シリコーンオイル処理によるポリジメチルシロキサン(PDMS)ダブルキャスティングの改良による高密度微細構造の複製

サマリー

このプロトコルは、PDMS層間の非接着性バリアとしてシリコーンオイルを導入することにより、ポリジメチルシロキサン(PDMS)ダブルキャスティング技術の改良された離型手順を示しています。プラズマや化学表面改質法とは異なり、このアプローチは特殊な機器や高価な機器を必要としないため、よりアクセスしやすく、費用対効果の高い代替手段となります。

要約

ポリジメチルシロキサン(PDMS)ダブルキャスティングは、マイクロ流体チャネルやBio-MEMSなどのバイオメディカルマイクロデバイスなど、マイクロスケール構造の複製に広く使用されています。その汎用性にもかかわらず、PDMS層間の強力な界面接着は、特に密集したマイクロフィーチャーにおいて、不完全な複製や構造的な損傷をもたらすことがよくあります。プラズマや化学表面改質など、接着性を低減する従来のアプローチでは、特殊な装置が必要であり、時間とコストがかかる可能性があります。これらの制限に対処するために、熱老化と薄いシリコーンオイル層を非粘着性の剥離バリアとして適用することを組み合わせた改良された離型戦略を紹介します。このプロトコルの重要なステップは、張力のかかった糸を表面全体に掃き、オイルを分散させ、マイクロピラー間のPDMSの浸透を促進することです。これにより、離型性が向上し、繊細な微細構造を損なうことなく構造の完全性が維持されます。この手法は、高密度に詰め込まれたホールアレイパターンを使用して実証され、最小限の寸法偏差でクリーンな複製を実現します。このシンプルで再現性が高く、費用対効果の高いアプローチは、ソフトリソグラフィーアプリケーションの多層デバイスや幾何学的に複雑な特徴など、PDMSベースのマイクロシステムの製造に適しています。

概要

ソフトリソグラフィーキャスティングは、マイクロ流体工学^1,2、バイオセンシング^3,4、および分析診断⁵を支え、迅速で忠実度の高いパターン転送を可能にします。この目的のために、熱可塑性プラスチック^6,7、UV硬化性^{ポリマー8、}およびヒドロゲル⁹を含む、さまざまな高分子材料が研究されてきました。しかし、これらの材料にはトレードオフが伴うことがよくあります:熱可塑性材料は一般的に硬く、高温処理を必要とするため、軟質または柔軟な特徴に適合する能力が制限されます。UV硬化型ポリマーは特殊な機器を必要とし、柔軟性が限られている可能性があります。また、ハイドロゲルは機械的に壊れやすく、乾燥した条件下では不安定です。これらの中で、ポリジメチルシロキサン(PDMS)は、その機械的柔軟性、成形の容易さ、生体適合性、およびガス透過性により、最も広く採用されている鋳造材料になりました。特に、PDMSダブルキャスティングは、繊細または高価なシリコンおよびSU-8モールドを複製するため、または生体模倣トポ^{グラフィー10}のような非反転形状を複製するために頻繁に使用される。それにもかかわらず、この方法の根強い課題は、界面チェーンの絡み合いによって引き起こされる二次鋳造ステップ中の硬化PDMS層と未硬化PDMS層の間の強い接着です。これにより、多くの場合、不完全な離型または構造的な破損が発生し、その結果、その広範な適用性が制限されます¹¹。

この問題に対処するために、PDMS層間の接着を減らすためのさまざまな表面処理戦略が開発されてきました。これらには、表面コーティング^12,13、さまざまな硬化条件¹⁴、およびプラズマ処理^15,16が含まれる。ただし、これらのアプローチには通常、高価な機器が必要であり、繊細な表面改質プロセスが必要です。より単純な代替案として、熱老化が提案されている^11,17。この手法では、PDMSモールドを熱処理して、表面上の非架橋鎖または低分子量鎖の存在を減らします。Kwapiszewskaら¹⁷およびLiら¹¹による研究では、熱的に老化したPDMSモールドは、追加の化学修飾を必要とせずに複製忠実度を大幅に向上させることが示されています。しかし、熱老化があっても、特に高密度で複雑な形状の構造では、接着による引き裂きや形状の歪みなどの問題が残ります。

