Doppia colata migliorata di polidimetilsilossano (PDMS) tramite trattamento con olio di silicone per la replicazione di microstrutture densamente impacchettate

Sommario

Questo protocollo presenta una procedura di sformatura migliorata per la tecnica di doppia colata di polidimetilsilossano (PDMS) introducendo olio di silicone come barriera non adesiva tra gli strati PDMS. A differenza del plasma o dei metodi chimici di modifica della superficie, questo approccio non richiede attrezzature specializzate o costose, il che lo rende un'alternativa più accessibile ed economica.

Abstract

La doppia colata di polidimetilsilossano (PDMS) è ampiamente utilizzata per la replicazione di strutture su microscala, compresi i canali microfluidici e i microdispositivi biomedici come i bio-MEMS. Nonostante la sua versatilità, la forte adesione interfacciale tra gli strati PDMS spesso provoca una replicazione incompleta o danni strutturali, in particolare nelle microcaratteristiche densamente impacchettate. Gli approcci convenzionali per ridurre l'adesione, come il plasma o la modifica chimica della superficie, richiedono attrezzature specializzate e possono richiedere molto tempo e denaro. Per affrontare queste limitazioni, presentiamo una strategia di sformatura migliorata che combina l'invecchiamento termico con l'applicazione di un sottile strato di olio siliconico come barriera di rilascio non adesiva. Una fase critica del protocollo prevede lo scorrimento di un filo teso sulla superficie per distribuire l'olio e promuovere una penetrazione uniforme del PDMS tra i micropilastri. Ciò migliora il rilascio dello stampo e preserva l'integrità strutturale senza compromettere le delicate microstrutture. Il metodo è dimostrato utilizzando modelli di array di fori densamente impacchettati, ottenendo una replica pulita con una deviazione dimensionale minima. Questo approccio semplice, riproducibile ed economico è particolarmente adatto per la fabbricazione di microsistemi basati su PDMS, inclusi dispositivi multistrato e caratteristiche geometricamente complesse in applicazioni di litografia morbida.

Introduzione

La fusione litografica morbida è alla base della microfluidica ^1,2, del biorilevamento ^3,4 e della diagnostica analitica⁵ consentendo un trasferimento rapido e ad alta fedeltà del pattern. A questo scopo sono stati esplorati vari materiali polimerici, tra cui i termoplastici ^6,7, i polimeri polimerizzabili UV⁸ e gli idrogel⁹. Tuttavia, questi materiali spesso comportano dei compromessi: i materiali termoplastici sono generalmente rigidi e richiedono una lavorazione ad alta temperatura, il che limita la loro capacità di conformarsi a caratteristiche morbide o flessibili; I polimeri polimerizzabili con raggi UV richiedono attrezzature specializzate e possono soffrire di una flessibilità limitata; e gli idrogel sono meccanicamente fragili e instabili in condizioni asciutte. Tra questi, il polidimetilsilossano (PDMS) è diventato il materiale da colata più adottato grazie alla sua flessibilità meccanica, facilità di stampaggio, biocompatibilità e permeabilità ai gas. In particolare, la doppia fusione PDMS è spesso utilizzata per replicare delicati o costosi stampi in silicio e SU-8, o per duplicare geometrie non invertite come le topografie biomimetiche¹⁰. Tuttavia, una sfida persistente in questo metodo è la forte adesione tra gli strati PDMS polimerizzati e non polimerizzati durante la fase di colata secondaria, guidata dall'aggrovigliamento della catena interfacciale. Ciò si traduce spesso in una sformatura incompleta o in un cedimento strutturale, limitandone così l'applicabilità più ampia¹¹.

Per affrontare questo problema, sono state sviluppate varie strategie di trattamento superficiale per ridurre l'adesione tra gli strati PDMS. Questi includono rivestimenti superficiali^12,13, condizioni di polimerizzazione variabili¹⁴ e trattamento al plasma ^15,16. Tuttavia, questi approcci richiedono in genere attrezzature costose e comportano delicati processi di modifica della superficie. Come alternativa più semplice, è stato proposto l'invecchiamento termico^11,17. Questa tecnica prevede il trattamento termico dello stampo PDMS per ridurre la presenza di catene non reticolate o a basso peso molecolare sulla superficie. Gli studi di Kwapiszewska et ^al.17 e Li et ^al.11 hanno dimostrato che gli stampi PDMS invecchiati termicamente migliorano significativamente la fedeltà di replicazione senza richiedere ulteriori modifiche chimiche. Tuttavia, anche con l'invecchiamento termico, persistono problemi come la lacerazione indotta dall'adesione e la distorsione delle caratteristiche, in particolare nelle strutture ad alta densità e geometrie complesse.

