Name: Multi-stap Variabele Hoogte fotolithografie voor Valved Multilayer microfluïdische apparaten (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-01-27T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 18 s
Description: Leer multi-stap fotolithografie voor microfluïdische apparaten met variabele hoogte en on-chip kleppen. Deze methode maakt complexe geometrieën mogelijk voor biologische toepassingen en stroomregeling.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

De auteurs bedanken Scott Longwell voor zijn nuttige opmerkingen en bewerkingen aan het manuscript en Robert Puccinelli voor de apparaatfotografie. De auteurs erkennen de genereuze ondersteuning van een Beckman Institute Technology Development Grant. K.B. wordt ondersteund door een NSF GFRP-beurs en de TLI-component van de Stanford Clinical and Translational Science Award aan Spectrum (NIH TL1 TR 001084); P.F. erkent een McCormick en Gabilan Faculty Fellowship.

<ol><li>Duncombe, T. A., Tentori, A. M., Herr, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidics%3A+reframing+biological+enquiry%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Rev.+Mol.+Cell+Bio%22%5BJournal%5D)">Microfluidics: reframing biological enquiry.</a> Nat. Rev. Mol. Cell Bio. 16 (9), (2015).</li>
<li>Squires, T. M., Quake, S. R. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.77.977">Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale.</a> Rev.Mod. Phys. 77 (3), (2005).</li>
<li>Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+origins+and+the+future+of+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">The origins and the future of microfluidics.</a> Nature. 442 (7101), (2006).</li>
<li>Kalisky, T., Blainey, P., Quake, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Genomic+Analysis+at+the+Single-Cell+Level%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Rev.+of+Genetics%22%5BJournal%5D)">Genomic Analysis at the Single-Cell Level.</a> Ann. Rev. of Genetics. 45 (1), (2011).</li>
<li>Finkel, N. H., Lou, X., Wang, C., He, L. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac0416463">Peer Reviewed: Barcoding the Microworld.</a> Anal. Chem. 76 (19), (2004).</li>
<li>Lecault, V., White, A. K., Singhal, A., Hansen, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidic+single+cell+analysis%3A+from+promise+to+practice%5BTitle%5D)+AND+%22Curr.+Opin.+in+Chem.+Bio%22%5BJournal%5D)">Microfluidic single cell analysis: from promise to practice.</a> Curr. Opin. in Chem. Bio. 16 (3-4), (2012).</li>
<li>White, A. K., Heyries, K. A., Doolin, C., VanInsberghe, M., Hansen, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-Throughput+Microfluidic+Single-Cell+Digital+Polymerase+Chain+Reaction%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">High-Throughput Microfluidic Single-Cell Digital Polymerase Chain Reaction.</a> Anal. Chem. 85 (15), (2013).</li>
<li>Hansen, C. L., Classen, S., Berger, J. M., Quake, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Microfluidic+Device+for+Kinetic+Optimization+of+Protein+Crystallization+and+In+Situ+Structure+Determination%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">A Microfluidic Device for Kinetic Optimization of Protein Crystallization and In Situ Structure Determination.</a> J. Am. Chem. Soc. 128 (10), (2006).</li>
<li>Maerkl, S. J., Quake, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Systems+Approach+to+Measuring+the+Binding+Energy+Landscapes+of+Transcription+Factors%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">A Systems Approach to Measuring the Binding Energy Landscapes of Transcription Factors.</a> Science. 315 (5809), (2007).</li>
<li>Fordyce, P. M., Gerber, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((De+novo+identification+and+biophysical+characterization+of+transcription-factor+binding+sites+with+microfluidic+affinity+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Biotech%22%5BJournal%5D)">De novo identification and biophysical characterization of transcription-factor binding sites with microfluidic affinity analysis.</a> Nat. Biotech. 28 (9), (2010).</li>
<li>Fan, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integrated+barcode+chips+for+rapid%2C+multiplexed+analysis+of+proteins+in+microliter+quantities+of+blood%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Biotech%22%5BJournal%5D)">Integrated barcode chips for rapid, multiplexed analysis of proteins in microliter quantities of blood.</a> Nat. Biotech. 26 (12), (2008).</li>
<li>Kovarik, M. L., Gach, P. C., Ornoff, D. M., Wang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro+total+analysis+systems+for+cell+biology+and+biochemical+assays%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Micro total analysis systems for cell biology and biochemical assays.</a> Anal. Chem. , (2011).</li>
<li>Stroock, A. D., Dertinger, S. K. W., Ajdari, A., Mezić, I., Stone, H. A., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chaotic+Mixer+for+Microchannels%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Chaotic Mixer for Microchannels.</a> Science. 295 (5555), 647-651 (2002).</li>
<li>Unger, M. A., Chou, H. -P., Thorsen, T., Scherer, A., Quake, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Monolithic+Microfabricated+Valves+and+Pumps+by+Multilayer+Soft+Lithography%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Monolithic Microfabricated Valves and Pumps by Multilayer Soft Lithography.</a> Science. 288 (5463), 113-116 (2000).</li>
<li>Thorsen, T., Maerkl, S. J., Quake, S. R. <a target="_blank" href="http://science.sciencemag.org/content/298/5593/580">Microfluidic Large-Scale Integration.</a> Science. 298 (5593), (2002).</li>
<li>Li, N., Sip, C., Folch, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidic+Chips+Controlled+with+Elastomeric+Microvalve+Arrays%5BTitle%5D)+AND+%22JoVE%22%5BJournal%5D)">Microfluidic Chips Controlled with Elastomeric Microvalve Arrays.</a> JoVE. (8), e296(2007).</li>
<li>Kim, P., et al. <a target="_blank" href="http://s-space.snu.ac.kr/bitstream/10371/9558/1/85.(2-1)42-20080331162245.pdf">Soft lithography for microfluidics: a review.</a> Biochip. J. 2 (1), 1-11 (2008).</li>
<li>Studer, V., Hang, G., Pandolfi, A., Ortiz, M., Anderson, W. F., Quake, S. R. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1629781">Scaling properties of a low-actuation pressure microfluidic valve.</a> J. Appl. Phys. 95 (1), 393-398 (2004).</li>
<li>Kartalov, E. P., Scherer, A., Quake, S. R., Taylor, C. R., Anderson, W. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimentally+validated+quantitative+linear+model+for+the+device+physics+of+elastomeric+microfluidic+valves%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Experimentally validated quantitative linear model for the device physics of elastomeric microfluidic valves.</a> J. Appl. Phys. 101 (6), 064505(2007).</li>
<li>Gerver, R. E., Gómez-Sjöberg, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Programmable+microfluidic+synthesis+of+spectrally+encoded+microspheres%5BTitle%5D)+AND+%22Lab.+Chip%22%5BJournal%5D)">Programmable microfluidic synthesis of spectrally encoded microspheres.</a> Lab. Chip. 12 (22), 4716-4723 (2012).</li>
<li>Fordyce, P. M., Diaz-Botia, C. A., DeRisi, J. L., Gómez-Sjöberg, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Systematic+characterization+of+feature+dimensions+and+closing+pressures+for+microfluidic+valves+produced+via+photoresist+reflow%5BTitle%5D)+AND+%22Lab.+Chip%22%5BJournal%5D)">Systematic characterization of feature dimensions and closing pressures for microfluidic valves produced via photoresist reflow.</a> Lab. Chip. 12 (21), 4287-4295 (2012).</li>
<li>Li, C. -W., Cheung, C. N., Yang, J., Tzang, C. H., Yang, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((PDMS-based+microfluidic+device+with+multi-height+structures+fabricated+by+single-step+photolithography+using+printed+circuit+board+as+masters%5BTitle%5D)+AND+%22The+Analyst%22%5BJournal%5D)">PDMS-based microfluidic device with multi-height structures fabricated by single-step photolithography using printed circuit board as masters.</a> The Analyst. 128 (9), 1137-1142 (2003).</li>
<li>Romanowsky, M. B., Abate, A. R., Rotem, A., Holtze, C., Weitz, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+throughput+production+of+single+core+double+emulsions+in+a+parallelized+microfluidic+device%5BTitle%5D)+AND+%22Lab.+Chip%22%5BJournal%5D)">High throughput production of single core double emulsions in a parallelized microfluidic device.</a> Lab. Chip. 12 (4), 802-807 (2012).</li>
<li>Mata, A., Fleischman, A. J., Roy, S. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/16/2/012/meta">Fabrication of multi-layer SU-8 microstructures.</a> JMM. 16 (2), 276(2006).</li>
<li>Microchem. SU-8 2000 Series Data Sheet. , Microchem. Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.microchem.com/pdf/SU-82000DataSheet2025thru2075Ver4.pdf">http://www.microchem.com/pdf/SU-82000DataSheet2025thru2075Ver4.pdf</a> (2016).</li>
<li>Fordyce, P. M., DeRisi, J. L., Gómez-Sjöberg, R. AZ50 XT Feature Height Calculator. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://derisilab.ucsf.edu/software/AZ50XT/AZ50XTToolInput.html">http://derisilab.ucsf.edu/software/AZ50XT/AZ50XTToolInput.html</a> (2016).</li>
<li>Foundry, S. M. Stanford Microfluidics Foundry Website. , Available from:
 > <a target="_blank" href="http://web.stanford.edu/group/foundry/Microfluidic%20valve%20technology.html">http://web.stanford.edu/group/foundry/Microfluidic%20valve%20technology.html</a> (2016).</li>
<li>Sjöberg, R. Rafael's Microfluidics Site. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://sites.google.com/site/rafaelsmicrofluidicspage/valve-controllers">https://sites.google.com/site/rafaelsmicrofluidicspage/valve-controllers</a> (2016).</li>
<li>Wanat, S., Plass, R., Sison, E., Zhuang, H., Lu, P. -H. <a target="_blank" href="http://adsabs.harvard.edu/abs/2003SPIE.5039.1281W">Optimized Thick Film Processing for Bumping Layers.</a> Proc. SPIE. , 1281-1288 (2003).</li>
</ol>

