High Throughput Microfluidic rapido ed economico prototipazione metodi a basso Packaging

Summary

In questo articolo descriviamo diverse tecniche per le piattaforme di prototipazione rapida microfluidica. Le tecniche proposte si basano su resine epossidiche sensibili ai raggi ultravioletti (UV) e termopolimerizzanti, tubi a base di polidimetilsilossano (PDMS), wire-bonding e film adesivi anisotropi. Le procedure di assemblaggio presentate sono sviluppate sia per dispositivi monouso che per sistemi microfluidici riutilizzabili.

Abstract

In questo lavoro, vengono presentate 3 diverse tecniche di imballaggio e assemblaggio. Possono essere classificati in due categorie: tecniche di imballaggio monouso e riutilizzabili.

La tecnica di imballaggio monouso utilizza resine epossidiche a base UV e termopolimerizzanti per collegare i microtubi ai fori di accesso, il wire-bonding per le connessioni dei circuiti integrati e la resina epossidica d'argento per le connessioni elettriche. Questo metodo si basa su una robusta tecnica di assemblaggio in grado di supportare una pressione relativamente alta vicina a 1 psi e non necessita di alcun supporto per rafforzare l'architettura microfluidica.

Le tecniche di imballaggio riutilizzabili consistono in interconnettori per microtubi basati su PDMS e pellicole adesive anisotropiche per connessioni elettriche. Questi dispositivi sono più sensibili e fragili. Di conseguenza, alla struttura microfluidica viene aggiunto un supporto in plexiglas per migliorare il contatto elettrico quando si utilizzano pellicole adesive anisotrope, e anche per rafforzare l'architettura microfluidica. Inoltre, è necessario un micromanipolatore per la manutenzione dei tubi utilizzando un sottile strato PDMS per collegarli ai fori di accesso. Diversi spessori di strato PDMS, compresi tra 0,45 e 3 mm, vengono testati per confrontare la migliore aderenza rispetto ai tassi di iniezione. Le velocità di iniezione applicate variano rispettivamente da 50 a 300 μl/ora per strati PDMS da 0,45 a 3 mm. Queste tecniche sono applicabili principalmente per applicazioni a bassa pressione. Tuttavia, possono essere estesi per quelli ad alta pressione attraverso il processo plasma-ossigeno per sigillare in modo permanente il PDMS su substrati di vetro. Il vantaggio principale di questa tecnica, oltre al fatto di essere riutilizzabile, consiste nel mantenere il dispositivo osservabile quando la lunghezza del microcanale è molto corta (nell'ordine di 3 mm o inferiore).

Introduction

I recenti progressi nella microfabbricazione hanno portato a dispositivi microfluidici più complessi, tra cui un gran numero di elettrodi e diversi tipi di algoritmi di controllo. Tuttavia, questi progressi hanno evidenziato nuove sfide nel settore degli imballaggi. Inoltre, Lab-on-Chip (LoC) è un concetto multidisciplinare in cui dispositivi microfluidici, sistemi microelettromeccanici (MEMS), chip microelettronici e altre parti sono collegati tra loro. Di conseguenza, è impossibile sviluppare un processo di imballaggio senza considerare i diversi vincoli dei componenti LoC, come la sensibilità e la protezione dei circuiti microelettronici, i tubi e gli aspetti meccanici. Inoltre, l'imballaggio dei componenti di una determinata LoC è strettamente correlato all'applicazione^1,2. Ad esempio, nelle applicazioni ottiche, la trasparenza del dispositivo è fondamentale, soprattutto a scopo di test. Pertanto, è importante monitorare il comportamento del sistema mantenendo il dispositivo osservabile. Nelle applicazioni legate alla manipolazione di celle o particelle, l'utilizzo di tecniche a bassa tensione è più attraente, con l'emergere di nuove tecnologie di microfabbricazione che facilitano la riduzione delle dimensioni degli elettrodi (da pochi micrometri a scala submicronica^3-5) ma aumentano considerevolmente il numero di elettrodi a 100 o più.

D'altra parte, i LoC dedicati all'analisi chimica e biologica richiedono un'osservazione a lungo termine. Pertanto, l'imballaggio del sistema e il banco di prova devono evitare la contaminazione biologica e qualsiasi guasto nei dispositivi elettronici di LoC, oltre a mantenere il sistema osservabile.

