Microfluidic 칩은 탄성 Microvalve의 배열을 제어

미세유체 기술은 정밀한 유체 제어가 필요한 고처리량 실험을 수행하고자 하는 세포 생물학자들에게 유용한 기술을 제공합니다. 안녕하세요, 워싱턴 대학교 바이오공학과 Folk Lab의 Nin Chen Lee입니다. 오늘은 PDMS 미세 밸브 어레이로 제어되는 미세유체 팁을 제작하는 방법을 보여드리겠습니다.

해당 장치는 세 개의 층으로 구성됩니다. 첫 번째 층은 다양한 크기의 마이크로 챔버가 포함된 유체층이며, 두 번째 층은 두 층 사이에 채널이 포함된 제어층입니다. PMS의 소수성과 유연성으로 인해 얇은 PMS 막이 형성되어 있습니다.

막이 시드(seed)에 밀착되어 유체 챔버들이 서로 격리됩니다. 제어 채널을 통해 진공을 가하면 PDMS 막이 변형되어 이전에 격리되었던 유체 챔버들을 연결할 수 있습니다. 오늘은 서로 다른 혼합 비율로 서브 나노리터 부피의 수용액을 혼합할 수 있는 병렬 믹서를 보여드리겠습니다.

이제 저희 실험실의 크리스프 단계에서는 세포 배양물에 여러 용액을 주입할 수 있는 통합 미세유체 시스템을 보여드리겠습니다. 시작해 보겠습니다. 여기 실리콘 웨이퍼 위에 PDMS 특징이 있는 마스터를 보여드립니다.

마스터는 해당 마스터들의 표준 SUH 사진 공정 절차를 통해 제작되었습니다. 이를 통해 PDMS 복제본을 반복적으로 제작할 수 있습니다. 마스터로부터 PDMS를 쉽게 분리하기 위해서는 먼저 마스터를 표면 처리해야 합니다.

우리는 Florence Island와 작업하고 있기 때문에 일반적으로 F foods를 사용하여 마스터를 제작합니다. 먼저 웨이퍼를 증착기에 넣고 forest 방울을 떨어뜨린 다음, 데스크 스케이트 챔버를 닫고 진공 펌프를 켭니다. 1, 2, 3분 동안 진공 상태를 유지한 후 진공을 끕니다. 30분 동안 증발시킨 후 웨이퍼를 꺼냅니다. PDMS 복제물을 만들기 전에, 먼저 PDMS 프리폴리머와 경화제를 10:1 비율로 사전 혼합해야 합니다.

먼저 프리폴리머 31 g을 정량하고, 경화제 3.1 g을 정량한 후 5분 동안 충분히 혼합합니다. 완성된 제품의 모습은 이와 같습니다. 그 후, PS 내의 기포를 제거하기 위해 밀도 히트(density heat)에 넣고 투명해질 때까지 5분에서 10분 동안 처리합니다.

PMS의 기포가 제거되기를 기다리는 동안, 컨트롤 층 영역에 실리콘 튜빙을 접착할 수 있습니다. 실리콘 튜빙은 PMS와 동일한 성분이기 때문에, 나중에 장치에 매립하여 기밀 및 유체 밀봉을 형성할 수 있어 선택했습니다. 이제 작은 실리콘 튜빙 조각의 끝부분에 D cement 접착제를 약간 바르고, 이를 마스터의 입구 영역에 눌러 고정합니다.

따라서 튜빙이 앰프 위로 넘치지 않게 하려면, 실리콘 튜빙을 자를 때 단면이 매우 평평해야 하며 상단에 접착제를 너무 많이 도포해서는 안 됩니다. 접착제를 누르는 방법을 설명해 보겠습니다. 이제 보겠습니다. 벤트의 양쪽에 영역이 생성되었으므로 뚜껑을 엽니다.

이제 PS가 개발되었습니다. 마스터 위에 PS를 붓겠습니다. 튜빙 주변의 PGA를 당길 때 주의하십시오.