Questo studio presenta un metodo di doppia colata PDMS migliorato che combina l'invecchiamento termico con un ulteriore trattamento superficiale con olio di silicone. Dopo che lo stampo PDMS ha subito l'invecchiamento termico, un sottile strato di olio di silicone viene rivestito sulla superficie dello stampo, formando una barriera non adesiva che riduce l'adesione interfacciale. Questa semplice modifica migliora significativamente le prestazioni di rilascio dello stampo, anche per microcaratteristiche densamente impacchettate e con un rapporto d'aspetto elevato, ed elimina la necessità di un trattamento al plasma o di attrezzature specializzate. Il protocollo è progettato per essere riproducibile e facilmente adottabile dagli utenti con accesso limitato all'infrastruttura di modifica della superficie. La Figura 1 e la Figura 2 forniscono una descrizione dettagliata e dettagliata della procedura di fabbricazione e trattamento superficiale. Al contrario, la Figura 6 dimostra il successo della replicazione di strutture hole-array ad alta densità, confermando l'efficacia del metodo in condizioni geometriche difficili.

Protocollo

1. Fabbricazione dello stampo PDMS (M2) da uno stampo in silicone (M1) (Figura 1)

NOTA: Tutte le procedure all'esano devono essere eseguite in una cappa aspirante o in un vano portaoggetti per prevenire l'inalazione di composti organici volatili e garantire la sicurezza dell'operatore.

1. Rivestimento stampo in silicone (M1)
   1. Mescolare una soluzione di esano e ottadeciltriclorosilano (OTS) in un rapporto di volume di 40:1 in un becher di vetro pulito con un'asta per agitare.
   2. Coprire il bicchiere di vetro con un foglio di alluminio per ridurre al minimo l'evaporazione.
   3. Immergere il bicchiere di vetro sigillato in un bagno a ultrasuoni a temperatura ambiente riempito d'acqua. Sonicare a 40 kHz e 135 W per 5 minuti per garantire un mixaggio completo.
   4. Immergere lo stampo in silicone (precedentemente fabbricato tramite incisione ionica reattiva profonda per presentare un array di fori) nella miscela esano-OTS preparata per 30 minuti a temperatura ambiente (RT) (Figura 1A).
      NOTA: In questo studio è stato utilizzato uno stampo in silicone con dimensioni di 5 cm × 0,5 cm × 725 μm.
   5. Usando una pinzetta pulita, solleva delicatamente l'intero stampo in silicone verticalmente dalla soluzione esano-OTS. Trasferire immediatamente lo stampo in un becher contenente esano pulito. Sciacquare lo stampo agitandolo delicatamente avanti e indietro 5-10 volte in esano.
   6. Asciugare delicatamente lo stampo con un soffiatore N₂ da una distanza di ~3 cm per 6-10 s. Assicurarsi che non rimanga umidità visibile sulla superficie.
2. Fabbricazione di stampi PDMS (M2)
   1. Miscelare la base PDMS e l'agente indurente in un rapporto 10:1 (p/p) in una capsula di Petri di plastica pulita per 15 minuti.
   2. Mettere il PDMS miscelato in una camera e degassare a 160 torr per circa 30 minuti, o più a lungo se necessario, fino a quando non rimangono bolle d'aria visibili sulla superficie.
   3. Rivestire leggermente una piastra di Petri in plastica pulita (ad es. 90 mm di diametro) con SO-100cSt (olio siliconico con una viscosità di 100 cSt) utilizzando un tergicristallo privo di lanugine pre-imbevuto di SO-100cSt.
   4. Posizionare lo stampo in silicone rivestito in OTS a faccia in su al centro della piastra di Petri rivestita. Versare lentamente la miscela PDMS degassata sullo stampo fino a coprirla completamente (Figura 1B).
   5. Degasare nuovamente lo stampo nel dispositivo di rimozione delle bolle sottovuoto fino a quando non rimangono bolle visibili.
   6. Posizionare la piastra di Petri su una piastra riscaldante preriscaldata impostata a 90 °C e polimerizzare il PDMS per 50 minuti. Dopo l'indurimento, lasciare raffreddare lo stampo a RT prima di sformare (Figura 1C).
   7. Una volta indurito, staccare delicatamente lo stampo PDMS dallo stampo in silicone, avendo cura di preservare la microstruttura (Figura 1D).