Negli articoli pubblicati di recente, la microfluidica e i MEMS sono le parti principali di un LoC, ma altri moduli possono essere utilizzati per il monitoraggio del sistema. Di conseguenza, il test e la convalida delle architetture microfluidiche sono diventati una questione impegnativa con i nuovi approcci di microfabbricazione e le architetture ad alta complessità e produttività. Fino ad oggi non esistono piattaforme di collaudo standard o supporti per sistemi microfluidici, come avviene per gli stampi per microelettronica.

I ricercatori hanno proposto diverse tecniche di imballaggio per usi specifici, come Xie et al.⁶ che ha progettato un imballaggio bio-microfluidico che include un chip microelettronico per controllare la separazione del DNA nei canali microfluidici. Beebe et al.⁷ ha progettato un canale microfluidico con serbatoi di fluido integrati e valvole in idrogel sensibili agli stimoli per manipolare campioni di fluido. Altri sistemi propongono l'uso di sensori di flusso basati su bolle elettrolitiche per rilevare le pressioni attraverso un campo elettrico per generare bolle d'aria e misurare la pressione corrispondente⁸. Il sistema di rilevamento misura l'impedenza della bolla e quindi determina la pressione, il che richiede un imballaggio speciale progettato per evitare di introdurre qualsiasi interferenza nelle misure. In un altro lavoro, è stato introdotto un metodo di imballaggio microfluidico a temperatura ambiente basato sul processo di attivazione sequenziale^{del plasma 9}. Nonostante il fatto che questo processo possa portare a un dispositivo fortemente assemblato, presenta dei limiti quando viene utilizzato a scopo di prototipazione o quando il dispositivo viene utilizzato più volte. Quest'ultimo può comportare la sostituzione frequente di alcune parti del sistema. Inoltre, Lee et al. hanno introdotto una nuova tecnica di confezionamento, chiamata Biolab-on-IC, basata sull'utilizzo di campi magnetici per la manipolazione individuale di biglie magnetiche, in cui l'architettura microfluidica è progettata sulla parte superiore del circuito integrato¹⁰. Inoltre, l'affidabilità del packaging e l'integrazione dei sistemi microfluidici, considerando le dimensioni del sistema, gli aspetti ottici e le parti di connessione, sono questioni critiche, come dettagliato da Han e Frazier¹¹. Quest'ultimo lavoro riflette un approccio tipico per i sistemi LoC, in cui diversi parametri devono essere fissati e misurati con precisione durante l'imballaggio.

Di conseguenza, l'imballaggio microfluidico è un problema impegnativo per la nuova generazione di dispositivi microfluidici. L'imballaggio include parti eterogenee come tubi, collegamenti elettrici e supporto microfluidico. Per i tubi, il problema principale è lo spazio molto limitato a disposizione per collegare i tubi per accedere ai fori microfluidici. Il diametro degli attuali connettori disponibili in commercio è nell'ordine di 6 mm; Tuttavia, la distanza tra i due fori di accesso si riduce con la riduzione degli ingombri dell'impianto^12-13. Pertanto, abbiamo proposto una tecnica di tubazione basata su PDMS. Questo processo di tubatura è appositamente elaborato per la fase di prototipazione. Infatti, a causa del vincolo chimico, la sostituzione del tubo di connessione dopo ogni utilizzo è obbligatoria per evitare e ridurre al minimo la fuoriuscita di liquido all'interno della microstruttura e per pulire i microcanali. A tal fine, il processo descritto in questo documento è particolarmente applicabile per un progetto di prototipazione rapida.

D'altra parte, le connessioni elettriche sono fondamentali per i dispositivi microfluidici che utilizzano la manipolazione o la misurazione elettrica diretta o indiretta. A causa dell'ampia gamma di applicazioni microfluidiche, le dimensioni, la forma e il numero di contatti elettrici del dispositivo possono variare notevolmente. Pertanto, è necessario un metodo versatile, che può essere utilizzato per diverse applicazioni. Kaler et al. hanno riportato i risultati della loro piattaforma di prototipazione rapida microfluidica, che si basa su connettori ZIF (forza di inserzione zero)¹⁴. Invece di questi connettori successivi, i metodi presentati utilizzano una pellicola conduttiva adesiva anisotropa, che può essere facilmente adattata a qualsiasi forma.

Molti ricercatori non prendono in considerazione i vincoli di test quando progettano il loro dispositivo microfluidico. Nella microelettronica, ci sono molti supporti utilizzati per la prototipazione e il test, che sono chiamati supporti IC. Questi sono progettati principalmente per ridurre i tempi di prototipazione e test e offrono a ricercatori e ingegneri un modo semplice per sostituire i dispositivi in caso di guasto. Analogamente alla microelettronica, stiamo anche proponendo un nuovo pacchetto di test per dispositivi microfluidici limitato a una dimensione del dispositivo di 45 mm x 90 mm.

