Origami Inspired Zelf-assemblage van Patterned en Herconfigureerbare Deeltjes
February 4th, 2013
We beschrijven experimentele details van de synthese van patronen en herconfigureerbare deeltjes van tweedimensionale (2D) precursors. Deze methodologie kan worden gebruikt om deeltjes te maken in een verscheidenheid van vormen zoals veelvlakken en grijpinrichtingen bij lengteschalen variërend van micro tot centimeter schaal.
Dit protocol synthetiseert precies gepatroneerde statische en herconfigureerbare deeltjes van verschillende vormen en groottes. Eerst ontwerpen we maskers voor het tweedimensionale netwerk dat uiteindelijk zal zelfassembleren tot de gewenste gepatroneerde deeltjes. Vervolgens deponeren we de offerlaag en de geleidende lagen op een platte substraat.
Fabriceer de 2D-precursors door panelen en scharnieren te patternen met behulp van fotolithografie, dunne film depositie en etsen. Vervolgens lossen we de offerlaag op om de 2D-precursors van het substraat te ontgrendelen. Uiteindelijk worden de vrijgekomen 2D-precursors blootgesteld aan specifieke stimuli om het vouwen van de deeltjes te activeren, variërend van de micrometer tot de centimeter schaal. De implicaties van deze techniek reiken tot de creatie van geminiaturiseerde slimme deeltjes, inclusief die welke biopsieën kunnen uitvoeren op moeilijk bereikbare plaatsen in het lichaam.
Bovendien kan de methode worden gebruikt met metalen, halfgeleiders en zelfs polymeren, zodat we capsules kunnen creëren die belangrijk kunnen zijn voor medicijnafgifte, vooral omdat we ze kunnen creëren in niet-sferische en multifunctionele geometrieën. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden zoals emulsie, polymerisatie of het vormen van deeltjes, is dat deze methode de nauwkeurigheid en precisie van plenaire litografie omzet in driedimensionale patterning van deeltjes met verschillende vormen en groottes. Visuele demonstratie van deze methode is cruciaal omdat de patterning- en zelfvouwende stappen moeilijk te leren zijn omdat ze zowel litografie- als zelfassemblagevaardigheden vereisen.
In deze demonstratie zullen we statische, permanent verzegeldde 300 micron grote Dora fabriceren, evenals herconfigureerbare thermogevoelige micro grijpers. Begin met een tweedimensionaal vectorgrafisch softwareprogramma. Bepaal eerst het aantal panelen in de polyhedron.
Ga verder om de hoogproductieve tweedimensionale rangschikking van panelen te bepalen, ook wel netten genoemd. Netten met de laagste rode subgeneratie en het grootste aantal secundaire vertexverbindingen zullen typisch met de hoogste kansen assembleren. Voor het paneelmasker, teken de panelen van de polyhedron als netten, met de aangrenzende panelen door een opening. Plaats vervolgens een registratiemerkteken voor latere uitlijning met het scharniermasker.
Nu voor het scharniermasker, definieer de vouwscharnieren tussen de panelen. Definieer ook de plafond scharnieren aan de randen van de panelen. Verifieer vervolgens dat het paneel- en scharniermasker overlappen met de registratie. Plafond scharnieren bieden aanzienlijke fouttolerantie tijdens het vouwen van de cel.
Druk nu de maskers af op transparante films met behulp van een hoge resolutie printer. Begin de substraatvoorbereiding met een vlak substraat. Reinig de siliciumwafels met methanol, aceton en isopropylalcohol.
Droog ze vervolgens met stikstofgas en verwarm ze gedurende vijf tot 10 minuten op 150 graden Celsius. Spuit op de siliciumwafels een 5,5 micron dikke laag van 950 P-M-M-A-A 11 aan met 1.100 RPM. Bak de substraat vervolgens drie minuten op 180 graden Celsius gedurende 60 seconden.