De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen hebben.

Dit werk toont een complete multi-step fotolithografie protocol voor een meerlaagse microfluïdische apparaat met kleppen en variabele hoogte geometrie die kan worden afgesteld op elke applicatie met eenvoudige aanpassingen aan de fabricage parameters op basis van onze online tool 26 en instructies van de fabrikant 25. Dit protocol is bedoeld voor meerlaagse fotolithografie helderen voor onderzoekers willen microfluïdische inrichtingen te construeren dan eenvoudige, passiev...

<html> In de afgelopen 15 jaar heeft microfluidics als een akker snelle groei doorgemaakt, met een explosie van nieuwe technologieën die de manipulatie van vloeistoffen in de micrometer schaal 1. Microfluïde systemen zijn aantrekkelijk platforms voor natte laboratorium functionaliteit omdat de kleine hoeveelheden hebben het potentieel om hogere snelheid en gevoeligheid te realiseren terwijl tegelijkertijd de dramatische toename doorvoer en lagere kosten door gebruik schaalvoordelen 2, 3. Meerlaagse microfluïde systemen zijn bijzonder significant effect in high-throughput biochemische analyses aan zoals single cell analyse 4, 5, 6, enkel molecuul analyse (bijvoorbeeld digitale PCR 7), proteïne kristallografie 8, transcriptiefactor bindingstesten gemaaktf &quot;&gt; 9, 10, 11 en cellulaire screening. Een centraal doel van microfluïdische is de ontwikkeling van &quot;lab op een chip&quot; inrichtingen die in staat zijn complexe vloeibare manipulaties binnen één apparaat voor biochemische analyse totaal 12 zijn. De ontwikkeling van multi-layer zachte lithografie technieken heeft geholpen realiseren van deze doelstelling doordat creatie van on-chip kleppen, mixers, en pompen voor het actief regelen van vloeistoffen in kleine volumes 13, 14, 15. Ondanks hun voordelen en toepassingen aangetoond Veel van deze microfluidic technologieën blijven grotendeels uitgespannen niet-gespecialiseerde gebruikers. Wijdverbreide toepassing is een uitdaging voor een deel te wijten aan beperkte toegang tot microfabrication faciliteiten, maar ook als gevolg van onvoldoende communicatie van fabricagetechnieken. Dit geldt vooral for multilayer microfluïdische apparaten met structuren voor afsluiters of complexe geometrieën: het gebrek aan gedetailleerde, praktische informatie over belangrijke ontwerp parameters en fabricagetechnieken schrikt vaak nieuwe onderzoekers van het aanbreken van projecten waarbij het ontwerp en de creatie van deze apparaten. Dit artikel is bedoeld om deze kenniskloof te pakken door het presenteren van een compleet protocol voor het maken van meerlaagse microfluïdische apparaten met kleppen en variabele hoogte functies, vanaf het ontwerp parameters en bewegen door alle fabricage stappen. Door te focussen op de eerste fotolithografie stappen van de fabricatie, dit protocol vormt een aanvulling op andere microfluidics protocollen 16 die stroomafwaarts stappen van het gieten van apparaten van mallen en hardlopen specifieke experimenten te beschrijven. Microfluïdische inrichtingen met monolithische on-chip kleppen bestaan ​​uit twee lagen: een &quot;flow&quot; laag, waarbij het van belang zijnde fluïdum wordt gemanipuleerd microkanalen, en een &quot;control&quot; laag, waar de microkanalen met lucht of water selectief stroming in de stroom laag 14 kunnen moduleren. Deze twee lagen zijn elk vervaardigd op een afzonderlijke silicium molding meester, die vervolgens voor polydimethylsiloxaan (PDMS) replica vormen wordt gebruikt in een proces dat &quot;zachte lithografie 17.&quot; Teneinde een meerlaagse inrichting te vormen, elk van de PDMS lagen omtrent hun respectieve vormen meesters en uitgelijnd met elkaar, waardoor een samengesteld PDMS apparaat met kanalen in elke laag gevormd. Kleppen zijn gevormd op plaatsen waar flow en besturingskanalen elkaar kruisen en zijn gescheiden door slechts een dun membraan; onder druk zetten van het besturingskanaal afbuigt dit membraan aan het stromingskanaal afsluiten en lokaal verplaatsen van de vloeistof (figuur 1). Actief op-chip kleppen kunnen worden vervaardigd op verschillende manieren, afhankelijk van de gewenste eindtoepassing. Valveskunnen worden geconfigureerd in ofwel een &quot;duw&quot; of &quot;opdrijven&quot; geometrie, naargelang de besturingslaag boven of onder de stroom laag (figuur 1) 15. &quot;Push up&quot; geometrieën mogelijk lagere sluitdrukken en hogere stabiliteit toestel tegen delaminatie, terwijl &quot;duw&quot; geometrieën mogelijk maken de stroomkanalen in direct contact met het gebonden substraat, geven het voordeel van selectieve functionalisering en patroonvorming van het substraatoppervlak later functionaliteit 18, 19. Kleppen kunnen ook opzettelijk lek &quot;zeef&quot; kleppen of volledig afsluitbaar zijn, afhankelijk van het dwarsdoorsnedeprofiel van het stromingskanaal. Zeef kleppen zijn bruikbaar voor het vangen van korrels, cellen of andere macroanalytes 1 en gefabriceerd via het gebruik van typische negatieve fotoresists (dwz SU-8-serie), die have rechthoekige profielen. Wanneer een besturingskanaal onder druk via deze klepgebieden de PDMS membraan tussen het bedieningsorgaan en stroom afbuigt laag isotroop in het kokerprofiel