Multi-step altezza variabile fotolitografia per Valvolati multistrato microfluidici Devices

L'obiettivo generale di questo protocollo video è dimostrare una fotolitografia completa, multistep, per la realizzazione di stampi master microfluidici con valvole integrate e strutture a diverse altezze, regolabili per qualsiasi applicazione. Questo metodo fornisce una panoramica completa su come fabbricare stampi master con geometrie complesse, inclusi valvole a membrana integrate nei chip, per dispositivi microfluidici. Il principale vantaggio di questa tecnica è che permette di controllare facilmente il flusso nei dispositivi microfluidici, superando un importante ostacolo all'ingresso nel campo della microfluidica applicata alla biologia.

La dimostrazione visiva di questa tecnica è fondamentale, poiché i passaggi della fotolitografia sono spesso difficili da padroneggiare per i principianti. Un allineamento corretto, lo sviluppo e l'esposizione dipendono da segnali visivi e dall'esperienza in camera bianca. Per iniziare, progettare il proprio dispositivo e preparare le singole maschere fotolitografiche per le geometrie multistrato.

Inoltre, preparare circa quattro wafer con uno strato di cinque micron di fotoresist negativo SU-8 2050, ed esporre uniformemente come descritto nel protocollo testuale allegato. Posizionare il wafer rivestito su un spin coater e accendere il vuoto per fissarlo al mandrino rotante. Utilizzare azoto o aria compressa per rimuovere eventuali particelle di polvere dalla superficie.

Quindi, applicare da due a tre millilitri di fotoresist positivo AZ 50XT al centro della piastrina. Rivestire la piastrina con il fotoresist mediante spin coating per creare uno strato di 55 micron. Una volta ricoperta, posizionare con attenzione la piastrina in una capsula di Petri da cinque pollici e lasciarla riposare per 20 minuti.

Successivamente, effettuare una cottura lenta della wafer su una piastra riscaldante per 22 minuti, aumentando la temperatura da 65 gradi Celsius a 112 gradi Celsius a un ritmo di 450 gradi Celsius all'ora. Poi, rimuovere la wafer e lasciarla riposare tutta la notte a temperatura ambiente in una piastra di Petri per consentire la riidratazione ambientale. Fissare con del nastro la maschera trasparente per esposizione a flusso alla piastra di vetro da cinque pollici in modo che il lato stampato sia rivolto verso la wafer, quindi inserirla nel posizionatore della maschera dell'allineatore UV.

Esponi la piastrina a 930 milliJoule di UV in sei cicli. Sviluppa immediatamente la piastrina immergendola in un bagno agitato di sviluppatore per tre a cinque minuti, oppure fino a quando il bagno diventa viola e compaiono i dettagli. Una volta sviluppata, rimuovi la piastrina e risciacquala accuratamente con acqua deionizzata.

Quindi, eseguire una cottura a caldo del wafer per fondere e arrotondare le caratteristiche della valvola. Aumentare la temperatura da 65 a 190 gradi Celsius nell'arco di 15 ore a un ritmo di 10 gradi Celsius all'ora. Al termine, spegnere la piastra riscaldante e lasciare raffreddare il wafer alla temperatura ambiente.

Le caratteristiche sul wafer sono ora arrotondate. Questa cottura a caldo è fondamentale per riportare correttamente le caratteristiche delle valvole di forma rettangolare a profili arrotondati. Tempi più brevi potrebbero causare crepe o instabilità.

Per realizzare un dispositivo con caratteristiche di altezza variabile, posizionare la wafer pulita su un spin coater come mostrato in precedenza. Applicare da uno a due millilitri di resist negativo SU-8 2050 al centro della wafer e far ruotare il resist sulle caratteristiche della valvola sviluppate. Successivamente, posizionare con attenzione la wafer centrifugata in una piastra di Petri da cinque pollici e lasciarla riposare per 20 minuti su una superficie piana, oppure fino a quando eventuali schemi di striature svaniscono.

Successivamente, preriscaldare due piastre riscaldanti a 65 gradi Celsius e 95 gradi Celsius, quindi posizionare la wafer sulla piastra a 65 gradi Celsius per due minuti, su quella a 95 gradi Celsius per otto minuti e di nuovo su quella a 65 gradi Celsius per ulteriori due minuti, per effettuare la cottura iniziale. Una volta che la wafer si sarà raffreddata nuovamente alla temperatura ambiente, fissare con del nastro la maschera trasparente per il livello di flusso basso su una piastra di vetro in quarzo da cinque pollici in modo che il lato stampato sia rivolto verso la wafer, e inserirla nel posizionatore della maschera dell'allineatore UV. Quindi, posizionare la wafer nel mandrino dell'allineatore UV e, utilizzando l'oculare del microscopio o la telecamera, allineare con attenzione le nuove caratteristiche del livello di flusso basso alle caratteristiche del livello della valvola di flusso rotondo.

Iniziare allineando gli assi orizzontale, verticale e di inclinazione dei bordi del dispositivo alle caratteristiche dei bordi del dispositivo presenti sulla maschera. Successivamente, allineare le crocette tra i diversi strati. Infine, verificare che le caratteristiche delle valvole intersechino le caratteristiche del flusso nei punti desiderati.

