דפוס והשתלה מושרי אור למשטחים חלקלקים המבוססים על מבנים ננו-נקבוביים מצופים סילאן
14 בנובמבר 2025
פרוטוקול זה מציג שיטה המושרה על ידי אור לייצור מבנים תלת מימדיים חלקלקים באמצעות דפוס דיגיטלי עוקב והשתלה על משטחים ננו-נקבוביים מצופים סילאן. גישה זו מאפשרת היווצרות מבוקרת מרחבית של אזורים חלקלקים, המאפשרת דחיית נוזלים דפוסית וניתוח כמותי של החלקה בין-פנים, עם יישומים במניפולציה של נוזלים והנדסת פני השטח.
המחקר שלנו מציג טכניקה מבוססת DLP ליצירת SLIPS לתבניות מרחביות, תוך התמודדות עם מגבלות בהשגת שליטה סלקטיבית בזמינות. אתגרים ניסיוניים מרכזיים כוללים ייצור שרוולים על שיטה גיאומטרית מורכבת, וקיימת גוזלת זמן, רב-שלבית, וחסרה ורזולוציה גבוהה או שונות סלקטיבית. כדי להתחיל, מערבבים את שרף הפוליאוריתן האקרילט הפוטו-קיובר עם PEG 200 ביחס משקל של 50%. באמצעות מערבל מגנטי, ערבבו את התערובת ב-500 סיבובים לדקה במשך חמש דקות.
פזר את התמיסה המעורבת כטיפות יציבות על שכבת פוליאתילן טרפתלאט. כסו את הטיפות בשכבת פרופילן אתילן פלואורית. והפעילו לחץ אחיד באמצעות מערכת גלגול-לפלטה כדי להבטיח פיזור אחיד.
חשפו את שרף הפוליאוריתן האקרילט לאור אולטרה סגול ב-365 ננומטר באמצעות מערכת ריפוי אולטרה סגול פולטת אור בדיודה. לאחר הפולימריזציה, יש להסיר את סרטי האפילן המפוארים של אתילן מהמשטח. כעת טבלו את הדגימה המעובדת במים דה-יוניים למשך שעה כדי להפיק PEG 200 לא תגובתי.
ייבשו את הדגימה בתנור בטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס למשך שעה כדי להסיר שאריות מים ולהשלים את ייצור המשטח הננופורוסי. לבצע טיפול באוזון אולטרה-סגול ב-185 ו-254 ננומטר כדי להכניס קבוצות הידרוקסיל כטיפול מקדים להיווצרות שכבה מונו-שכבתית מורכבת. לאחר מכן, הניחו פלטה חמה בתוך תא כפפות מלא חנקן.
מקם בקבוק נקי על הפלטה החמה וזרקו מיליליטר אחד של תמיסת OTS כטיפה יציבה בתחתית. אבטח את דגימות סרט ה-PET על שקופיות זכוכית. הנח את המגלשות הפוך מעל הכוסית כדי להתחיל את ההפקדה בשלב האדים של OTS.
חממו את המערכת ל-120 מעלות צלזיוס למשך 40 דקות. עכשיו הוציאו את הדגימות מתא הכפפות. נקה את הבקבוק עם מגבון ללא סיבים כדי להסיר שאריות OTS.
להשתלה מושרה באור, יש לבצע טיפול באוזון אולטרה סגול ב-185 ו-254 ננומטרים על פני השטח המצופה ב-OTS. כעת מרחו 20 מיקרוליטר לסנטימטר רבוע של שמן סיליקון 10 סנטיסטוק על פני השטח באמצעות הטבעת טיפות יציבות. הקרינו את הדגימה במשך 15 דקות עם מנורת אולטרה סגולה בעוצמה גבוהה, הממוקמת 15 סנטימטרים מעל פני השטח.
לאחר מכן הטה את הדגימה בזווית של 30 מעלות והחזק אותה במשך חמש דקות כדי לאפשר לשמן הסיליקון העודף להתנקז מהמשטח. כדי ליצור את המבנה החלקלק של הדפוס, ראשית, לעצב את הצורות הרצויות באמצעות תוכנת CAD ולייצא כקבצי ליתוגרפיה סטריאונית. טעין את הקבצים לתוכנת חיתוך ויצר תמונות הקרנה דו-ממדיות לעיבוד אור דיגיטלי.