Le nostre tecniche proposte mirano a coprire un gran numero di dispositivi e applicazioni microfluidiche. Questi metodi possono essere adattati, estesi e aggiornati ad altre applicazioni. Il nostro obiettivo è quello di fornire uno dei primi metodi di confezionamento versatili per dispositivi microfluidici ottimizzati per le manipolazioni microfluidiche. Ad esempio, un'applicazione finale per i dispositivi confezionati con queste tecniche è la separazione di microsfere modificate in polistirene e carbossile con liquido cerebrospinale artificiale. Tuttavia, possono essere utilizzati in altre applicazioni con soluzioni diverse.

Nel resto di questo articolo, vengono presentate e confrontate tre diverse tecniche di tubi, 2 metodi di connessione elettrica e un metodo di imballaggio microfluidico.

Protocol

1. Interconnettore rimovibile basato su PDMS per applicazioni microfluidiche a bassa pressione^15-16

1. Preparazione
   Questa sezione descrive i diversi passaggi per preparare il vetro e il PDMS al fine di produrre l'interconnettore.
   1. Preparare il PDMS: Mescolare il PDMS e l'agente indurente con un rapporto (10:1).
   2. Assicurarsi che la temperatura del forno sia stabilizzata a una temperatura costante di 80 °C. A seconda del forno, utilizzare un dispositivo di misurazione per rilevare la temperatura del forno e quindi monitorarla manualmente.
   3. Pulire accuratamente la capsula di Petri con etanolo.
   4. Pulire la superficie dei fori di accesso microfluidici dove verrà posizionato l'interconnettore PDMS.
2. Fabbricazione
   L'interconnettore descritto in questo documento è essenzialmente una guarnizione conforme. Questa guarnizione è formata da PDMS e contiene fori in cui possono essere inseriti i microtubi. Si autoaderisce alla superficie di un chip microfluidico, per formare una tenuta a prova di perdite tra il microtubo e i fori di accesso ai microcanali nel chip.
   Utilizzare i seguenti passaggi per fabbricare l'interconnettore.
   1. Versare uno strato sottile (circa 2 mm) di PDMS (liquido) in una capsula di Petri.
   2. Lasciare polimerizzare leggermente il PDMS ad una temperatura di 80 °C in forno per 12-15 min. Posizionare contemporaneamente il chip microfluidico a cui verrà effettuato il collegamento nel forno, in modo che sia alla stessa temperatura.
   3. Quando il PDMS inizia a polimerizzare, rimuoverlo dal forno di polimerizzazione.
   4. Utilizzare un punzone per biopsia per formare fori del diametro desiderato nella superficie microfluidica del chip.
   5. Utilizzando la lama, tagliare il pezzo richiesto di PDMS.
      NOTA: Si consiglia di tagliare inizialmente un pezzo di materiale più grande di quello che sarà eventualmente necessario. Per evitare l'uso di connettori multipli, è auspicabile che un dato interconnettore PDMS sia tagliato in una forma quadrata e che i fori siano perforati, in modo da conformarsi al numero massimo possibile di fori sul chip dell'utente.
   6. Mantenere i fori leggermente più piccoli del diametro esterno del microtubo.
   7. Rimuovere rapidamente il PDMS dalle piastre di Petri e posizionarlo sul chip microfluidico.
   8. Assicurarsi che non vi sia polvere sul PDMS o sul chip e assicurarsi che i fori di accesso sul chip microfluidico siano allineati con quelli del PDMS.
   9. Utilizzando un microposizionatore, inserire i tubi (ad es. tubi in teflon) attraverso l'interconnettore PDMS. I tubi devono avere un diametro del foro di accesso microfluidico pari al 110% per evitare perdite di liquido. Gli stessi tubi possono essere collegati al sistema di iniezione del liquido a seconda dell'applicazione dell'utente.
      nota: Posizionare sempre le provette utilizzando un microposizionatore, lo strato PDMS non è molto spesso e può essere staccato se le provette sono attorcigliate.
   10. Se necessario, aggiungere resina epossidica tra il tubo e il PDMS per una migliore aderenza.
       Un esempio dell'interconnettore completato è mostrato nelle figure e in Ghallab e Badawy².