van de klep niet sluiten de hoeken, waardoor fluïdumstroming maar vangen macroschaal deeltjes (figuur 1). Omgekeerd worden volledig afdichtbare microfluïdische kleppen vervaardigd door op een klein stukje ronde fotoresist op afsluiterlocaties. Met deze geometrie druk zetten van het besturingskanaal buigt het membraan tegen de afgeronde stroom laag om het kanaal volledig afdichten, stoppen fluïdumstroming. Afgeronde profielen in de stroom laag worden gegenereerd via het smelten en opnieuw plaatsen van de positieve fotoresist (bijv AZ50 XT of SPR 220) na het typische fotolithografie stappen. We hebben eerder aangetoond dat post-reflow hoogten van klep regio&#39;s zijn afhankelijk van de gekozen functie afmetingen 21. Dit protocol toont de vervaardiging van Afsluiter met geometrieënin een kraal synthese apparaat. <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/55276/55276fig1.jpg" /> Figuur 1: Multilayer microfluïdische Valve Geometries. Typische &quot;push up&quot; apparaat architecturen voor zeef en volledig afsluitbare kleppen vóór (boven) en na (onder) onder druk. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55276/55276fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> Apparaten kunnen ook complexe passieve functies, zoals chaotisch mixers 13 en on-chip weerstanden 20 die kenmerken van meerdere verschillende hoogtes binnen eenzelfde stroom laag. Een variabele hoogte laag debiet te bereiken, hebben verschillende groepen vele methoden waaronder printplaat etsen 22, multilayer PDMS hulp uitlijning 23 of meerdere stappen Pp toegepasthotolithography 24. Onze groep heeft meerstaps fotolithografie gevonden uit één stuk vervaardigd meester een doeltreffende en reproduceerbare methode. Om dit te doen, is een eenvoudige fotolithografie techniek van het bouwen van dikke kanalen van negatieve fotolak (bv SU-8-serie fotoresists) in lagen zonder ontwikkeling in tussen de toepassing van elke laag gebruikt. Elke laag wordt gesponnen negatief fotoresist volgens zijn dikte middels instructies van de fabrikant 25 op de silicium meester. Kenmerken van deze hoogte worden vervolgens gevormd op de laag met een specifieke transparantiemasker (figuur 2) aangebracht op een glazen maskerplaat en afgestemd op de eerder gesponnen laag vóór blootstelling. In multi-step fotolithografie, nauwkeurige uitlijning tussen de lagen is van cruciaal belang bij het vormen van een volledige variabele hoogte stromingskanaal. Na uitlijning wordt elke laag aan een dikte afhankelijke bakken na belichting. Zonder ontwikkeling, de volgende laag is similarly patroon. Hierdoor kunnen hoge functies worden opgebouwd op een enkele stroom wafer layer-by-layer via het gebruik van meerdere maskers. Door het overslaan van ontwikkeling tussen elke stap, kunnen vorige fotoresist lagen worden gebruikt om samengestelde hoogte functies genereren 24 (dat wil zeggen, kan twee 25 urn lagen een 50 pm functie te maken). Bovendien kan kanaal vloer functies zoals chaotisch mixer visgraat groeven 13 worden gemaakt met behulp van lagen met eerder blootgesteld functies. Een laatste ontwikkelingsstap het proces is voltooid, waardoor een enkele stroom wafer met gebruik van variabele hoogte (figuur 3). Hier wordt een volledige protocol voor meerdere stappen die fotolithografie voorbeelden nodige on-chip kleppen en stromingskanalen met verschillende hoogtes fabriceren procedures omvat voorzien. Deze fabricage protocol wordt gepresenteerd in de context van een multi-layer microfluïdische kraal synthesizer die kleppen en variab vereistle-height beschikt voor zijn functionaliteit. Dit apparaat is voorzien van T-kruisingen voor het genereren van waterdruppeltjes in een olie schede, on-chip weerstanden om debieten te moduleren door middel van het regelen van Poiseuille weerstand, een chaotische mixer voor homogeniseren druppel componenten, en beide volledig verzegelen en zeef kleppen om geautomatiseerde workflows met meerdere reagens mogelijk te maken ingangen. Gebruik meerstaps fotolithografie, worden deze functies elk gefabriceerd op een andere laag volgens hoogte of fotoresist; de volgende lagen zijn opgebouwd in dit protocol: (1) Flow Rond klep laag (55 urn, AZ50 XT) (2) Flow Low laag (55 urn, SU-8 2050) (3) Flow High laag (85 urn, SU- 8 2025, 30 urn additief hoogte), en (4) visgraat Grooves (125 urn, SU-8 2025, 40 urn additief hoogte) (figuur 3). Hydrogel kralen kan worden gebruikt voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder selectieve functionalisering oppervlak voor stroomafwaartse testen, geneesmiddelinkapseling, radiotracing en imaging assays en mobiele integratie; we voorheen een complexere uitvoering van deze apparaten spectraal gecodeerde PEG hydrogel bolletjes, bevattende lanthanide nanophosphors 20 produceren. De ontwerpen die hier besproken zijn opgenomen in de aanvullende middelen voor elk lab te gebruiken in hun onderzoeksinspanningen indien gewenst. We verwachten dat dit protocol een open bron voor specialisten en niet-specialisten zowel geïnteresseerd in het maken van multi-layer microfluïdische apparaten met kleppen of complexe geometrieën aan de toetredingsdrempel in microfluidics te verlagen en verhogen de kans op fabricage succes zal bieden.