Successivamente, esporre la wafer a una deposizione UV di 170 milliJoule. Al termine, rimuovere la wafer e sottoporla a cottura post-esposizione passando tra le due piastrine riscaldate impostate rispettivamente a 65 gradi Celsius e 95 gradi Celsius. Senza sviluppare la wafer, lasciarla raffreddare a temperatura ambiente, quindi aggiungere in sequenza lo strato del canale di flusso e successivamente lo strato del mescolatore caotico a spina di pesce, utilizzando SU-8 2025 come descritto nel protocollo testuale allegato.

Dopo aver completato tutti gli strati, sviluppare le strutture immergendo la wafer in un bagno agitato contenente 25 millilitri di sviluppatore SU-8 per 3,5 minuti, oppure fino a quando le strutture emergono chiaramente. Utilizzare uno stereomicroscopio per verificare che le strutture presentino margini ben definiti e netti. Durante lo sviluppo, controllare ogni 20 secondi per assicurarsi che le strutture siano completamente definite e che la resistenza sia stata rimossa.

Uno sviluppo eccessivo può provocare danni alle strutture, in particolare nei disegni di stampi complessi. Successivamente, sottoporre la wafer a cottura a caldo per stabilizzare tutte le strutture del fotoresist. In seguito, fabbricare lo strato di controllo come descritto nel protocollo testuale allegato.

Realizzare dispositivi microfluidici multistrato in una geometria a push-up su vetro seguendo protocolli esistenti ad accesso aperto e utilizzare un'ispezione visiva per assicurarsi che tutte le valvole siano correttamente allineate alle linee di controllo e che tutti gli ingressi siano completamente perforati prima di procedere. Collegare tubi Tygon riempiti con acqua a un sistema di controllo del flusso, come una pompa a siringa, controllori fluidici o un array di valvole solenoidi open-source con serbatoi. Successivamente, collegare perni metallici ai tubi e i perni metallici alle porte del dispositivo negli ingressi delle linee di controllo.

Quindi, impostare il sistema di controllo del flusso a 25 PSI per ogni linea al fine di pressurizzare le linee di controllo del dispositivo. Verificare che le valvole si chiudano e si riaprano mediante ispezione al microscopio. In un tubo da microcentrifuga, sospendere 3,9 milligrammi di fotoiniziatore in 100 microlitri di acqua deionizzata per preparare la soluzione di fotoiniziatore utilizzata per polimerizzare le gocce in microsfere di idrogel.

Coprire la soluzione per proteggerla dalla luce. In un secondo tubo da microcentrifuga, aggiungere 132 microlitri di acqua deionizzata, 172 microlitri di PEG diacrilato, 12 microlitri della soluzione di fotoiniziatore e 85 microlitri di buffer HEPES per preparare la soluzione delle gocce di idrogel. Trasferire la soluzione delle gocce di idrogel in un contenitore personalizzato per provette criogeniche.

Quindi, collegare il tubo del contenitore criogenico a una sorgente di pressione regolabile e connettere il tubo in PEEK all'ingresso del reagente del dispositivo. Successivamente, inserire il tubo in PEEK nell'uscita del dispositivo per raccogliere le goccioline. Rimuovere le bolle d'aria dal dispositivo, riportare il sistema in pressione e quindi depressurizzare la valvola dell'olio RO1, impostando la pressione dell'olio a 10 PSI.

Successivamente, impostare la pressione della miscela di PEG a nove PSI, depressurizzare le valvole a monte e regolare la pressione secondo necessità per produrre goccioline della dimensione desiderata. Determinare la dimensione delle goccioline mediante microscopia utilizzando una telecamera con almeno 50 FPS. Quando le goccioline si sono stabilizzate, posizionare una sorgente di luce UV sulla regione di polimerizzazione del dispositivo ed applicare 100 milliwatt per centimetro quadrato di luce a 365 nanometri su un punto di cinque millimetri.

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

Qui, un profilometro è stato utilizzato per determinare il profilo tipico di arrotondamento della valvola dopo il reflow risultante da questo metodo, mostrando un'altezza di circa 55 micron. Nell'immagine a sinistra, la valvola è spenta e il liquido può passare attraverso i canali. Una volta attivata mediante pressurizzazione delle valvole, il flusso attraverso queste viene interrotto.

Qui si può vedere il dispositivo sintetizzatore di perline in funzione, che produce goccioline di idrogel in un'emulsione oleosa al generatore di goccioline con giunzione a T. Chiudendo parzialmente un flusso a valle mediante una valvola a setaccio, il fluido può continuare a scorrere, ma le perline vengono trattenute dietro la valvola. Le perline risultanti prodotte con questo processo avevano un diametro medio di 52,6 µm con una deviazione standard di soli 1,6 µm.

Di circa 3.000 perline, meno dell'1% si discostava di oltre tre deviazioni standard. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere completata in tre giorni, dalla progettazione al collaudo. Ciò consente un'iterazione rapida della progettazione.

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