2. Interconnessione di microtubi in applicazioni microfluidiche con resina epossidica¹⁷

Quando si fabbrica un interconnettore, assicurarsi che il bordo del microtubo sia tagliato correttamente. Utilizzare una nuova lama affilata per tagliare il bordo del microtubo dritto e per garantire che il contatto tra i microtubi e il foro di accesso sia uniforme.

1. Utilizzando il microposizionatore, posizionare con cura il microtubo nel foro di accesso del chip microfluidico.
2. Applicare una piccola pressione sull'erogatore di resina epossidica per depositare la resina epossidica sui fori di accesso o posizionarla manualmente.
3. Lasciare indurire la resina epossidica utilizzando i seguenti passaggi:
   1. Epossidica polimerizzabile con raggi UV: Esporre la resina epossidica UV a una fonte UV per 3-10 minuti, a seconda della quantità di resina epossidica utilizzata. Per maggiori dettagli, fare riferimento alle specifiche epossidiche.
   2. Epossidico standard: se il substrato microfluidico deve essere utilizzato solo a RT, mantenere l'indurimento epossidico per 24 ore a RT. Se il substrato deve resistere alle alte temperature, solidificare rapidamente la resina epossidica esponendola a 100 °C utilizzando un forno o un riscaldatore, a seconda dell'applicazione. Per maggiori dettagli, fare riferimento alle specifiche epossidiche.

3. Tecnica di assemblaggio per chip microfluidici riutilizzabili con interfaccia elettrica¹⁷

1. Assemblaggio dei componenti
   La Figura 2 mostra i collegamenti tra i connettori elettrici sul PCB e le piazzole elettriche sul chip microfluidico. Per assemblare i componenti PCB/chip microfluidico/plexiglas, attenersi alla seguente procedura:
   cautela: Evitare un'eccessiva pressione di compressione, che può rompere il chip microfluidico.
   1. Saldare i connettori elettrici multipin a montaggio superficiale al PCB.
   2. In caso di contaminazione superficiale sui pad elettrici del chip microfluidico, pulirli con ossigeno al plasma; altrimenti pulire i pad con etanolo.
   3. Utilizzare una lama affilata per tagliare il nastro conduttivo in piccoli pezzi con le stesse dimensioni dei cuscinetti elettrici del chip microfluidico, come mostrato nelle Figure 1 e 2.
   4. Usando una pinza, posizionare il nastro conduttivo sulle piastre elettriche del PCB.
   5. Allineare e quindi posizionare il chip microfluidico sul PCB.
      nota: Per una precisione di posizionamento, utilizzare una macchina di allineamento.
   6. Posizionare uno strato isolante (come la carta) sul PCB per evitare cortocircuiti prima di installare le staffe metalliche, a seconda della posizione delle tracce del PCB.
   7. Fissare la staffa metallica utilizzando viti a macchina e dadi.
2. Smontaggio
   1. Rimuovere le viti della macchina, i dadi e le staffe metalliche.
   2. Separare delicatamente il chip microfluidico e il PCB.
   3. Utilizzare l'etanolo per rimuovere l'adesivo del nastro conduttivo dalle pastiglie elettriche sul PCB e sul chip microfluidico prima del riassemblaggio.

Results

La Figura 3 illustra uno schema dettagliato della tecnica di imballaggio proposta. La soluzione di imballaggio è stata testata con diversi spessori e dimensioni PDMS per caratterizzare un processo di imballaggio trasparente ed efficiente per microsistemi ibridi/microfluidici come mostrato nelle Figure 4 e 5. Le dimensioni dello strato di interconnessione PDMS progettato sono 6 mm x 6 mm e viene utilizzato per collegare due fori di accesso. Tuttavia, con i principali conn...

Discussion

L'interconnettore PDMS è destinato ad applicazioni a bassa pressione, è necessario evitare perdite di liquido nel foro di accesso del chip quando l'interconnettore PDMS viene successivamente posizionato sul foro di accesso. Pertanto, lo spessore consigliato del PDMS è inferiore a 2 mm. Uno spessore maggiore può indurre una debole adesione del PDMS alla superficie microfluidica del chip e non è consigliato. Una prova senza successo è stata effettuata utilizzando uno spessore di 4 mm. Questo lavoro si concentra sull'aderen...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Epossidico 731	Epotek	731
PDMS	Dow Corning	SYLGARD 184
UV Epossidico	Epotek	OG159
Micropompa	Harvard Apparecchio	PHD Ultra
PCB	Circuiti avanzati Plexiglass
	Ecole Polytechnique
Adesivo conduttivo pellicola	3M	9703