראה פרוטוקול טקסט לפרטים על מכשיר הניסוי בהעברת הזהב למצע ה-PDMS, חשוב להפריד את מכשיר ה-PDMS מפרוסת הסיליקון. מוצג בצורה חלקה וזהירה הנה תמונת מיקרוסקופ של עמוד A-P-D-M-S עם זהב לאחר העברה מוצלחת בתמונה.
הנה תמונה המציגה עודף נייר כסף זהב מהפרוסה שהועבר לעמוד עקב העברה לקויה. כדי להקל על העברת סרט הזהב, ניתן להשתמש בסכין גילוח בטיחות חד כדי לחטט בעדינות קצה אחד של עמוד ה-PDMS מפרוסת הסיליקון. בנוסף, יש למשוך את מצע ה-PDMS בכיוון רגיל למשטח הפרוסות כדי למנוע מנייר זהב נוסף להידבק לקצה המצע. המוצג.
הנה תמונה המראה כיצד יכולים להיווצר סדקים בשכבת הזהב לאחר ההעברה אם מצע ה-PDMS עובר גזירה או כיפוף משמעותיים. לאחר סיום תהליך הייצור, חשוב לוודא את איכות החד-שכבת MHA על ידי בדיקת זווית המגע עם המים שלה. מוצגת כאן טיפת מים נוזלית על מצע PDMS זהב לאחר תפקוד עם MHA.
זווית המגע הנמוכה ב-PDMS מצביעה על כך שהתהליך הצליח. הכניסה מציגה טיפת מים נוזלית המונחת על אחד העמודים המוגבהים לאחר השלמת ההליך. זווית המגע של 140 מעלות מדגימה כי השילוב של הטרוגניות פיזיקלית וכימית מאפשר להצמיד את הטיפה לצידי העמודים.
לאחר שהמצעים יוצרו והותקנו במיקרו מחזיקי הבמה, ניתן למלא את התעלות באמצעות המזרק XY, Z תרגום שלב המוצג כאן הוא נקבוביות חריץ מלאות עם פרספקטיבה בניצב לרוחב העמוד בתמונה. הנה פרספקטיבה אורתוגונלית לתמונה הראשונה הניצבת לאורך נקבוביות החריץ. תהליך מילוי התעלה מאותה פרספקטיבה כמו התמונה השנייה מוצג כאן, זה קריטי בשלב המילוי להוציא את הנוזל מהמזרק.
לאט לאט, הכוח מקצבי זרימה גדולים פתאומיים יכול להצמיד עמוק את הנוזל מראש העמוד, ולגרום לו להתפשט לאזורי ה-PDMS ההידרופוביים. אם זה קורה, יש לנקות ולייבש את המצעים בתהליך המילוי החוזר על עצמו. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד ליצור עמודי PDMS.
פונקציונלי אותם עם חד-שכבות בהרכבה עצמית ויישר אותם ליצירת גשרים נימיים. אל תשכח שעבודה עם פיראן יכולה להיות מסוכנת ביותר ואמצעי זהירות כמו קולט אדים עובד. משקפי בטיחות הם מגן פנים.
יש להשתמש במעיל מעבדה בכפפות ניאופרן מלאות בכל ביצוע הליך זה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה
מאמר זה מציג נוהל ליצירת והדמיה של גשרים נימיים בגיאומטריה של חריץ-נקבובית. השיטה כוללת יצירת עמודים המספקים אי-אחידות פיזית וכימית מכוונת כדי לעגן את הנוזל, ומאפשרת מניפולציה והדמיה של גשרים נימיים.
מרכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- מדעי המוח
- ביופיזיקה
- דינמיקת נוזלים
רקע
- גשרים נימיים חשובים בתהליכים ביולוגיים ופיזיים שונים.
- הבנת היווצרות ומניפולציה של גשרים אלו יכולה להוביל לתובנות במדעי החומרים ובביולוגיה.
- השימוש במיני-במות מאפשר שליטה מדויקת במהלך הניסויים.
