Multi-step altezza variabile fotolitografia per Valvolati multistrato microfluidici Devices

L'obiettivo generale di questo protocollo video è quello di dimostrare la fotolitografia completa in più fasi di stampi master microfluidici con valvole on-chip e caratteristiche di altezza multiple regolabili per qualsiasi applicazione. Questo metodo è una panoramica completa su come fabbricare stampi master con geometrie complesse, comprese le valvole a membrana on-chip, per dispositivi microfluidici. Il vantaggio principale di questa tecnica è che consente di controllare facilmente il flusso nei dispositivi microfluidici, superando un'importante barriera all'ingresso della microfluidica nelle applicazioni biologiche.

La dimostrazione visiva di questa tecnica è fondamentale, poiché i passaggi per la fotolitografia sono spesso difficili da padroneggiare per i principianti. Il corretto allineamento, lo sviluppo e l'esposizione si basano su segnali visivi e sull'esperienza in camera bianca. Per iniziare, progetta il tuo dispositivo e prepara le singole maschere fotografiche per le geometrie multistrato.

Inoltre, preparare circa quattro wafer con uno strato di cinque micron di fotoresist negativo SU-8 2050 e allegare l'esposizione come descritto nel protocollo di testo allegato. Posizionare il wafer rivestito su una centrifuga e accendere l'aspirapolvere per fissarlo al mandrino rotante. Utilizzare azoto o aria compressa per soffiare via la polvere dalla superficie.

Quindi, applicare due o tre millilitri di fotoresist positivo AZ 50XT al centro del wafer. Centrifugare il fotoresist per creare uno strato di 55 micron. Una volta rivestito, adagiare con cura l'ostia in una capsula di Petri da cinque pollici e lasciarla riposare per 20 minuti.

Successivamente, cuocere delicatamente il wafer su una piastra per 22 minuti aumentando la temperatura da 65 gradi Celsius a 112 gradi Celsius a una velocità di 450 gradi Celsius all'ora. Quindi, rimuovere il wafer e lasciarlo riposare per una notte a temperatura ambiente in una capsula di Petri per la reidratazione ambientale. Fissare con nastro adesivo la maschera di trasparenza rotonda alla lastra di vetro da cinque pollici in modo che il lato di stampa sia il più vicino al wafer e caricarla nel posizionatore della maschera dell'allineatore della maschera UV.

Esponi la puntata a 930 milliJoule di UV in sei cicli. Sviluppa immediatamente il wafer immergendolo in un bagno agitato di sviluppatore per tre o cinque minuti, o fino a quando il bagno diventa viola ed emergono le caratteristiche. Una volta sviluppata, togliete la cialda e sciacquatela bene con acqua deionizzata.

Quindi, cuocere duramente il wafer per scioglierlo e arrotondare le caratteristiche della valvola. Aumenta la temperatura da 65 a 190 gradi Celsius nel corso di 15 ore a una velocità di 10 gradi Celsius all'ora. Una volta terminato, spegnete la piastra e lasciate raffreddare la cialda a temperatura ambiente.

Le caratteristiche del wafer sono ora arrotondate. Questa cottura dura è fondamentale per rifluire correttamente le caratteristiche della valvola rettangolare in profili di valvole arrotondati. Tempi più brevi possono causare crepe o instabilità.

Per fabbricare un dispositivo con caratteristiche di altezza variabile, posizionare il wafer pulito su una centrifuga come mostrato in precedenza. Applicare da uno a due millilitri di fotoresist negativo SU-8 2050 al centro del wafer e far girare il fotoresist sulle caratteristiche della valvola sviluppate. Quindi, posiziona con cura il wafer filato in una capsula di Petri da cinque pollici e lascialo riposare per 20 minuti su una superficie piana o fino a quando eventuali striature svaniscono.

Quindi, preriscaldare due piastre a 65 gradi Celsius e 95 gradi Celsius, quindi posizionare il wafer sulla piastra a 65 gradi Celsius per due minuti, la piastra a 95 gradi Celsius per otto minuti e la piastra a 65 gradi Celsius per altri due minuti per cuocere delicatamente il wafer. Una volta che il wafer si è raffreddato a temperatura ambiente, fissare la maschera a bassa trasparenza su una lastra di vetro al quarzo da cinque pollici in modo che il lato di stampa sia più vicino al wafer e caricarla nel posizionatore della maschera dell'allineatore della maschera UV. Quindi, posizionare il wafer in un mandrino per allineatori a maschera UV e, utilizzando l'oculare del microscopio o la fotocamera, allineare attentamente le nuove caratteristiche dello strato basso di flusso alle caratteristiche dello strato della valvola rotonda di flusso.

Iniziare allineando gli assi orizzontale, verticale e di inclinazione dei bordi del dispositivo alle funzioni del bordo del dispositivo sulla maschera. Quindi, allineare le feature del mirino tra i livelli. Infine, verificare che le caratteristiche della valvola intersechino le caratteristiche di flusso basso dove desiderato.

Quindi, esporre il wafer a una deposizione UV di 170 milliJoule. Al termine, rimuovere la cialda e cuocerla dopo l'esposizione passando tra le due piastre riscaldanti impostate a 65 gradi Celsius e 95 gradi Celsius. Senza sviluppare il wafer, lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente, quindi aggiungere in sequenza lo strato alto di flusso e quindi lo strato a spina di pesce del miscelatore caotico utilizzando SU-8 2025 come descritto nel protocollo di testo allegato.