이제 유체층 특징이 있는 다른 마스터 위에 붓고 있습니다. 마스터에 PS를 부은 후, 더스트 키커(dust kicker)에서 5분에서 10분 동안 다시 기포를 제거해야 합니다. 기포 제거 후, 65 to 70 °C의 오븐에서 1시간에서 24시간 동안 PMS를 경화시킵니다.

좋습니다. 2시간 후에 PMS가 경화되었습니다. 이제 SU 마스터에서 PMS 소자를 잘라내고 제어층을 위해 주기적으로 처리합니다.

튜브를 삽입한 상태에서, 유입구 영역의 접착제를 제거합니다. 본 장치의 경우, 세 개의 층과 제어층 모두에 유입구 영역이 생성되어 있으나, 실리콘 튜브는 한 개의 층에만 삽입합니다.

예를 들어, 여기서는 컨트롤 층에만 해당됩니다. 유체 층으로 접근하기 위해, 실리콘 튜브 아래의 막을 천공하여 통로를 만들 수 있습니다. 이렇게 하면 모든 장치에 상단에서 접근할 수 있으므로, 실체 현미경이나 전통적인 도립 현미경으로 현미경 관찰을 수행하기가 더 수월합니다.

이제 C룸으로 이동하겠습니다. CTM S 막을 준비하기 위해, headway 스피너를 사용하여 PDF 막을 스핀 코팅하는 방법을 보여드리겠습니다. 웨이퍼를 웨이퍼 척 상단에 놓기 전에, 플라스틱 그래프로 볼을 덮고 나중에 오염물을 쉽게 청소할 수 있도록 아래에 페이퍼 타월을 배치했습니다.

따라서 준비가 완료되었다면, 이전의 마스터 제작 과정과 마찬가지로 진공 세척 후 실리콘 웨이퍼 위에 PDMS를 약 2 mL 분주합니다. 11~12 µm 두께의 막을 형성하고자 하므로, 웨이퍼를 7,000 rpm으로 20초 동안 스핀 코팅합니다. 이제 다음과 같이 설명하겠습니다. 여기 웨이퍼가 회전하는 것을 볼 수 있습니다. 정해진 시간 동안 스핀 코팅을 진행합니다. 스핀 코팅 후, 웨이퍼를 85 °C의 핫플레이트 위에 4분 동안 둡니다. 이제 PDMS 막이 경화되었습니다.

다음으로 플라스마 오븐에서 PDMS 막과 대조군 층을 산화시킵니다. 플라스마 전력을 75%로 설정하고, 산소 압력은 30 PSI, 유량은 5로 사용합니다. 이러한 파라미터는 응용 분야에 따라 언제든지 조정할 수 있습니다.

타인을 켜고, 플라즈마를 30초 동안 작동시킵니다. 이제 막 위에 컨트롤 층을 배치합니다. 이 둘을 접촉시키면 몇 분 내에 컨트롤 층이 막에 결합됩니다.

몇 분 후, 막과 함께 대조군 층을 제거합니다. 이제 대조군 층을 투명 층에 정렬할 준비가 되었습니다. 더 이상 클린룸 내부가 아니므로, 스카치 테이프를 사용하여 투명 층 위의 먼지를 제거합니다.

또한 제어층의 입구 영역에서 멤브레인을 제거해야 합니다. 이는 하단의 유체층으로 접근하기 위함입니다. 따라서 멤브레인이 부착된 제어층을 유체층 위에 놓으십시오.

모든 챔버 유체 챔버와 밸브를 확인하십시오. 모든 구성 요소가 왼쪽에서 오른쪽으로 정렬되어 있는지 확인하십시오. 정렬되지 않은 경우, 제어층을 제거하고 다시 작업할 수 있습니다.

여기에서 유체 층과 제어 층이 정렬된 것을 확인할 수 있습니다. 이제 유체 공급원 및 압력 공급원과 연결하기 위해 이 입구들에 더 얇은 튜빙을 삽입하겠습니다. 이제 밸브를 압력 공급원에 연결하고 유체 입구를 유체 공급원에 연결합니다.

여기에는 PDMS 마이크로 밸브를 열고 닫기 위해 파란색과 노란색의 두 가지 서로 다른 염료가 준비되어 있습니다. 진공원과 공기압에 연결된 솔레노이드 밸브를 사용하며, 밸브는 light view 소프트웨어로 제어합니다. 이제 1번 밸브 세트를 열겠습니다.