- הדמיה של גשרים אלו חיונית לניתוח תכונותיהם.
מטרת המחקר
- לפתח שיטה אמינה ליצירת גשרים נימיים.
- לאפשר הדמיה של מבנים אלו לניתוח נוסף.
- לחקור את ההשפעות של עיצוב העמודים על התנהגות הנוזל.
שיטות ששימשו
- יצירת מצעי עמודי PDMS גבוהים באמצעות פוטוליתוגרפיה.
- פונקציונליזציה של צמרות העמודים ליצירת ניגוד רטיבות.
- יישור עמודים באמצעות מכשיר שלב מיני ארבעה-צירי.
- הכנסת נוזל בין העמודים והדמיה עם מצלמת CCD.
תוצאות עיקריות
- היווצרות מוצלחת של גשרים נימיים בין עמודים מיושר.
- הוכחת שליטה על הפרדה ויישור העמודים.
- הדמיה של גשרים נימיים מספקת תובנות על דינמיקת הנוזלים.
- השיטה יכולה להיות מיושמת במערכי ניסוי שונים.
מסקנות
- הנוהל יוצר ומדמיין ביעילות גשרים נימיים.
- הממצאים יכולים לשפר את ההבנה של התנהגות הנוזלים בגיאומטריות מוגבלות.
- לטכניקה זו יש פוטנציאל ליישומים במחקר ובתעשייה.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Capillary bridge formation and visualization in slit-pore geometry enables precise study of fluid interface behavior under controlled physical and chemical heterogeneity. This capability is strategically relevant for biopharma R&D teams investigating microfluidic phenomena, adhesion mechanisms, and wetting dynamics in engineered systems. The method supports predictive confidence in early-stage device prototyping and materials assessment for applications such as bio-inspired adhesion and microfluidic chip design.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of fluid interface stability and wetting phenomena relevant to device and assay development.
- Supports mechanistic de-risking by clarifying the role of physical and chemical heterogeneity in interface pinning.
- Facilitates predictive assessment of material and surface modifications for functional device integration.
Screening & Assay Development
- Provides a validated platform for reproducible formation of capillary bridges in microfluidic and surface-based assays.
- Enables quantitative imaging and morphological characterization of fluid interfaces for assay standardization.
- Supports scalability and platform reuse by allowing controlled variation of geometry and surface chemistry.
Translational & Preclinical Research
- Offers insight into adhesion and wetting relevant to bio-inspired device design and preclinical model systems.
- Facilitates continuity from discovery-stage material evaluation to preclinical device prototyping.
- Supports risk-adjusted advancement of microfluidic and adhesion-based technologies.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery-to-prototyping continuum for microfluidic devices, adhesion platforms, and surface engineering workflows.
- Discovery Biology: Clarifies fluid interface behavior and pinning mechanisms for hypothesis-driven device design.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative morphological outputs for comparative evaluation of surface modifications.
- Analytics: Provides high-resolution imaging and measurement of capillary bridge morphology for data-driven decision making.
- Translational Research: Bridges early discovery findings to preclinical device and material validation.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable experimental platform for iterative testing of new materials and geometries.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in fluid interface engineering and device material selection.
- Operational Value: Standardizes fabrication and imaging workflows for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for device and material advancement, reducing late-stage technical risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of microfluidic and adhesion-based technology platforms.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication, surface chemistry, and precision alignment.
- Demands access to photolithography, plasma treatment, and high-resolution imaging infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of fabrication and imaging protocols for reproducibility.
- Adaptation across different pillar geometries and surface chemistries may require protocol optimization.
- Careful handling is needed to avoid defects in gold transfer and monolayer formation, as supported by source observations.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:31
Fabrication of the Polydimethylsiloxane Pillars
3:33
Functionalization of the Tops of the Pillars
6:05
Formation and Characterization of the Capillary Bridges
7:57
Results: Formation and Imaging of Capillary Bridges in Slit Pore Geometry
10:47
Conclusion
