High Throughput Microfluidic Rapid en Low Cost Prototyping Verpakking

Summary

In dit artikel beschrijven we verschillende technieken voor microfluïdische snelle prototypeplatforms. De voorgestelde technieken zijn gebaseerd op ultraviolet (UV) gevoelige en temperatuurgeharde epoxyharsen, op polydimethylsiloxaan (PDMS) gebaseerde buizen, draadverbinding en anisotrope kleeffolies. De gepresenteerde assemblageprocedures zijn ontwikkeld voor zowel eenmalig gebruik als herbruikbare microfluïdische systemen.

Abstract

In dit werk worden 3 verschillende verpakkings- en assemblagetechnieken gepresenteerd. Ze kunnen worden ingedeeld in twee categorieën: eenmalige gebruikstechnieken en herbruikbare verpakkingstechnieken.

De eenmalige gebruikstechniek voor verpakking maakt gebruik van UV-gebaseerde en temperatuurhardende epoxy om microbuizen op toegangsgaten te verbinden, draadverbinding voor geïntegreerde circuitverbindingen en zilveren epoxy voor elektrische verbindingen. Deze methode is gebaseerd op een robuuste assemblagetechniek die relatief hoge druk tot nabij 1 psi kan ondersteunen en geen enkele ondersteuning nodig heeft om de microfluïdische architectuur te versterken.

Herbruikbare verpakkingstechnieken bestaan uit PDMS-gebaseerde microbuisverbinders en anisotroop klevende films voor elektrische verbindingen. Deze apparaten zijn gevoeliger en fragieler. Bijgevolg wordt Plexiglas-ondersteuning toegevoegd aan de microfluïdische structuur om de elektrische contacten te verbeteren wanneer anisotrope klevende films worden gebruikt, en ook om de microfluïdische architectuur te versterken. Bovendien is een micromanipulator nodig om buizen te onderhouden terwijl een dunne PDMS-laag wordt gebruikt om ze te verbinden met de toegangsgaten. Verschillende PDMS-laagdiktes, variërend van 0,45-3 mm, worden getest om de beste hechting te vergelijken met injectiesnelheden. Toegepaste injectiesnelheden variëren van 50-300 μl/hr voor 0,45-3 mm PDMS-lagen, respectievelijk. Deze technieken zijn voornamelijk toepasbaar voor lagedruktoepassingen. Ze kunnen echter worden uitgebreid voor hogedruktoepassingen door middel van een plasma-zuurstofproces om de PDMS permanent op glazen substraten te verzegelen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek, naast het feit dat deze herbruikbaar is, bestaat uit het feit dat het apparaat waarneembaar blijft wanneer de lengte van de microkanaal erg kort is (in het bereik van 3 mm of minder).

Introduction

Recente vorderingen in microfabricage hebben geleid tot meer complexe microfluïdische apparaten met een groot aantal elektroden en verschillende soorten besturingsalgoritmen. Deze vooruitgang benadrukte echter nieuwe uitdagingen bij het verpakken. Bovendien is Lab-on-Chip (LoC) een multidisciplinair concept waarbij microfluïdische apparaten, micro-elektromechanische systemen (MEMS), micro-elektronische chips en andere onderdelen met elkaar verbonden zijn. Daarom is het onmogelijk om een verpakkingsproces te ontwikkelen zonder rekening te houden met verschillende beperkingen van LoC-onderdelen, zoals de gevoeligheid en bescherming van micro-elektronische schakelingen, leidingen en mechanische aspecten. Bovendien is het verpakken van de componenten van een bepaald LoC nauw verbonden met de toepassing^1,2. Als voorbeeld, in optische toepassingen is de transparantie van het apparaat cruciaal, vooral voor testdoeleinden. Daarom is het belangrijk om het systeemgedrag te bewaken door het apparaat waarneembaar te houden. In toepassingen met betrekking tot cel- of deeltjemanipulatie zijn lage-spanningstechnieken aantrekkelijker, met de opkomst van nieuwe microfabricagetechnologieën die kleinere elektrodebematingen mogelijk maken (van enkele micrometer tot submicron-schaal^3-5), maar het aantal elektroden aanzienlijk verhogen tot 100 of meer.