העבר את הקבצים למדפסת תלת-ממדית. הנח את הסרט המצופה בפולימר על חלון המדפסת לעיבוד אור דיגיטלי. חשפו את הסרט לאור אולטרה סגול של 365 ננומטר בעוצמה של 180 מילי-ג'ול לסנטימטר רבוע באמצעות דפוס הקרנה דיגיטלי לצורך ייפוי סלקטיבי של השרף.
טבלו את הדגימה החשופה במים דה-יוניים למשך שעה כדי להפיק PEG 200. לאחר מכן ייבשו את הדגימה בטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס למשך שעה כדי להסיר מים שנותרו ולהשלים את המבנה הננופורורי. לבצע טיפול OTS והשתלה באור להשלמת ייצור המשטחים החלקים של הדפוס.
המשטחים הננו-נקבוביים שיוצרו באמצעות הפרדת פאזה שנגרמה על ידי פולימריזציה הציגו התפלגות דומיננטית של גודל נקבוביות של 60 עד 100 ננומטר. זווית מגע המים הסטטית שנמדדה על פני השטח הנקבובי הייתה 84.4 מעלות. לאחר הסילניזציה, פני השטח הפכו להידרופוביים, אך טיפול שני באוזון אולטרה-סגול הפחית זמנית את זווית המגע.
הפחתה זו בוטלה על ידי יצירת שכבת המברשת של PDMS, שהחזירה הידרופוביות. ההתנהגות החלקלקה של ארבעה נוזלים מייצגים: מים דה-יוניים, אוקטן, דבש ורוק מלאכותי של אדם, אושרה על ידי זווית מגע, זווית החלקה, מהירות החלקה ומדידות היסטרזיס בזווית מגע. מדידות רוחב קו מודפסות מ-PEG, שרף PUA הראו דיוק גבוה בגודל התכונה המינימלי של 50 מיקרומטר, עם סטיות הולכות וגדלות ברוחבים גדולים יותר.
משטחים ננו-נקבוביים עם דוגמה יוצרו עם עיצובים גרפיים ואותיות באמצעות עיבוד אור דיגיטלי, כולל מבוך, ציוד ולוגואים של JoVE. לאחר כל הטיפולים המשטחיים והזרקת שמן הסיליקון, הדפוסים הפכו לשקופים אופטית בשל ירידה בקונטרסט מקדם השבירה. מדידות טרנסמיטנס הראו שמשטחים נקבוביים מטופלים הגיעו ליותר מ-90% שקיפות.
כאשר הונח דיו המכיל מים, הטיפות נדדו באופן סלקטיבי לאזורים הידרופיליים לא מטופלים, נמנעו מהאזורים החלקים, ויצרו צורות נוזליות מוגדרות. מצאנו שכאשר אנחנו יוצרים משטחים ננו-נקבוביים באמצעות השתלת UVU, הם הופכים לחלקים מאוד. ההיסטרזיס בזווית המגע קטן מאוד, ולכן אפשר ליצור דפוסי טיפות סלקטיביים על פני השטח.
השיטה שלנו משתמשת בהדפסת תלת-ממד ב-DLP כדי שנוכל לדפוס את המשטח בצעד אחד מהיר ברזולוציה גבוהה. הוא גם עובד על מצע גמיש. בהשוואה לתהליך רב-שלבי טיפוסי, הוא פשוט מאוד ומהיר מאוד.
מכיוון שאנחנו יכולים לשלוט איפה המשטח רטוב או חלקלק, אנחנו יכולים להנחות איך הטיפות נעות ונשארות על המשטח. זה יכול לסייע בעבודה עתידית על דברים כמו העברת טיפות כיוונית, מכשיר מיקרופלואידי, ציפויים שמנקים את עצמם ואפילו משטחי איסוף מים.
סקירה
פרוטוקול זה מציג טכניקה מבוססת DLP ליצירת מבנים תלת-ממדיים חלקלקים באמצעות השתלה המונעת על ידי אור על משטחים ננו-נקבוביים מצופים סילאן. השיטה מאפשרת שליטה מרחבית על דחיית נוזלים וניתוח כמותי של חלקלקות בממשק, עם השלכות למניפולציה של נוזלים והנדסת משטחים.
מרכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- הנדסת משטחים
- מניפולציה של נוזלים
- ננוטכנולוגיה
רקע
- שיטות קיימות ליצירת משטחים חלקלקים הן לעיתים קרובות ארוכות ומחסורות ברזולוציה גבוהה.