<table><tbody><tr><td>Materials</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mylar Transparency Masks, 5"</td><td>FineLine Plotting</td><td></td><td></td></tr><tr><td>5" Quartz Plates</td><td>United Silica&nbsp;</td><td>Custom</td><td></td></tr><tr><td>4" Silicon Wafers, Test Grade</td><td>University Wafer</td><td>452</td><td></td></tr><tr><td>SU8 2005, 2025, 2050 photoresist</td><td>Microchem</td><td>Y111045, Y111069, Y111072</td><td></td></tr><tr><td>Az50XT&nbsp;</td><td>Integrated Micromaterials</td><td>AZ50XT-Q</td><td></td></tr><tr><td>SU8 Developer</td><td>Microchem</td><td>Y020100</td><td></td></tr><tr><td>AZ400K 1:3 Developer</td><td>Integrated Micromaterials</td><td>AZ400K1:3-CS</td><td></td></tr><tr><td>Pyrex 150 mm glass dish</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>CLS3140150-1EA</td><td></td></tr><tr><td>Wafer Petri Dishes, 150 mm</td><td>VWR</td><td>25384-326</td><td></td></tr><tr><td>Wafer Tweezers&nbsp;</td><td>Electron Microscopy Sciences (EMS)</td><td>78410-2W</td><td></td></tr><tr><td>Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane (PFOTS)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>448931-10G</td><td></td></tr><tr><td>2" x 3" glass slides</td><td>Thomas Scientific&nbsp;</td><td>6686K20</td><td></td></tr><tr><td>RTV 615 elastomeric base and curing agent PDMS set</td><td>Momentive&nbsp;</td><td>RTV615-1P</td><td></td></tr><tr><td>Tygon Tubing, 0.02" O.D.&nbsp;</td><td>Fischer Scientific&nbsp;</td><td>14-171-284</td><td></td></tr><tr><td>Capillary PEEK tubing, 510 &#956;m OD, 125 &#956;m ID</td><td>Zeus</td><td>Custom</td><td>360 &#956;m PEEK is readily available by Idex (catalog number: 1571)</td></tr><tr><td>Cyro 4 ml tube</td><td>Greiner Bio-One</td><td>127279</td><td></td></tr><tr><td>Epoxy, 30 min</td><td>Permatex</td><td>84107</td><td></td></tr><tr><td>Metal Pins, 0.025" OD,.013" ID</td><td>New England Small Tube</td><td>NE-1310-02</td><td></td></tr><tr><td>Poly(ethylene glycol) diacrylate, Mn 700</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>455008-100ML</td><td></td></tr><tr><td>Lithium Phenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphinate photoinitiator&nbsp;</td><td>Tokyo Chemical Industry Co.</td><td>L0290</td><td>We typically synthesize LAP in-house.&nbsp;</td></tr><tr><td>HEPES</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>H4034-25G</td><td></td></tr><tr><td>Light mineral oil</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>330779-1L</td><td></td></tr><tr><td>Span-80</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>85548</td><td></td></tr><tr><td>ABIL EM 90</td><td>UPI Chem</td><td>420095</td><td>&nbsp; &nbsp;</td></tr><tr><td>Name&nbsp;</td><td>Company</td><td>Catalog Number</td><td>Comments</td></tr><tr><td>Equipment</td><td>Equivalent equiptment or homebuilt setups will work equally as well</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mask Aligner</td><td>Karl Suss</td><td>MA6</td><td></td></tr><tr><td>Profilometer</td><td>KLA-Tencor</td><td>Alpha-Step D500</td><td></td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td>Laurell Technologies</td><td>WS-650-23</td><td>Any spincoater can be used that accepts 100 mm wafers</td></tr><tr><td>Vacuum Dessicator, Bell-Jar Style</td><td>Bel-Art</td><td>420100000</td><td></td></tr><tr><td>Oven</td><td>Cole-Palmer</td><td>WU-52120-02</td><td></td></tr><tr><td>UV Spot Curing System with 3 mm LLG option</td><td>Dymax</td><td>41015</td><td>UV LEDs, Xenon Arc Lamps, or other UV sources of the same intensity work equally as well</td></tr><tr><td>MFCS Microfluidic Fluid Control System</td><td>Fluidgent</td><td>MFCS-EZ</td><td>Syringe pumps, custom pneumatics or other control systems can also be used</td></tr><tr><td>Automated control scripting</td><td>MATLAB</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Hotplate</td><td>Tory Pines Scientific</td><td>HP30</td><td>Any hotplate with uniform heating (i.e., aluminum or ceramic plates) will suffice.</td></tr></tbody></table>