Aan de andere kant vereisen LoC's gewijd aan chemische en biologische analyses langetermijnobservatie. Daarom moet de systeemverpakking en testbank biologische besmetting vermijden, evenals elke storing in de elektronische apparaten van LoC, naast het waarneembaar houden van het systeem.

In onlangs gepubliceerde artikelen zijn microfluïdica en MEMS de hoofdonderdelen van een LoC, maar andere modules kunnen worden gebruikt voor het bewaken van het systeem. Bijgevolg werd het testen en valideren van microfluïdische architecturen een uitdagend probleem met de nieuwe microfabricagebenaderingen en de hoge complexiteit en doorvoerarchitecturen. Tot nu toe zijn er geen standaardtestplatforms of ondersteuningen voor microfluïdische systemen, zoals het geval is voor micro-elektronische chips.

Onderzoekers hebben verschillende verpakkingstechnieken voor specifiek gebruik voorgesteld, zoals Xie et al.⁶ die een bio-microfluïdische verpakking ontwierp inclusief een micro-elektronische chip om DNA-scheiding in microfluïdische kanalen te controleren. Beebe et al.⁷ ontworp een microfluïdisch kanaal met geïntegreerde vloeistofreserves en stimuli-responsieve hydrogelkleppen om vloeistofmonsters te manipuleren. Andere systemen stellen het gebruik van elektrolytisch op basis van luchtbellen flowsensoren voor om drukken te detecteren door een elektrisch veld om luchtbellen te genereren en de corresponderende druk te meten⁸. Het sensorsysteem meet de impedantie van de luchtbel en bepaalt vervolgens de druk, wat een speciale verpakking vereist die is ontworpen om interferentie in de metingen te voorkomen. In een ander werk werd een microfluïdische verpakkingsmethode op kamertemperatuur geïntroduceerd op basis van een sequentieel plasma-activeringsproces⁹. Ondanks het feit dat dit proces kan leiden tot een sterk geassembleerd apparaat, heeft het beperkingen wanneer het wordt gebruikt voor prototypedoeleinden of wanneer het apparaat meerdere keren wordt gebruikt. Dit laatste kan frequente vervanging van sommige delen van het systeem impliceren. Bovendien introduceerden Lee et al. een nieuwe verpakkingstechniek, Biolab-on-IC genaamd, gebaseerd op het gebruik van magnetische velden voor individuele magnetische parelmanipulatie, waarbij de microfluïdische architectuur is ontworpen bovenop de geïntegreerde schakeling¹⁰. Daarnaast zijn de betrouwbaarheid van verpakking en integratie van microfluïdische systemen, met inachtneming van de systeemmaat, optische aspecten en verbindingsonderdelen, kritische kwesties zoals gedetailleerd door Han en Frazier¹¹. Dit laatste werk weerspiegelt een typische aanpak voor LoC-systemen, waarbij verschillende parameters precies vast moeten worden gesteld en gemeten tijdens de verpakking.

Consequentie, microfluïdische verpakking is een uitdagend probleem voor een nieuwe generatie microfluïdische apparaten. Verpakking omvat heterogene delen zoals leidingen, elektrische verbindingen en microfluïdische ondersteuning. Voor leidingen is de belangrijkste kwestie de zeer beperkte ruimte die beschikbaar is om de buizen aan te sluiten om toegang te krijgen tot de microfluïdische gaten. De diameter van de huidige commercieel verkrijgbare connectoren is in het bereik van 6 mm; de afstand tussen de twee toegangsgaten wordt echter kleiner met de vermindering van de totale systeemafmetingen^12-13. Daarom hebben we een leidingtechniek gebaseerd op PDMS voorgesteld. Dit leidingproces is speciaal uitgewerkt voor de prototypefase. In feite is het vanwege de chemische beperking verplicht om de verbindingsbuis na elk gebruik te vervangen om vloeistoflekkage binnen de microstructuur te voorkomen en te minimaliseren en de microkanalen te reinigen. Voor deze doeleinden is het beschreven proces in dit artikel bijzonder toepasbaar voor een snel prototypeontwerp.