Gebruik een thermische verdamper om een hechtingspromotor van 30 nanometer chroom en de geleidende laag van 150 nanometer koper te deponeren. Voeg vervolgens een spincoat toe van ongeveer 10 micron dikke SPR 220 bij 1.700 RPM, en laat drie minuten staan. Stel de wafels nu bloot aan het paneelmasker met ongeveer 460 millijoule per vierkante centimeter UV-licht en een kwikgebaseerde maskeraligner.
Ontwikkel in MF 26 ontwikkelaar gedurende twee minuten, vul de ontwikkelaaroplossing aan en ontwikkel nogmaals gedurende twee minuten. Ga verder met het berekenen van de totale paneeloppervlakte en bereken de stroom die nodig is om nikkel uit een commerciële nikkelsulfaatoplossing op te leggen. Dompel vervolgens de wafel in de nikkelelektroplatingoplossing.
Herhaal de spincoat- en uitlijningsstappen voor het scharniermasker. Snijd nu de wafel in kleine stukken die 50 tot 60 netten bevatten. Bekleed de randen van de stukken met nagellak.
Bereken vervolgens het totale blootgestelde scharnieroppervlak en gebruik dit om de stroom te berekenen die nodig is om lood-tin soldeer op te leggen uit een commerciële soldeerplateringsoplossing. Dompel vervolgens de wafel in de soldeerplateringsoplossing. Los de fotoweerstand op in aceton.
Spoel de wafelstukken met IPA en droog met stikstofgas. Dompel het wafelstuk in ets PS 100 gedurende 25 tot 40 seconden om de omringende koperlaag op te lossen. Spoel af met gedistilleerd water en droog met stikstofgas. Dompel het wafelstuk nu in ets CRE 473 gedurende 30 tot 50 seconden om de omringende chroomlaag op te lossen.
Spoel af met gedistilleerd water en droog met stikstofgas. Dompel ten slotte het wafelstuk in twee tot drie milliliter NMP en verwarm gedurende drie tot vijf minuten op 100 graden Celsius tot de templates zijn vrijgemaakt van het substraat. Breng 10 tot 20 templates over in een kleine petrischaal en verdeel ze gelijkmatig.
Voeg vervolgens ongeveer drie tot vijf milliliter NMP en vijf tot zeven druppels in Delo vijf RMA vloeibare flux toe, verwarm gedurende vijf minuten op 100 graden Celsius. De flux reinigt en lost elke oxidelaag op die zich op het saer heeft gevormd en zorgt zo voor een goede soldeerbewerking bij verhitting. Verhoog de temperatuur van de hotplate tot 150 graden Celsius gedurende vijf minuten.
Verhoog langzaam tot 200 graden Celsius tot het vouwen plaatsvindt nadat de schaal is afgekoeld, spoel de dodecahedralen twee keer in aceton en eenmaal in ethanol en bewaar de dodecahedrale deeltjes in ethanol voor herconfigureerbare structuren met een metaal slachtofferlaag. Dompel het wafelstuk in een PS 100 om de onderliggende koperofferlaag te etsen. Wacht tot de micro grijpers volledig vrijgema
Overzicht
Dit protocol synthetiseert gepatroneerde en herconfigureerbare deeltjes uit tweedimensionale precursoren. De methodologie maakt het mogelijk om deeltjes in verschillende vormen te creëren, inclusief polyeders en micro grijpers, op schalen van micrometers tot centimeters.
Belangrijkste Studie Componenten
Wetenschapsgebied
- Materiaalkunde
- Nanotechnologie
- Biomedische Techniek
Achtergrond
- Gepatroneerde deeltjes kunnen in verschillende toepassingen worden gebruikt, inclusief medicijnafgifte.
- De techniek verbetert de precisie van driedimensionale deeltjesfabricage.
- Zelfassemblerende vaardigheden zijn cruciaal voor de succesvolle implementatie van deze methode.
- Bestaande methoden missen vaak de nauwkeurigheid die deze nieuwe aanpak biedt.
Doel van Studie
- Om een protocol te ontwikkelen voor het synthetiseren van statische en herconfigureerbare deeltjes.
- Om de fabricage van complexe geometrieën voor biomedische toepassingen te demonstreren.
- Om visuele begeleiding te bieden voor de uitdagende stappen van litografie en zelfassemblage.