multi-stap variabele hoogte fotolithografie voor valved multilayer microfluïdische apparaten

Multi-step Variable Height Photolithography for Valved Multilayer Microfluidic Devices

Microfluidische systemen hebben krachtige nieuwe benaderingen mogelijk gemaakt voor biochemische en biologische analyses met hoge doorvoer. Er blijft echter een toegangsbarrière bestaan voor niet-specialisten die enorm zouden profiteren van de mogelijkheid om hun eigen microfluïdische apparaten te ontwikkelen om onderzoeksvragen aan te pakken. Wat vooral ontbrak, is de open verspreiding van protocollen met betrekking tot fotolitografie, een sleutelstap in de ontwikkeling van een replicamal voor de vervaardiging van polydimethylsiloxaan (PDMS) apparaten. Hoewel de fabricage van siliconen masters met één hoogte uitvoerig is onderzocht in de literatuur, worden fabricagestappen voor meer gecompliceerde fotolitografie-functies die nodig zijn voor veel interessante apparaatfunctionaliteiten (zoals kenmerkafronding om klepstructuren te maken, patroonvorming met meerdere hoogtes en enkele mal, of definitie van hoge aspectverhouding) vaak niet expliciet beschreven.
Hier bieden we een compleet protocol voor het maken van meerlagige microfluïdische apparaten met kleppen en complexe geometrieën met meerdere hoogtes, afstembaar voor elke toepassing. Deze fabricageprocedures worden gepresenteerd in de context van een microfluïdische hydrogelparelsynthese en demonstreren de productie van druppels met polyethyleenglycol (PEG diacrylate) en een foto-initiator die kan worden gepolymeriseerd tot vaste parels. Dit protocol en de bijbehorende bespreking bieden een basis van ontwerpprincipes en fabricagemethoden die de ontwikkeling van een breed scala aan microfluïdische apparaten mogelijk maken. De hier opgenomen details zouden niet-specialisten in staat moeten stellen nieuwe apparaten te ontwerpen en te fabriceren, waardoor een groot aantal recent ontwikkelde technologieën naar hun meest opwindende toepassingen in biologische laboratoria kunnen worden gebracht.

Hier tonen we de fabricage van kleppen voorziene, variabele hoogte multilayer microfluïdische mallen door inrichtingen kunnen genereren polyethyleenglycol (PEG) hydrogel parels van druppeltjes (Figuur 2). Een overzicht van het totale fabricageproces is opgenomen in figuur 3. Met designelementen uit eerder werk, de kraal synthesizer telt 4 hoogtes in de stroom laag omvattende (1) afgerond AZ50 XT kleppen voor laminaire stroming modulati...

Meerlagige microfluïdische apparaten omvatten vaak de fabricage van mastervormen met complexe geometrieën voor functionaliteit. Dit artikel presenteert een volledig protocol voor meertraps fotolitografie met kleppen en functies met variabele hoogte die afstembaar zijn op elke toepassing. Als demonstratie fabriceren we een microfluïdische druppelgenerator die in staat is om hydrogelkorrels te produceren.