この研究では、熱老化とシリコーンオイルを使用した追加の表面処理を組み合わせた改良されたPDMSダブルキャスティング法を紹介します。PDMS金型が熱老化を受けた後、シリコーンオイルの薄層が金型表面にコーティングされ、界面接着を減少させる非粘着性のバリアが形成されます。この簡単な変更により、高密度で高アスペクト比の微細な特徴に対しても離型性が大幅に向上し、プラズマ処理や専用機器が不要になります。このプロトコルは、表面改質インフラストラクチャへのアクセスが限られているユーザーでも再現性があり、簡単に採用できるように設計されています。 図1 と 図2 は、製造と表面処理の手順を段階的に詳細に説明しています。対照的に、 図6は高密度のホールアレイ構造の再現に成功したことを示しており、困難な幾何学的条件下でのこの手法の有効性を確認しています。

プロトコル

1. シリコンモールド(M1)からPDMSモールド(M2)を作製(図1)

注:すべてのヘキサン手順は、揮発性有機化合物の吸入を防ぎ、オペレーターの安全を確保するために、ドラフトまたはグローブボックスで実施する必要があります。

1. シリコンモールドコーティング(M1)
   1. ヘキサンとオクタデシルトリクロロシラン(OTS)の溶液を、攪拌ロッド付きのきれいなガラスビーカーで40:1の体積比で混合します。
   2. ガラスビーカーをアルミホイルで覆い、蒸発を最小限に抑えます。
   3. 密封したガラスビーカーを水で満たされた室温の超音波浴に入れます。40 kHzおよび135 Wで5分間超音波処理し、完全な混合を確保します。
   4. シリコンモールド(以前は深層反応性イオンエッチングで作製してホールアレイを特徴としています)を、調製したヘキサン-OTS混合物に室温(RT)で30分間浸漬します(図1A)。
      注:この研究では、寸法が5cm×0.5cm×725μmのシリコンモールドを使用しました。
   5. 清潔なピンセットを使用して、シリコン型全体をヘキサン-OTS溶液から垂直にゆっくりと持ち上げます。すぐに型をきちんとしたヘキサンを含むビーカーに移します。ヘキサンで5〜10回前後に静かに攪拌して、型をすすぎます。
   6. N₂ブロワーを使用して、~3 cmの距離から6〜10秒間、型を静かに乾燥させます。表面に目に見える湿気が残っていないことを確認してください。
2. PDMS金型製作(M2)
   1. PDMSベースと硬化剤を10:1の比率(w / w)で、清潔なプラスチックペトリ皿に15分間混合します。
   2. 混合したPDMSをチャンバーに入れ、160 torrで約30分間、または必要に応じてそれ以上、表面に目に見える気泡がなくなるまで脱気します。
   3. SO-100cStにあらかじめ浸した糸くずの出ないワイパーを使用して、きれいなプラスチック製のペトリ皿(直径90mmなど)にSO-100cSt(粘度100cStのシリコーンオイル)を軽くコーティングします。
   4. OTSコーティングされたシリコンモールドを上向きにして、コーティングされたペトリ皿の中央に置きます。脱気したPDMS混合物を、完全に覆われるまでゆっくりと金型に注ぎます(図1B)。
   5. 目に見える気泡がなくなるまで、真空気泡除去器で金型を再度脱気します。
   6. 90°Cに設定した予熱したホットプレートにペトリ皿を置き、PDMSを50分間硬化させます。硬化後、金型をRTまで冷ましてから離型します(図1C)。
   7. 硬化したら、微細構造を保持するように注意しながら、PDMSモールドをシリコンモールドから静かに剥がします(図1D)。