PDMS 막이 굴곡되며 밸브가 열리는 것을 볼 수 있습니다. 이제 첫 번째 밸브 세트를 닫고, 두 번째 세트를 열었다 닫겠습니다. 이제 모든 마이크로 밸브가 정상적으로 작동합니다.

두 종류의 서로 다른 다이(dye)로 미세 유체 챔버를 채우겠습니다. 밸브 세트 1번을 열고 진공을 이용하여 두 다이를 챔버 안으로 끌어당깁니다. 챔버가 다이로 채워지면, 각 챔버를 격리하기 위해 밸브 세트 1번을 닫은 후 밸브 세트를 켭니다.

두 번째로, 두 배열의 쌍을 혼합합니다. 밸브를 열고 혼합하는 과정은 일반적으로 약 1분에서 2분 정도 소요됩니다. 저희는 챔버 크기를 10가지 서로 다른 크기로 설계하였습니다.

총 11가지의 서로 다른 혼합 비율을 설정하였습니다. 혼합이 완료된 후 밸브를 닫으면, 각 챔버마다 서로 다른 혼합 비율이 적용된 것을 확인하실 수 있습니다.

색상이 파란색에서 초록색으로, 그리고 다시 노란색으로 변했습니다. 제작된 이 장치들은 약물 스크리닝과 같은 생의학적 분석이나, 화학 물질과 성장 인자 또는 약물의 농도 차이에 따른 세포 반응 및 화학 주성(chemotaxis)과 같은 세포 생물학 연구에 잠재적으로 활용될 수 있습니다. 저는 Chris Sip이며, 통합 마이크로플루이딕 관류 시스템 장치를 시연하겠습니다. 이 장치는 앞서 제작 과정에서 확인한 장치와 매우 유사합니다.

유일하고 주요한 차이점은 확산을 통해 혼합되는 밸브로 구분된 별개의 챔버를 갖는 대신, 여러 개의 유입구가 수렴하며 밸브에 의해 제어되는 다중 밸브 스키마를 갖는다는 것입니다. 제가 시연할 내용은 서로 다른 유입구의 온/오프를 제어하는 밸브의 선택적 작동입니다. 또한, 통합 믹싱 채널의 작동과 구배 제어에 대해서도 보여드리겠습니다.

화면 상단에 수렴하는 16개의 유입구가 보이며, 유체는 상단에서 이 수직 채널을 통해 아래로 흘러 세포 배양 챔버인 이 분기 네트워크로 진입하게 됩니다. 이제 유입구의 유체가 파란색 염료로 바뀌어 흐르는 것을 볼 수 있으며, 챔버를 통과할 때 층류 유동 프로파일이 나타나는 것을 확인할 수 있습니다. 이제 파란색과 노란색을 조합하고 있으며, 이를 전환하여 반대 조합을 생성할 수도 있습니다.

구배를 오른쪽으로 유도할 수 있습니다. 또한 다른 유형의 구배를 생성할 수도 있습니다. 현재 화면은 밸브의 빠른 전환을 보여주고 있으며, 이를 통해 서로 다른 용액 사이를 매우 빠르게 교체할 수 있습니다.

이제 균질기를 통해 청색과 황색 용액을 주입하고 있으며, 챔버 내에서 용액이 녹색으로 나오는 것을 볼 수 있습니다. 또한 다양한 유입구를 임의로 전환할 수 있습니다. 이번 경우에는 적색 유입구를 통해 주입하고 있으며, 이것이 모든 녹색 용액을 대체하고 있습니다. 오늘은 마이크로 유체 밸브 기반 장치를 제작하는 방법을 보여드렸으며, 서브 리터 부피의 매우 정밀한 양으로 두 가지 색상의 염료를 다양한 비율로 혼합하는 것을 시연하였습니다.

저희 연구실의 Chris가 다양한 용액의 관류를 위한 통합 미세유체 시스템 또한 시연하였습니다. 시청해 주셔서 감사드리며, 여러분의 실험에 좋은 결과가 있기를 바랍니다.