Multi-stap Variabele Hoogte fotolithografie voor Valved Multilayer microfluïdische apparaten

Microfluidic systems have enabled powerful new approaches to high-throughput biochemical and biological analysis. However, there remains a barrier to ...

Het algemene doel van dit videoprotocol is om een volledige meerstaps fotolithografie van microfluïdische mastermallen te demonstreren met on-chip kleppen en kenmerken met meerdere hoogtes die instelbaar zijn voor elke toepassing. Deze methode biedt een volledig overzicht van hoe mastermallen met complexe geometrieën, inclusief on-chip membraankleppen, kunnen worden gefabriceerd voor microfluïdische apparaten. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het mogelijk maakt om de stroming in microfluïdische apparaten eenvoudig te beheersen, waardoor een belangrijke drempel voor de toepassing van microfluïdica in biologische toepassingen wordt weggenomen.Een visuele demonstratie van deze techniek is essentieel, aangezien de stappen voor fotolithografie voor beginners vaak moeilijk onder de knie te krijgen zijn. Correcte uitlijning, ontwikkeling en belichting zijn afhankelijk van visuele aanwijzingen en ervaring met cleanrooms. Begin met het ontwerpen van uw apparaat en het voorbereiden van de individuele fotomaskers voor de meerlaagse geometrieën.Bereid daarnaast ongeveer vier wafers voor met een laag SU-8 2050 negatieve fotolak van vijf micron, en voer een flood-exposure uit zoals beschreven in het bijbehorende tekstprotocol. Plaats de gecoate wafer op een spin-coater en schakel het vacuüm in om deze aan de spin-chuck te bevestigen. Gebruik stikstof of perslucht om eventueel stof van het oppervlak te blazen.Breng vervolgens twee tot drie milliliters AZ 50XT positieve fotolak aan op het midden van de wafer. Spin-coat de fotolak om een laag van 55 micron te creëren. Plaats de wafer na het coaten voorzichtig in een Petrischaaltje van vijf inch en laat deze 20 minuten rusten.Voer vervolgens een soft bake van de wafer uit op een warmteplaat gedurende 22 minuten, terwijl de temperatuur wordt verhoogd van 65 °C naar 112 °C met een snelheid van 450 °C per uur. Verwijder daarna de wafer en laat deze overnacht bij kamertemperatuur in een Petrischaal rusten voor ambientale rehydratie. Plak het transparante masker met ronde openingen op de glazen plaat van vijf inch, zodanig dat de printzijde het dichtst bij de wafer ligt, en plaats dit in de maskerpositioneer van de UV-maskenaliner.Stel de wafer bloot aan 930 milliJoules UV in zes cycli. Ontwikkel de wafer onmiddellijk door deze drie tot vijf minuten onder te dompelen in een geroerd bad met ontwikkelaar, of totdat het bad paars wordt en de structuren zichtbaar worden. Verwijder de wafer na ontwikkeling en spoel deze grondig af met gedeïoniseerd water.Voer vervolgens een hard-bake uit op de wafer om de klepstructuren te smelten en af te ronden. Verhoog de temperatuur van 65 naar 190 °C gedurende 15 uur met een snelheid van 10 °C per uur. Schakel na voltooiing de warmteplaat uit en laat de wafer afkoelen tot kamertemperatuur.De kenmerken op de wafer zijn nu afgerond. Dit hard-bakken is essentieel om rechthoekige klepstructuren correct te laten vloeien tot afgeronde klepprofielen. Kortere tijden kunnen leiden tot scheurvorming of instabiliteit.Om een device met structuren van variabele hoogte te vervaardigen, plaatst u de gereinigde wafer op een spincoater zoals eerder getoond. Breng één tot twee milliliter SU-8 2050 negatieve fotolak aan in het centrum van de wafer en spin de fotolak over de ontwikkelde klepstructuren. Plaats de gesponnen wafer vervolgens voorzichtig in een Petrischaal van vijf inch en laat deze 20 minuten rusten op een vlak oppervlak, of totdat eventuele streeppatronen zijn verdwenen.Verwarm vervolgens twee warmteplaten voor tot 65 °C en 95 °C. Plaats de wafer vervolgens gedurende twee minuten op de plaat van 65 °C, acht minuten op de plaat van 95 °C en nogmaals twee minuten op de plaat van 65 °C om de wafer zacht te bakken (soft bake). Zodra de wafer is afgekoeld tot kamertemperatuur, wordt het flow low-transparantiemasker met tape op een vijfduims kwartsglasplaat bevestigd, zodanig dat de printzijde het dichtst bij de wafer ligt, waarna het in de maskerhouder van de UV-maskeruitlijner wordt geladen. Plaats vervolgens de wafer in het klemvat van de UV-maskeruitlijner en lijn de kenmerken van de nieuwe flow low-laag zorgvuldig uit op de kenmerken van de flow-ronde kleplaag met behulp van het microscoopoculair of de camera.Begin met het uitlijnen van de horizontale, verticale en kantelassen van de apparaatranden op de kenmerken van de apparaatrand op het masker. Lijn vervolgens de kruisdraadkenmerken tussen de lagen uit. Bevestig tot slot dat de klepkenmerken op de gewenste plaatsen snijden met de kenmerken van de lage stroming.Stel de wafer vervolgens bloot aan 170 milliJoule UV-depositie. Verwijder na afloop de wafer en voer een nabelechting uit door deze afwisselend op de twee hotplates te plaatsen die zijn ingesteld op 65 graden Celsius en 95 graden Celsius. Laat de wafer afkoelen tot kamertemperatuur zonder deze te ontwikkelen, en voeg vervolgens opeenvolgend de flow high-laag en daarna de chaotic mixer herringbone-laag toe met behulp van SU-8 2025, zoals beschreven in het bijbehorende tekstprotocol.Nadat alle lagen zijn voltooid, worden