2. Fabbricazione del prodotto PDMS finale utilizzando lo stampo PDMS (M2) (Figura 2)

1. Trattamento superficiale stampo PDMS (M2)
   1. Posizionare lo stampo PDMS fabbricato su una piastra riscaldante impostata a 150 °C e invecchiarlo termicamente per 3 giorni all'aria ambiente (Figura 2A).
   2. Dopo l'invecchiamento termico, immergere lo stampo in SO-100cSt.
   3. Degasare lo stampo sotto vuoto 160 torr per 10-15 minuti, o fino a quando non rimangono bolle visibili.
   4. Rimuovere lo stampo utilizzando una pinzetta e strofinare delicatamente la superficie 3-5 volte con un tergicristallo pulito e privo di lanugine per rimuovere l'olio in eccesso lasciando una pellicola sottile uniforme (Figura 2B).
2. Minimizzazione dello spessore dello strato d'olio tra i pilastri PDMS
   NOTA: Questo passaggio è fondamentale, poiché uno strato di olio eccessivamente spesso può portare a una replicazione imprecisa. Il diametro del filo deve essere determinato in base alla geometria della microstruttura.
   1. Preparare una miscela PDMS (10:1 p/p base per agente indurente), seguendo le stesse fasi di miscelazione e degasaggio descritte al punto 1.2.
   2. Versare delicatamente la miscela PDMS degassata sullo stampo PDMS trattato con SO-100cSt, lasciandola diffondersi sulla superficie (Figura 2C). Applicare un volume sufficiente in modo che il PDMS colato raggiunga almeno la metà dell'altezza dei micropilastri.
   3. Fissare un filo di nylon da 0,5 μm con una leggera tensione. Passarlo una o due volte sulla superficie del PDMS in un'unica direzione per diluire l'olio in eccesso tra i micropilastri e garantire un rivestimento uniforme (Figura 2D).
   4. Degasare lo stampo PDMS con il sottile strato PDMS in una camera a vuoto fino a quando non rimangono bolle d'aria visibili.
3. Fabbricazione PDMS con modello di array di fori
   1. Rivestire leggermente una piastra di Petri di plastica pulita con SO-100cSt, come descritto al punto 1.2.3.
   2. Posizionare lo stampo PDMS nella piastra di Petri in plastica rivestita, quindi versare la miscela PDMS degassata sullo stampo fino a quando il PDMS non raggiunge l'altezza desiderata (Figura 2E).
      NOTA: In questo studio, la miscela è stata riempita a un livello di 0,5 cm sopra le punte dei micropilastri.
   3. Degassare nuovamente lo stampo assemblato per rimuovere eventuali bolle d'aria che potrebbero essersi formate durante la fase di colata.
   4. Polimerizzare il PDMS su una piastra riscaldante preriscaldata a 110 °C per 10 minuti, o più a lungo se necessario, fino a completa solidificazione.
      NOTA: La temperatura di polimerizzazione deve essere sufficientemente alta per evitare tempi di polimerizzazione prolungati. L'indurimento prolungato a temperature più basse potrebbe portare alla diffusione dell'olio siliconico nel PDMS, aumentando così l'adesione tra lo stampo e la struttura replicata. In questo studio, la temperatura di polimerizzazione è stata impostata a 110 °C, consentendo una polimerizzazione completa entro 10 minuti.
   5. Dopo l'indurimento, inserire delicatamente una pinzetta pulita tra lo stampo e la replica e sformare con cura il prodotto finale dallo stampo (Figura 2F).
   6. Pulire delicatamente il prodotto PDMS finale utilizzando un panno imbevuto di alcol isopropilico per rimuovere eventuali residui di SO-100cSt o polvere.
   7. Asciugare la superficie utilizzando un soffiatore N₂ .

Risultati

Per valutare il metodo di doppia colata migliorato è stato utilizzato uno stampo in silicone (M1) caratterizzato da una serie densamente compatta di fori circolari. La Figura 3A illustra l'immagine SEM della superficie superiore che dimostra un modello uniforme di matrice di fori con un diametro di 143 μm e un periodo di 150 μm. L'immagine laterale rivela una profondità del foro di 284 μm nella Figura 3B, corrispondente a un rapp...

Discussione

Questo protocollo presenta un approccio economico e riproducibile per la doppia colata PDMS che combina l'invecchiamento termico con il trattamento superficiale dell'olio di silicone per superare le sfide di sformatura nella microfabbricazione. Le tecniche convenzionali come i trattamenti chimici superficiali o l'invecchiamento termico da sole spesso richiedono attrezzature specializzate o forniscono risultati incoerenti, soprattutto quando si replicano caratteristiche dense e ad alto ra...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Strumento di misurazione dell'angolo di contatto	Superficie Elecrto Optics(SEO)	Fenice 300
Agente indurente	Dow	Sylgard 184b
Macchina fotografica digitale	SONY	E3ISPM06300KPB
Esano	Sigma-Aldrich	32293	≥ 99% (GC), reagente ACS
Piastra riscaldante	MTOPS	Visualizzazione del materiale HSD180
Alcol isopropilico (IPA)	Raontech	PS2032-001
MR-100 (olio per pompe a vuoto)	Moresco	1802-00005-02	44,6 cSt
Microscopio ottico	OLIMPO	BX51
Base PDMS	Dow	Sylgard 184a
SEM	Thermo Fisher Scientifico	Verios 5 UC
Olio siliconico	ShinEtsu	KF-96-100CS	100 cSt
Olio siliconico	ShinEtsu	KF-96-1000CS	1000 cSt
Spin coater	DONG AH COMMERCIO CORP	ACE-200
Tricloro(ottadecil)silano (OTS)	Sigma-Aldrich	104817
Ultrasuoni	Branson	5510E-DTH
Pompa a vuoto	GAST	DOL-701-AA