Aan de andere kant zijn elektrische verbindingen cruciaal voor microfluïdische apparaten die directe of indirecte elektrische manipulatie of meting gebruiken. Vanwege het brede scala aan microfluïdische toepassingen kunnen apparaatfabrieksmaten, vorm en aantal elektrische contacten aanzienlijk variëren. Daarom is een veelzijdige methode vereist die voor verschillende toepassingen kan worden gebruikt. Kaler et al. berichtten resultaten van hun microfluïdische snelle prototypeplatform, dat is gebaseerd op zero insertion force (ZIF) connectoren¹⁴. In plaats van deze latere connectoren, gebruiken de gepresenteerde methoden een anisotroop adhesieve geleidende film, die gemakkelijk aan elke vorm kan worden aangepast.

Veel onderzoekers houden geen rekening met de testbeperkingen bij het ontwerpen van hun microfluïdische apparaat. In de micro-elektronica zijn er veel ondersteuningen die worden gebruikt voor prototype- en testdoeleinden, die IC-houders worden

Protocol

1. Verwijderbare PDMS-gebaseerde interconnector voor microfluïdische toepassingen met lage druk^15-16

1. Voorbereiding
   Deze sectie beschrijft verschillende stappen om het glas en PDMS voor te bereiden om de interconnector te produceren.
   1. Bereid de PDMS voor: Meng de PDMS en het verhardingsmiddel met een verhouding van (10:1).
   2. Zorg ervoor dat de temperatuur van de oven is gestabiliseerd op een constante temperatuur van 80 °C. Afhankelijk van de oven, gebruik een meetinstrument om de temperatuur van de oven te meten en bewaak deze vervolgens handmatig.
   3. Reinig de petrischaal grondig met ethanol.
   4. Reinig het oppervlak van de microfluïdische toegangsgaten waar de PDMS-interconnector zal worden geplaatst.
2. Fabricage
   De interconnector die in dit artikel wordt beschreven, is in wezen een compliante afdichting. Deze afdichting is gevormd uit PDMS en bevat gaten waarin microbuizen kunnen worden geplaatst. Het hecht zichzelf aan het oppervlak van een microfluïdische chip om een lekdichte afdichting te vormen tussen de microbuis en toegangsgaten naar microkanalen in de chip.
   Gebruik de volgende stappen om de interconnector te fabriceren.
   1. Plaats een dunne laag (ongeveer 2 mm) van de PDMS (vloeibaar) in een petrischaal.
   2. Laat de PDMS gedurende 12-15 minuten licht polymeriseren bij een temperatuur van 80 °C in de oven. Plaats de microfluïdische chip waarop de verbinding zal worden gemaakt op hetzelfde moment in de oven, zodat deze dezelfde temperatuur zal hebben.
   3. Wanneer de PDMS begint te polymeriseren, haalt u het uit de verhardingsoven.
   4. Gebruik een
      biopsie-pons om gaten van het gewenste diameter in het oppervlak van de microfluïdische chip te vormen.
   5. Snijd het vereiste stuk PDMS met behulp van de kling.
      Opmerking: Het wordt aanbevolen om aanvankelijk een groter stuk materiaal uit te snijden dan uiteindelijk nodig zal zijn. Om het gebruik van meerdere connectoren te vermijden, is het wenselijk dat een bepaalde PDMS-interconnector in een vierkante vorm wordt gesneden en gaten worden geponst, zodat deze overeenkomt met het grootste aantal mogelijke gaten op de chip van de gebruiker.
   6. Houd de gaten iets kleiner dan de buitendiameter van de microbuis.
   7. Verwijder de PDMS snel uit de petrischalen en plaats deze op de microfluïdische chip.
   8. Zorg ervoor dat er geen stof op zowel de PDMS als de chip zit en zorg ervoor dat de toegangsgaten op de microfluïdische chip zijn uitgelijnd met die van de PDMS.
   9. Gebruik een micropositieerde om buizen (bijv. Teflon buizen) door de PDMS-interconnector te steken. De buizen moeten 110% van de diameter van het microfluïdische toegangsgat zijn om vloeistoflekkage te voorkomen. Dezelfde buizen kunnen worden aangesloten op het vloeistofinspuitsysteem, afhankelijk van de toepassing van de gebruiker.
      Opmerking: Plaats de buizen altijd met behulp van een micropositieerde, de PDMS-laag is niet erg dik en kan losraken als de buizen worden gedraaid.
   10. Voeg indien nodig epoxy tussen de buis en de PDMS toe voor een betere hechting.
       Een voorbeeld van de voltooide interconnector is te zien in de figuren en in Ghallab en Badawy².