de structuren ontwikkeld door de wafer 3,5 minuten lang, of totdat de structuren duidelijk zichtbaar zijn, onder te dompelen in een geroerd bad met 25 milliliters SU-8 developer. Gebruik een stereoscoop om te verifiëren dat de structuren duidelijke, gedefinieerde grenzen hebben. Controleer tijdens het ontwikkelen elke 20 seconden of de structuren volledig zijn gedefinieerd en of de resist is weggespoeld.Overontwikkeling kan leiden tot beschadiging van de structuren, vooral bij complexe malontwerpen. Hard-bake daarna de wafer om alle fotolithografische structuren te stabiliseren. Fabriceer vervolgens de controllaag zoals beschreven in het bijbehorende tekstprotocol.Stel meerlaagse microfluïdische apparaten in een push-up geometrie op glas fabriceer volgens bestaande open-access protocollen, en gebruik visuele inspectie om te controleren of alle kleppen correct zijn uitgelijnd met de controlelijnen en of alle inlaatpoorten volledig zijn doorgeprikt voordat u verdergaat. Verbind Tygon-slangen gevuld met water aan een stroomsysteem, zoals een spuitenpomp, vloeistofcontrollers of een open-source array van magneetventielen met reservoirs. Verbind vervolgens metalen pinnen met de slangen en de metalen pinnen met de poorten van het apparaat bij de inlaat van de controlelijnen.Stel vervolgens het debietregelsysteem voor elke lijn in op 25 PSI om de regelsturingen van het apparaat onder druk te zetten. Controleer onder de microscoop of de kleppen sluiten en opnieuw openen. Suspendeer 3,9 mg foto-initiator in 100 µL DI-water in een microcentrifugebuis om de foto-initiatoroplossing te bereiden die wordt gebruikt om druppels te polymeriseren tot hydrogelkralen.Dek de oplossing af om deze tegen licht te beschermen. Voeg in een tweede microcentrifugebuis 132 µL gedeïoniseerd water, 172 µL PEG-diacrylaat, 12 µL van de foto-initiatoroplossing en 85 µL HEPES-buffer toe om de hydrogel-druppeloplossing te maken. Breng de hydrogel-druppeloplossing over naar een aangepast cryogeen buisvat.Sluit vervolgens de slang van het cryogene buisvat aan op een regelbare drukbron en verbind de PEEK-slang met de reagensinlaat van het apparaat. Plaats daarna de PEEK-slang bij de uitlaat van het apparaat om de druppels op te vangen. Verwijder luchtbellen uit het apparaat, zet het systeem opnieuw onder druk, laat vervolgens de RO1-olieklep ontdrukken en stel de oliedruk in op 10 PSI.Stel vervolgens de druk van het PEG-mengsel in op 9 PSI, laat de druk op de stroomopwaartse kleppen wegnemen en pas de druk naar behoefte aan om druppels van de gewenste grootte te produceren. Bepaal de druppelgrootte via microscopie met behulp van een camera met 50 FPS of hoger. Wanneer de druppels gestabiliseerd zijn, plaatst u een UV-lichtbron boven het polymerisatiegebied van het apparaat en richt u 100 mW/cm² licht met een golflengte van 365 nm vanuit de bron op een plek van 5 mm.Zet de kraalkraalventiel onder druk om te zien hoe de gepolymeriseerde kraaltjes zich verzamelen en om er zeker van te zijn dat de druppels tot kraaltjes zijn uitgehard. Ontlast tot slot het kraalkraalventiel en verzamel de kraaltjes in een buis via de PEEK-uitlaatslang. Dit protocol begint met het demonstreren van een methode voor het afronden van stroomkleppen.Hier werd een profilometer gebruikt om het typische afrondingsprofiel van de klep na het reflow-proces te bepalen dat met deze methode wordt bereikt, waarbij een hoogte van ongeveer 55 microns zichtbaar is. In de afbeelding links is de klep uitgeschakeld en kan vloeistof door de kanalen stromen. Zodra de kleppen worden geactiveerd door ze onder druk te zetten, wordt de stroming door deze kleppen onderbroken.Hier is het apparaat voor de synthese van kralen in werking te zien, waarbij hydrogel-druppels in een olie-emulsie worden geproduceerd bij de T-splitsing-druppelgenerator. Door een stroom stroomafwaarts gedeeltelijk af te sluiten met een zeefklep, kan de vloeistof blijven stromen, maar raken de kralen gevangen achter de klep. De resulterende kralen die via dit proces zijn geproduceerd, hadden een gemiddelde diameter van 52,6 microns met een standaarddeviatie van slechts 1,6 microns.Van bijna 3.000 beads weken minder dan 1% meer dan drie standaarddeviaties af. Zodra deze techniek onder knie is, kan het proces van ontwerp tot testen in drie dagen worden voltooid. Dit maakt snelle iteraties van het ontwerp mogelijk.Door deze procedure te volgen, kunnen zelfs onderzoekers met weinig ervaring in fabricage hun eigen complexe microfluïdische apparaten bouwen en deze toepassen op hun eigen biologische vraagstukken. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van het uitvoeren van de fotolithografische stappen die nodig zijn om microfluïdische apparaten van elk complexiteitsniveau te maken, inclusief apparaten met complexe kenmerken van variabele hoogte of kleppen.

multi-step-variable-height-photolithography-for-valved-multilayer

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bio-engineering

Tonen we protocollen voor de productie en het automatiseren van elastomeer polydimethylsiloxaan (PDMS) op basis van microklep arrays dat er geen extra energie nodig te sluiten en zijn voorzien van photolithographically gedefinieerd precieze volumes. Een parallel subnanoliter-volume mixer en een geïntegreerd microfluïdische perfusie-systeem worden gepresenteerd.