- האתגרים כוללים השגת וריאביליות סלקטיבית על גאומטריות מורכבות.
- יש צורך בטכניקות יעילות לשליטה על הרטיבות על משטחים.
- מחקר זה מתמודד עם מגבלות אלו באמצעות עיבוד תאורה דיגיטלי (DLP).
מטרת המחקר
- לפתח שיטה מהירה ורזולוציה גבוהה יותר ליצירת משטחים חלקלקים.
- לאפשר שליטה סלקטיבית על דחיית נוזלים על משטחים מדוגמים.
- לאמת את ההתנהגות החלקלקה של נוזלים שונים על המשטחים המיוצרים.
שיטות שבהן נעשה שימוש
- ערבוב שרף אקרילט פוליאורטן פוטו-ריאקטיבי עם PEG 200.
- שימוש במדפסת DLP ליצירת דפוסים מרחביים על הרזין.
- הפעלת אור אולטרה סגול לתהליכי ריפוי והשתלה.
- ביצוע טיפולים משטחיים כדי לשפר את הידרופוביות וחלקלקות.
תוצאות עיקריות
- המשטחים המיוצרים הציגו חלוקת גודל נקבוביות דומיננטית של 60 עד 100 ננומטר.
- זווית מגע מים סטטית נמדדה ב-84.4 מעלות, דבר המצביע על הידרופוביות.
- הדפוסים הפכו לשקופים מבחינה אופטית עם יותר מ-90% שקיפות לאחר הטיפול.
- הוכחה תנועת טיפות סלקטיבית על המשטחים, מה שמאפשר צורות נוזל מבוקרות.
מסקנות
- השיטה מבוססת DLP מספקת גישה פשוטה ויעילה ליצירת משטחים חלקלקים מדוגמים.
- שליטה בהרטיבות יכולה להוביל להתקדמות במכשירים מיקרו-נוזליים וציפויים עם ניקוי עצמי.
- טכניקה זו יכולה לשפר משמעותית את היישומים בניהול נוזלים והנדסת משטחים.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
High-resolution, light-induced patterning of slippery, silane-coated nanoporous surfaces enables precise spatial control of wettability for advanced fluid handling in biopharma R&D. This capability supports the development of microfluidic devices and droplet-based assays where selective liquid guidance and minimal sample loss are critical. The method's scalability and compatibility with flexible substrates position it as a reusable platform for next-generation biomedical device prototyping and translational research.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables fabrication of spatially defined microenvironments for controlled droplet manipulation in assay development.
- Supports mechanistic de-risking by allowing selective liquid patterning for functional screening.
- Facilitates predictive confidence in surface-driven biological assays through quantitative wettability control.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible surfaces for high-throughput droplet transport and microfluidic workflows.
- Delivers quantitative outputs via contact angle and hysteresis measurements for assay validation.
- Enables rapid prototyping and scalability for screening platforms requiring precise liquid handling.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant system development by supporting biomimetic fluid interfaces in device models.
- Maintains translational continuity from discovery to preclinical device validation through robust surface engineering.
- Reduces risk in advancing microfluidic and biomedical device concepts by ensuring reproducible liquid guidance.
Pipeline & Workflow Integration
This light-induced patterning method integrates from early discovery through assay development to translational device prototyping, supporting iterative design and validation cycles in biopharma R&D.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing of fluidic behaviors and surface interactions in controlled microenvironments.
- Screening: Provides assay-ready, reproducible surfaces for quantitative droplet manipulation and transport studies.
- Analytics: Supports measurement of contact angle, sliding angle, and hysteresis for comparative analysis of surface performance.
- Translational Research: Facilitates preclinical device prototyping with scalable, flexible, and optically transparent surfaces.
- Enterprise Reuse: Offers a platform technology adaptable across multiple device and assay formats.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in fluidic assay development.
- Operational Value: Delivers rapid, standardized, and scalable surface fabrication for R&D teams.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions for device and assay concepts by enabling robust, quantitative surface performance data.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of microfluidic and biomedical device projects.
Implementation Considerations
- Requires expertise in digital light processing, surface chemistry, and quantitative wettability analysis.
- Needs access to DLP projection systems, UV curing equipment, and analytical tools for contact angle measurement.
- Demands cross-team standardization of pattern design and surface treatment protocols.
- Adaptable to various flexible and rigid substrates, but pattern fidelity may vary with feature size.
- Practical limitations include minimum feature size constraints and the need for precise control of surface treatments.
