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 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.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוצדורה ליצירה ולהדמיה של גשרי נימיות (capillary bridges) בגיאומטריה של נקבוביות עם חריצים (slit-pore). השיטה כוללת יצירת עמודים המספקים הגנרליות פיזיקלית וכימית כיוונית לעיגון הנוזל, דבר המאפשר מניפולציה וויזואליזציה של גשרי הנימיות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- ביופיזיקה
- דינמיקת נוזלים
רקע
- גשרי נימיים חשובים בתהליכים ביולוגיים ופיזיקליים שונים.
- הבנת היווצרותם והשליטה בגשרים אלו יכולה להוביל לתובנות במדעי החומרים ובביולוגיה.
- השימוש בבמות מיקרוסקופיות מאפשר בקרה מדויקת במהלך הניסויים.
- ויזואליזציה של גשרים אלו היא קריטית לניתוח תכונותיהם.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה מהימנה ליצירת גשרי נימיות.
- מתן אפשרות לדימוי של מבנים אלו לצורך ניתוח נוסף.
- בחינת ההשפעות של תכנון העמודים על התנהגות הנוזל.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- יצירת מצעי עמודי PDMS גבוהים באמצעות פוטוליתוגרפיה.
- פונקציונליזציה של ראשי העמודים ליצירת ניגוד רטיבות.
- יישור העמודים באמצעות התקן מיקרו-במה בעל ארבעה צירים.
- החדרת נוזל בין העמודים ודימוי באמצעות מצלמת CCD.
תוצאות עיקריות
- יצירה מוצלחת של גשרי נימיות בין עמודים מיושרים.
- הדגמה של שליטה על ההפרדה והיישור של העמודים.
- ויזואליזציה של גשרי נימיות מספקת תובנות לגבי דינמיקת נוזלים.
- ניתן להחיל את המתודולוגיה על מערכים ניסיוניים שונים.
מסקנות
- הפרוצדורה יוצרת ומדמיה ביעילות גשרי נימיות.
- הממצאים עשויים לשפר את ההבנה של התנהגות נוזלים בגיאומטריות מוגבלות.
- לטכניקה זו פוטנציאל ליישומים הן במחקר והן בתעשייה.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
היווצרות של גשר נימי וויזואליזציה שלו בגיאומטריה של נקבוביות עם חריץ מאפשרות מחקר מדויק של התנהגות ממשקי נוזלים תחת הטרוגניות פיזיקלית וכימית מבוקרת. יכולת זו רלוונטית באופן אסטרטגי עבור מו"פ בביו-פארמה&צוותים החוקרים תופעות מיקרופלואידיות, מנגנוני הידבקות ודינמיקת רטיבה במערכות מהונדסות. השיטה תומכת בביטחון חיזוי בשלבי אב-טיפוס מוקדמים של התקנים ובהערכת חומרים ליישומים כגון הידבקות בהשראת ביולוגית ותכנון שבבים מיקרופלואידיים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה&ד'
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בדיקה של יציבות ממשק נוזלים ותופעות רטיבות הרלוונטיות לפיתוח מכשירים ובדיקות (assays).
- תומך בהפחתת סיכונים מנגנונית על ידי הבהרת תפקידה של ההטרוגניות הפיזיקלית והכימית בקיבוע הממשק (interface pinning).
- מסייע בהערכה חזויה של שינויים בחומרים ובמשטחים לצורך שילוב מכשירים פונקציונליים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספקת פלטפורמה מתוקפת ליצירה הדירה של גשרי נימיים בבדיקות מיקרופלואידיות ובבדיקות מבוססות פני שטח.
- מאפשרת דימוי כמותי ואפיון מורפולוגי של ממשקי נוזלים לצורך סטנדרטיזציה של הבדיקה.
- תומכת ביכולת הרחבה (scalability) ובשימוש חוזר בפלטפורמה על ידי מתן אפשרות לשינוי מבוקר של הגאומטריה והכימיה של פני השטח.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מספק תובנות בנושאי הידבקות וספיגה (wetting) הרלוונטיים לתכנון התקנים בהשראת ביו-מימיקה ומערכות של מודלים פרה-קליניים.
- מקל על הרציפות מהערכת חומרים בשלב הגילוי ועד לבניית אבות-טיפוס של התקנים פרה-קליניים.
- תומך בקידום מותאם-סיכונים של טכנולוגיות מיקרופלואידיות וטכנולוגיות מבוססות הידבקות.
שילוב תהליכים (Pipeline) וזרימת עבודה
שיטה זו משולבת ברצף הפיתוח משלב הגילוי ועד לאב-טיפוס עבור התקני מיקרופלואידיקה, פלטפורמות הידבקות ותהליכי הנדסת פני שטח.
- ביולוגיה של גילוי: מבהירה את התנהגות ממשק הנוזלים ומנגנוני העיגון (pinning) לצורך תכנון מכשירים המבוסס על היפותזות.
- סריקה: מספקת פלטים מורפולוגיים כמותיים וניתנים לשחזור להערכה השוואתית של שינויי פני השטח.
- אנליטיקה: מספקת דימוי ברזולוציה גבוהה ומדידה של מורפולוגיית גשר נימי לצורך קבלת החלטות מבוססת נתונים.
- מחקר תרגומי: מגשרת בין ממצאי גילוי מוקדמים לתיקוף פרה-קליני של מכשירים וחומרים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמה ניסויית הניתנת לשימוש חוזר לבדיקה איטרטיבית של חומרים וגיאומטריות חדשות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: משפר את הביטחון החיזוי בהנדסת ממשקי נוזלים ובבחירת חומרים למכשירים.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה של תהליכי הייצור והדימוג לצורך הדירות ויכולת הרחבה.
- ערך אסטרטגי: מספק בסיס להחלטות go/no-go עבור פיתוח מכשירים וחומרים, ובכך מפחית סיכונים טכניים בשלבים מאוחרים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם-סיכון של פלטפורמות טכנולוגיות מבוססות מיקרופלואידיקה והצמדה.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במיקרו-פבריקציה, כימיה של פני שטח ויישור מדויק.
- מצריך גישה לתשתיות פוטוליתוגרפיה, טיפול בפלסמה ודימיון ברזולוציה גבוהה.
- מחייב סטנדרטיזציה של פרוטוקולי הייצור והדימיון בין צוותים שונים לצורך הדירות (reproducibility).
- התאמה לגיאומטריות שונות של עמודים ולכימיות פני שטח שונות עשויה לדרוש אופטימיזציה של הפרוטוקול.
- נדרש טיפול זהיר כדי למנוע פגמים בהעברת הזהב וביצירת המונושכבה, כפי שעולה מהתצפיות במקור.