2. PDMS金型(M2)によるPDMS最終製品の作製(図2)

1. PDMSモールド(M2)表面処理
   1. 作製したPDMSモールドを150°Cに設定したホットプレートに置き、周囲空気中で3日間熱老化させます(図2A)。
   2. 熱老化後、金型をSO-100cStに浸します。
   3. 真空160 torrで10〜15分間、または目に見える気泡がなくなるまで金型を脱気します。
   4. ピンセットを使用して金型を取り外し、清潔な糸くずの出ないワイパーで表面を3〜5回優しく拭いて、均一な薄膜を残しながら余分な油を取り除きます(図2B)。
2. PDMSピラー間のオイル層の厚さを最小化
   注:油層が厚すぎると複製が不正確になる可能性があるため、この手順は非常に重要です。ねじの直径は、微細構造の形状に応じて決定する必要があります。
   1. PDMS混合物(10:1 w / w base to 硬化剤)を調製し、ステップ1.2で説明したのと同じ混合および脱気手順に従ってください。
   2. 脱気したPDMS混合物をSO-100cStで処理したPDMSモールドに静かに流し込み、表面全体に広がるようにします(図2C)。注がれたPDMSがマイクロピラーの高さの少なくとも半分に達するように、十分な容量を適用します。
   3. 0.5μmのナイロン糸を穏やかな張力で固定します。PDMS表面を1回または2回スワイプして、マイクロピラー間の余分な油分を薄くし、均一なコーティングを確保します(図2D)。
   4. 真空チャンバー内の薄いPDMS層でPDMSモールドを脱気し、目に見える気泡がなくなるまで脱気します。
3. ホールアレイパターンPDMSの作製
   1. ステップ100で説明されているように、きれいなプラスチック製のペトリ皿にSO-1.2.3を軽くコーティングします。
   2. PDMSモールドをコーティングされたプラスチックペトリ皿に入れ、脱気したPDMS混合物をモールドに注ぎます(図2E)。
      注:この研究では、混合物をマイクロピラーの先端から0.5cm上のレベルまで充填しました。
   3. 組み立てた金型を再度脱気して、注入ステップ中に形成された可能性のある気泡を取り除きます。
   4. 予熱したホットプレート上でPDMSを110°Cで10分間、または必要に応じてそれ以上、完全に固まるまで硬化させます。
      注意: 硬化時間が長くなるのを避けるために、硬化温度は十分に高くする必要があります。低温で長時間硬化すると、シリコーンオイルがPDMSに拡散し、金型と複製された構造との間の接着性が増加する可能性があります。本研究では、硬化温度を110°Cに設定し、10分以内に完全に硬化させることができました。
   5. 硬化後、金型とレプリカの間に清潔なピンセットをそっと挿入し、最終製品を金型から慎重に離型します(図2F)。
   6. イソプロピルアルコールに浸したワイパーを使用して最終PDMS製品を優しく拭き取り、残留SO-100cStまたはほこりを取り除きます。
   7. N₂ ブロワーを使用して表面を乾燥させます。

結果

円形の穴を密集して配置したシリコンモールド(M1)を用いて、改良型ダブルキャスティング法を評価しました。 図3A は、直径143μm、周期150μmのホールアレイの均一なパターンを示す上面のSEM画像を示しています。側面図の画像は、 図3Bの穴の深さが284μmで、アスペクト比が約2:1に相当し、密集した微細構造のレイアウトを確認しています。この金型を使用した複製により、上面図(図4A)と側面図(図4B)のSEM分析により、直径142μm、高さ283μmのマイクロピラー形状を持つPDMSモールド(M2)が作製されました。これらの寸法は、元のシリコンモールドの寸法とほぼ一致しており、形状の転写が成功し、正確に行われていることを示しています。

ディスカッション

このプロトコルは、熱老化とシリコーンオイル表面処理を組み合わせて微細加工における離型の課題を克服するPDMSダブルキャスティングの費用対効果が高く再現性の高いアプローチを示しています。化学表面処理や熱老化などの従来の手法だけでは、特に高密度で高アスペクト比の特徴を再現する場合、特殊な機器が必要になったり、一貫性のない結果が得られたりすることがよくあります。熱老化と非接着性バリアを統合することにより、当社の方法は実装を簡素化し、複製の忠実度を高め、マイクロピラーアレイなどの密集したマイクロフィーチャーの離型成功を向上させます。

レプリケーションを成功させるための重要なステップは、テンションスレッドを使用してSO-100cStを適用することです。このスイープ技術により、マスターモールド全体に均一なオイルが分布し、マイクロピラー間に閉じ込められた余分なオイルを効果的に除去します。その結果、薄く均一な油層が得られるため、PDMS層間の付着が最小限に抑えられ、複製された構造の引き裂きや歪みのリスクが軽減されます。並行して、1...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
接触角測定装置	表面電気光学(SEO)	フェニックス300
硬化剤	ダウ	シルガード 184b
デジカメ	ソニー	E3ISPM06300KPB
ヘキサン	シグマ・アルドリッチ	32293	≥99%(GC)、ACS試薬
ホットプレート	MTOPSの	HSD180
イソプロピルアルコール(IPA)	ラオンテック	PS2032-001
MR-100(真空ポンプオイル)	モレスコ	1802-00005-02	44.6センチスタント
光学顕微鏡	オリンポス	BX51
PDMSベース	ダウ	シルガルド 184a
SEMの	サーモフィッシャーサイエンティフィック	ベリオス5 UC
シリコーンオイル	新越	KF-96-100CS	100 cSt
シリコーンオイル	新越	KF-96-1000CS	1000 cSt
スピンコーター	ドンアトレード株式会社	エース-200
トリクロロ(オクタデシル)シラン(OTS)	シグマ・アルドリッチ	104817
超音波洗浄機	ブランソン	5510E-DTH型
真空ポンプ	ガスト	DOL-701-AA型