Dopo che tutti gli strati sono stati completati, sviluppare le caratteristiche immergendo il wafer in un bagno agitato contenente 25 millilitri di sviluppatore SU-8 per 3,5 minuti, o fino a quando le caratteristiche emergono chiaramente. Utilizzare uno stereoscopio per verificare che le feature abbiano contorni chiari e definiti. Durante lo sviluppo, assicurati di controllare ogni 20 secondi per vedere che le funzionalità sono diventate completamente definite e che la resistenza sia stata spazzata via.

Uno sviluppo eccessivo può causare danni alle funzionalità, soprattutto su progetti di stampi complessi. Quindi, cuocere il wafer per stabilizzare tutte le caratteristiche del fotoresist. Successivamente, fabbricare il livello di controllo come descritto nel protocollo di testo allegato.

Fabbricare dispositivi microfluidici multistrato con una geometria push-up su vetro secondo i protocolli di accesso aperto esistenti e utilizzare l'ispezione visiva per garantire che tutte le valvole siano correttamente allineate alle linee di controllo e che tutti gli ingressi siano completamente perforati prima di procedere. Collegare i tubi Tygon carichi d'acqua a un sistema di controllo del flusso, come una pompa a siringa, controller fluidici o un array di elettrovalvole open source con serbatoi. Quindi, collegare i pin metallici al tubo e i pin metallici alle porte del dispositivo agli ingressi della linea di controllo.

Quindi, impostare il sistema di controllo del flusso su 25 PSI per ciascuna linea per pressurizzare le linee di controllo del dispositivo. Assicurarsi che le valvole si chiudano e si riaprano mediante ispezione al microscopio. In una provetta per microcenrifugio, sospendere 3,9 milligrammi di fotoiniziatore in 100 microlitri di acqua deionizzata per preparare la soluzione fotoiniziatrice utilizzata per polimerizzare le goccioline in perle di idrogel.

Coprire la soluzione per proteggerla dalla luce. In una seconda provetta da microcentrifuga, aggiungere 132 microlitri di acqua deionizzata, 172 microlitri di diacrilato PEG, 12 microlitri della soluzione fotoiniziatrice e 85 microlitri di tampone HEPES per preparare la soluzione di goccioline di idrogel. Trasferire la soluzione di goccioline di idrogel in un recipiente per provette criogeniche personalizzato.

Quindi, collegare il tubo del recipiente del tubo criogenico a una fonte di pressione controllabile e collegare il tubo in PEEK all'ingresso del reagente del dispositivo. Quindi, inserire il tubo in PEEK all'uscita del dispositivo per raccogliere le goccioline. Rimuovere le bolle d'aria dal dispositivo, ripressurizzare il sistema, quindi depressurizzare la valvola dell'olio RO1 e impostare la pressione dell'olio su 10 PSI.

Quindi, impostare la pressione della miscela PEG su nove PSI, depressurizzare le valvole a monte e regolare la pressione secondo necessità per produrre goccioline della dimensione desiderata. Determina la dimensione delle gocce tramite microscopia utilizzando una fotocamera con 50 FPS o superiore. Quando le goccioline si sono stabilizzate, posizionare una sorgente di luce UV sulla regione di polimerizzazione del dispositivo e applicare 100 milliWatt per centimetro quadrato di luce a 365 nanometri dalla sorgente su un punto di cinque millimetri.

Pressurizzare la valvola del setaccio delle perline per osservare la raccolta delle perle polimerizzate e assicurarsi che le goccioline si siano indurite in perline. Infine, depressurizzare la valvola del setaccio del tallone e raccogliere le perle in un tubo attraverso il tubo di uscita del PEEK. Questo protocollo inizia con la dimostrazione di un metodo per l'arrotondamento delle valvole di flusso.

In questo caso, è stato utilizzato un profilometro per determinare il tipico profilo di arrotondamento della valvola post-riflusso risultante da questo metodo, che mostra un'altezza di circa 55 micron. Nell'immagine a sinistra, la valvola è spenta e il liquido può passare attraverso i canali. Una volta attivate pressurizzando le valvole, il flusso attraverso queste valvole viene interrotto.

Qui, si può vedere il dispositivo sintetizzatore a microsfere in funzione, che produce goccioline di idrogel in un'emulsione d'olio al generatore di goccioline di giunzione a T. Chiudendo parzialmente un flusso a valle utilizzando una valvola a setaccio, il fluido può continuare a fluire, ma le perle rimangono intrappolate dietro la valvola. Le perle risultanti prodotte con questo processo avevano un diametro medio di 52,6 micron con una deviazione standard di soli 1,6 micron.

Su quasi 3.000 perline, meno dell'1% era fuori di più di tre deviazioni standard. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere completata in tre giorni, dalla progettazione al collaudo. Ciò consente una rapida iterazione del progetto.

Seguendo questa procedura, anche i ricercatori con poca esperienza di fabbricazione possono costruire i propri dispositivi microfluidici complessi e applicarli ai propri problemi biologici. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come eseguire le fasi di fotolitografia necessarie per realizzare dispositivi microfluidici di qualsiasi livello di complessità, inclusi dispositivi con complesse caratteristiche di altezza variabile o valvole.