Gebruikte Methoden
- Het ontwerpen van maskers voor tweedimensionale netten die zichzelf tot deeltjes assembleren.
- Het gebruik van fotolitografie en dunnefilmdepositietechnieken.
- Het etcheren en oplossen van opofferlagen om 2D precursoren vrij te maken.
- Het triggeren van het vouwen van de precursoren met behulp van specifieke stimuli.
Belangrijkste Resultaten
- Succesvol statische en herconfigureerbare deeltjes gefabriceerd.
- De creatie van micro grijpers en polyederstructuren gedemonstreerd.
- Een uitgebreid protocol geleverd voor toekomstige toepassingen in medicijnafgifte.
- De veelzijdigheid van de methode met verschillende materialen getoond.
Conclusies
- Het protocol maakt de creatie van complexe, multifunctionele deeltjes mogelijk.
- Deze methode kan het veld van slimme materialen aanzienlijk bevorderen.
- Visuele demonstraties zijn essentieel voor effectief leren van de technieken.
Veelgestelde Vragen
Executive Industry Relevance
This protocol enables the mass production of precisely patterned, reconfigurable particles at micro- to centimeter scales, addressing a key challenge in biomedicine: creating multifunctional, stimuli-responsive systems for targeted interventions. By combining planar lithography precision with self-assembly, it supports the development of smart particles capable of tissue biopsy and localized drug delivery, reducing reliance on invasive procedures. The method enhances predictive confidence in early discovery by providing reproducible, scalable platforms for probing biological mechanisms and validating therapeutic hypotheses.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of biological pathways through precise, patterned 3D particles that mimic complex tissue interfaces.
- Operational Value: Supports hypothesis testing via reconfigurable micro grippers that can excise tissue samples under biologically benign conditions.
- Predictive Value: Facilitates mechanistic de-risking by allowing controlled, stimulus-responsive manipulation of biological cargo in vitro.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates standardized, reconfigurable particles with defined surface patterns for high-fidelity compound screening in 3D microenvironments.
- Operational Value: Ensures assay reproducibility through parallel fabrication and simultaneous triggering of thousands of particles across wafer-scale substrates.
- Technical Value: Enables quantitative readouts via magnetic or thermal actuation, supporting dose-response analysis in phenotypic screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges discovery and preclinical stages by producing particles functional in physiologically relevant conditions (e.g., 37°C actuation).
- Operational Value: Supports continuity from in vitro validation to in vivo models through biocompatible, remotely controllable (e.g., magnetic) micro grippers.
- Risk Mitigation: Reduces translational failure risk by enabling iterative design-test cycles using the same lithographic platform across material systems.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical evaluation, offering a reusable platform for generating mechanistic insights and functional prototypes.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven design of particles that probe cellular interactions and microenvironmental responses.
- Screening: Delivers assay-ready particles with precise geometry and surface patterning for reliable compound interaction readouts.
- Analytics: Provides quantifiable outputs via folding kinetics, actuation thresholds, and cargo release profiles under controlled stimuli.
- Translational Research: Enables progression to preclinical studies via biocompatible, thermally triggered grippers functional at physiological temperatures.
- Enterprise Reuse: Represents a scalable lithography-based platform adaptable across metals, semiconductors, and polymers for diverse R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances target validation confidence through precise, reconfigurable models of biological interfaces.
- Operational Value: Delivers high-throughput, parallel fabrication with minimal batch-to-batch variability.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by enabling early-stage functional validation of therapeutic concepts.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement by generating mechanistic data that de-risks investment in complex delivery systems.
Implementation Considerations
- Requires expertise in photolithography, thin-film deposition, and sacrificial layer etching.
- Depends on access to mask aligners, thermal evaporators, and electroplating stations for multi-layer patterning.
- Necessitates cross-team standardization of mask design rules and stimulus-response protocols.
- Involves material-specific adaptation for hinge and panel layers to ensure reliable folding and sealing.
- Limited by the need for precise thermal or chemical triggering, which may constrain use in certain biological environments.