2. Microbuizen verbinden in microfluïdische toepassingen met epoxy¹⁷ 

Zorg er bij het fabriceren van een interconnector voor dat de rand van de microbuis correct is gesneden. Gebruik een nieuw scherp mes om de rand van de microbuis recht te snijden en om ervoor te zorgen dat het contact tussen microbuizen en toegangsgat uniform is.

1. Gebruik de micropositieerde om de microbuis voorzichtig in het toegangsgat van de microfluïdische chip te plaatsen.
2. Oefen een kleine druk uit op de epoxydispenser om epoxy op de toegangsgaten af te zetten of plaats deze handmatig.
3. Laat de epoxy uitharden volgens de volgende stappen:
   1. UV-hardende epoxy: Blootstel de UV-epoxy gedurende 3-10 minuten aan een UV-bron, afhankelijk van de hoeveelheid gebruikte epoxy. Raadpleeg de epoxyspecificaties voor meer details.
   2. Standaard epoxy: Als de microfluïdische substraat alleen bij RT wordt gebruikt, laat epoxy gedurende 24 uur bij RT uitharden. Als het substraat hoge temperaturen moet kunnen weerstaan, laat de epoxy snel uitharden door het bloot te stellen aan 100 °C met behulp van een oven of een verwarmingselement, afhankelijk van de toepassing. Raadpleeg de epoxyspecificaties voor meer details.

3. Montagetechniek voor herbruikbare microfluïdische chips met elektrische interface¹⁷

1. Assembleren van de componenten
   Figuur 2 toont de verbindingen tussen de elektrische connectoren op de PCB en de elektrische pads op de microfluïdische chip. Om de PCB/microfluïdische chip/Plexiglas-componenten te assembleren, volgt u deze stappen:
   VOORSICHT: Vermijd overmatige compressiedruk, die de microfluïdische chip kan breken.
   1. Soldeer de oppervlaktemontage elektrische multipin-connectoren op de PCB.
   2. Als er oppervlakteverontreiniging op de elektrische pads van de microfluïdische chip aanwezig is, reinig met plasmazuurstof; anders reinig de pads met ethanol.
   3. Gebruik een scherp mes om het geleidende tape in kleine stukjes te snijden met dezelfde afmetingen als de elektrische pads van de microfluïdische chip, zoals weergegeven in Figuur 1 en Figuur 2.
   4. Gebruik een pincet om het geleidende tape op de elektrische pads van de PCB te plaatsen.
   5. Lign en plaats vervolgens de microfluïdische chip op de PCB.
      

Results

Figuur 3 illustreert een gedetailleerd schematisch overzicht van de voorgestelde verpakkingstechniek. De verpakkingsoplossing werd getest met verschillende PDMS-diktes en -maten om een transparant en efficiënt verpakkingsproces voor hybride micro-elektronica/microfluidische microsystemen te karakteriseren, zoals getoond in Figuur 4 en Figuur 5. De afmetingen van de ontworpen PDMS-verbindingslaag zijn 6 mm x 6 mm en deze wordt gebruikt om twee toegangsgaten te verbinden. ...

Discussion

De PDMS-interconnector is bedoeld voor toepassingen met lage druk, vloeistoflekkage in het chiptoegangsgat wanneer de PDMS-interconnector vervolgens op het toegangsgat wordt geplaatst, moet worden voorkomen. Daarom is de aanbevolen dikte van PDMS minder dan 2 mm. Een grotere dikte kan een zwakke hechting van de PDMS aan het oppervlak van de microfluïdische chip veroorzaken en wordt niet aanbevolen. Een onsuccesvolle poging werd gedaan met een dikte van 4 mm. Dit werk richt zich op de hechting van de PDMS-interconnector a...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Epoxy 731	Epotek	731
PDMS	Dow Corning	SYLGARD 184
UV Epoxy	Epotek	OG159
Micropump	Harvard Apparatus	PHD Ultra
PCB	Advanced Circuits
Plexiglass	Ecole Polytechnique
Adhesive conductive film	3M	9703