W ciągu ostatnich 15 lat mikrofluidyka jako dziedzina nauki przeszła gwałtowny rozwój, któremu towarzyszył wysyp nowych technologii umożliwiających manipulację cieczami w skali mikrometrów1. Systemy mikrofluidyczne stanowią atrakcyjne platformy dla funkcjonalności laboratoriów mokrych, ponieważ małe objętości dają potencjał do zwiększenia szybkości i czułości, jednocześnie drastycznie zwiększając przepustowość i obniżając koszty dzięki wykorzystaniu korzyści skali2,3. Systemy mikrofluidyczne wielowarstwowe wywarły szczególnie znaczący wpływ na aplikacje w wysokoprzepustowej analizie biochemicznej, takie jak analiza pojedynczych komórek4,5,6, analiza pojedynczych cząsteczek (np. cyfrowy PCR7), krystalografia białek8, testy wiązania czynników transkrypcyjnych9,10 oraz przesiewanie komórkowe11.
Głównym celem mikrofluidyki było opracowanie urządzeń typu „lab on a chip”, zdolnych do przeprowadzania złożonych manipulacji płynami w obrębie jednego urządzenia w celu pełnej analizy biochemicznej12. Rozwój technik wielowarstwowej litografii miękkiej pomógł w realizacji tego celu, umożliwiając tworzenie zintegrowanych z układem zaworów, mieszalników i pomp do aktywnego sterowania płynami w małych objętościach13,14,15. Pomimo ich zalet i zademonstrowanych zastosowań, wiele z tych technologii mikrofluidycznych pozostaje w dużej mierze niewykorzystanych przez użytkowników niebędących specjalistami. Powszechne wdrożenie było utrudnione częściowo ze względu na ograniczony dostęp do zaplecz mikrowytwarzania, ale także z powodu niewystarczającego przekazywania informacji na temat technik fabrykacji. Dotyczy to szczególnie wielowarstwowych urządzeń mikrofluidycznych posiadających struktury zaworów lub złożone geometrie: brak szczegółowych, praktycznych informacji o istotnych parametrach projektowych i technikach wytwarzania często zniechęca nowych badaczy do podejmowania projektów związanych z projektowaniem i tworzeniem takich urządzeń.
Niniejszy artykuł ma na celu wypełnienie tej luki w wiedzy poprzez przedstawienie kompletnego protokołu tworzenia wielowarstwowych urządzeń mikrofluidycznych z zaworami i elementami o zmiennej wysokości, począwszy od parametrów projektowych, aż po wszystkie etapy wykonania. Skupiając się na początkowych etapach fotolitografii w procesie produkcji, protokół ten uzupełnia inne protokoły mikrofluidyczne16, które opisują kolejne etapy odlewania urządzeń z form oraz przeprowadzania konkretnych eksperymentów.
Urządzenia mikroprzepływowe z monolitycznymi zaworami na chipie składają się z dwóch warstw: warstwy „przepływu”, w której analizowany płyn jest manipulowany w mikrokanałach, oraz warstwy „kontrolnej”, w której mikrokanały zawierające powietrze lub wodę mogą selektywnie modulować przepływ płynu w warstwie przepływu14. Obie warstwy są wytwarzane na osobnych krzemowych matrycach formierskich, które są następnie wykorzystywane do odlewania replik z polidimetylosiloksanu (PDMS) w procesie zwanym „miękką litografią17”. Aby stworzyć urządzenie wielowarstwowe, każda z warstw PDMS jest odlewana na odpowiedniej matrycy, a następnie warstwy są względem siebie wyrównywane, tworząc w ten sposób kompozytowe urządzenie z PDMS z kanałami w każdej warstwie. Zawory powstają w miejscach, w których kanały przepływu i kontrolne przecinają się i są oddzielone jedynie cienką membraną; zwiększenie ciśnienia w kanale kontrolnym powoduje odgięcie tej membrany, co zamyka kanał przepływu i lokalnie przemieszcza płyn (Rycina 1).