Microfluïdische Chips Gecontroleerde met elastomeer microklep Arrays

Een microchannels-on-a-chip platform werd ontwikkeld door de combinatie van fotolithografische reflowable fotolak techniek, zachte lithografie, en microfluidics. Het endotheel microkanalen platform bootst de driedimensionale (3D) geometrie van in vivo micro-vaatjes, loopt onder gecontroleerde continue perfusie stroom, zorgt voor hoge kwaliteit en real-time beeldvorming en kan worden toegepast voor microvasculaire onderzoek.

Procedure voor de ontwikkeling van multi-diepte Circulaire Cross-sectionele endotheel Microkanalen-on-a-chip

Hier presenteren we een protocol voor het isoleren en kweken van enkele cellen met een microfluïdische platform, dat een nieuw microwell-ontwerpconcept gebruikt om hoogwaardige isolatie van enkele cellen en langdurige klonale kweek mogelijk te maken.

Een microfluïdische platform voor High-throughput Single-cell Isolatie en Cultuur

Een protocol voor de fabrikatie van kunststof microfluidic apparaten met transparante weergave-poorten voor zichtbaar en infrarood licht beeldvorming wordt beschreven.

Zachte lithografische Procedure voor de productie van kunststof Microfluidic apparaten met weergave-poorten transparant voor zichtbaar en infrarood licht

Verschillende methoden zijn beschikbaar voor de fabricage van alle zenders van niet-rechthoekige stukken ingesloten in Polydimethylsiloxaan microfluidic apparaten. De meeste van hen betrekken meerstaps productie en uitgebreide uitlijning. In deze paper is een one-step-aanpak voor het fabriceren van microfluidic kanalen van verschillende geometrische kruissecties gerapporteerd door Polydimethylsiloxaan sequentiële nat etsen.

Één stap aanpak te fabriceren Polydimethylsiloxaan Microfluidic kanalen van verschillende geometrische secties door sequentiële nat etsen processen

Het fabricageproces van een op PDMS gebaseerd, meerlaagse, microfluïdisch apparaat waarmee in vitro transcriptie-en vertalings Reacties (IVTT) gedurende langere perioden kunnen worden uitgevoerd, wordt beschreven. Bovendien wordt een uitgebreid overzicht gegeven van de hardware en software die nodig is voor het automatiseren en onderhouden van deze reacties voor langdurige duur.

Een Multilayer microfluidic platform voor de geleiding van langdurige cel-vrije genexpressie

We presenteren een microfluïdisch systeem voor studies met hoge doorvoer op complexe levensmachines, dat bestaat uit 1500 kweekeenheden, een reeks verbeterde peristaltische pompen en een on-site mengmodulus. De microfluïdische chip maakt de analyse van de zeer complexe en dynamische micromilieuomstandigheden in vivo mogelijk.

Generatie van dynamische omgevingsomstandigheden met behulp van een microfluïdisch apparaat met hoge doorvoer

Dit project stelt kleine laboratoria in staat om een eenvoudig te gebruiken platform te ontwikkelen voor de fabricage van nauwkeurige meerlaagse microfluïdische apparaten. Het platform bestaat uit een driedimensionaal geprinte microscoopmaskeruitlijnadapter waarmee meerlaagse microfluïdische apparaten met uitlijningsfouten van &lt;10 μm werden bereikt.

Ontwerp en ontwikkeling van een driedimensionaal gedrukte microscoopmaskeruitlijnadapter voor de fabricage van meerlaagse microfluïdische apparaten

Het huidige protocol beschrijft het ontwerp, de fabricage en de karakterisering van een microfluïdisch systeem dat in staat is om honderden Drosophila melanogaster-embryo's uit te lijnen, te immobiliseren en nauwkeurig te comprimeren met minimale tussenkomst van de gebruiker. Dit systeem maakt beeldvorming met hoge resolutie en herstel van monsters mogelijk voor poststimulatieanalyse en kan worden geschaald om plaats te bieden aan andere meercellige biologische systemen.

Mechanostimulatie van meercellige organismen via een microfluïdisch compressiesysteem met hoge doorvoer

De fabricage van een dubbellaags apparaat op basis van polydimethylsiloxaan (PDMS) voor de productie van combinatorische bibliotheken in water-in-olie-emulsies (pluggen) wordt hier gepresenteerd. De benodigde hardware en software die nodig zijn om de productie van stekkers te automatiseren, worden gedetailleerd beschreven in het protocol en de productie van een kwantitatieve bibliotheek van fluorescentiestekkers wordt ook gedemonstreerd.

Dubbellaags microfluïdisch apparaat voor de productie van combinatorische pluggen

Dit protocol beschrijft het ontwerp en de fabricage van een microfluïdisch apparaat dat geschikt is voor het onderzoeken van de mechanica van microtubuli-polymeren. De synthese van microfabricage, geautomatiseerde stroomregeling en computationele modelleringstechnieken maakt een flexibel systeem mogelijk dat bij uitstek geschikt is om het cellulaire cytoskelet in vitro te onderzoeken.

Ontwikkeling van een op microfluïdica gebaseerde benadering voor het onderzoeken van de mechanica van microtubuli-polymeren

Leer multi-stap fotolithografie voor microfluïdische apparaten met variabele hoogte en on-chip kleppen. Deze methode maakt complexe geometrieën mogelijk voor biologische toepassingen en stroomregeling.

Multi-stap Variabele Hoogte fotolithografie voor Valved Multilayer microfluïdische apparaten

Meer video's verkennen