Aktywne zawory na chipie można wytwarzać na wiele sposobów, w zależności od zamierzonego końcowego zastosowania. Zawory mogą być skonfigurowane w geometrii typu „push down” (nacisk w dół) lub „push up” (nacisk w górę), w zależności od tego, czy warstwa sterująca znajduje się nad czy pod warstwą przepływową (Rysunek 1)15. Geometrie „push up” pozwalają na stosowanie niższych ciśnień zamykających i zapewniają wyższą stabilność urządzenia przeciwko delaminacji, podczas gdy geometrie „push down” umożliwiają bezpośredni kontakt kanałów przepływowych z przyklejonym podłożem, co daje korzyść w postaci możliwości selektywnej funkcjonalizacji lub wzorowania powierzchni podłoża w celu uzyskania późniejszej funkcjonalności18,19.
Zawory mogą być albo celowo nieszczelnymi zaworami typu „sito”, albo w pełni uszczelniającymi, w zależności od profilu przekroju kanału przepływowego. Zawory typu sito są użyteczne do wychwytywania kulek, komórek lub innych makroanalitów1 i są wytwarzane przy użyciu typowych negatywowych fotorezystów (tzn. seria SU-8), które mają profile prostokątne. Gdy kanał sterujący w obszarach tych zaworów zostaje poddany nadciśnieniu, membrana PDMS pomiędzy warstwą sterującą a przepływową odkształca się izotropowo w prostokątny profil zaworu bez uszczelniania narożników, co umożliwia przepływ cieczy, ale zatrzymuje cząstki w skali makro (Rycina 1). Z kolei w pełni uszczelniające zawory mikrofluidyczne są wytwarzane poprzez wprowadzenie niewielkiego obszaru zaokrąglonego fotorezystu w miejscach położenia zaworów. Przy takiej geometrii nadciśnienie w kanale sterującym dociska membranę do zaokrąglonej warstwy przepływowej, aby całkowicie zamknąć kanał i zatrzymać przepływ cieczy. Zaokrąglone profile w warstwie przepływowej są generowane poprzez topnienie i reflow pozytywowego fotorezystu (np. AZ50 XT lub SPR 220) po typowych etapach fotolitografii. Wykazaliśmy wcześniej, że wysokość obszarów zaworowych po procesie reflow zależy od wybranych wymiarów struktur21. Niniejszy protokół przedstawia wytwarzanie obu geometrii zaworów w urządzeniu do syntezy kulek.

Rysunek 1: Geometrie wielowarstwowych zaworów mikrofluidycznych. Typowe architektury urządzeń typu „push up” dla zaworów sitowych i w pełni szczelnych przed (góra) i po (dół) podaniem ciśnienia. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Urządzenia mogą również zawierać złożone elementy pasywne, takie jak miksery chaotyczne13 i rezystory zintegrowane w układzie20, które wymagają struktur o wielu różnych wysokościach w obrębie jednej warstwy przepływowej. Aby uzyskać warstwę przepływową o zmiennej wysokości, różne grupy badawcze stosowały wiele metod, w tym trawienie płytek drukowanych22, wielowarstwowe wyrównywanie reliefów z PDMS23 lub wieloetapową fotolitografię24. Nasz zespół uznał wieloetapową fotolitografię na pojedynczej formie odlewniczej za metodę skuteczną i powtarzalną. W tym celu stosuje się prostą technikę fotolitograficzną polegającą na budowaniu grubych kanałów z negatywowego fotorezystu (np. fotorezysty z serii SU-8) w warstwach, bez wywoływania pomiędzy nakładaniem poszczególnych warstw. Każdą warstwę negatywowego fotorezystu nanosi się metodą wirowania na krzemowej formie, dostosowując parametry do wymaganej grubości zgodnie z instrukcjami producenta25. Następnie struktury o danej wysokości są wzorowane na warstwie przy użyciu specyficznej maski transparentnej (Rycina 2) przymocowanej do szklanej płyty maskującej i wyrównanej względem wcześniej naniesionej warstwy przed naświetlaniem. W fotolitografii wieloetapowej precyzyjne wyrównanie między warstwami jest kluczowe dla uformowania kompletnego kanału przepływowego o zmiennej wysokości. Po wyrównaniu każda warstwa jest poddawana wygrzewaniu po naświetlaniu, zależnemu od jej grubości. Bez wywoływania następna warstwa jest wzorowana w analogiczny sposób. W ten sposób, za pomocą wielu masek, na pojedynczej warstwie płytki przepływowej można nadbudowywać wysokie struktury warstwa po warstwie. Poprzez pominięcie etapu wywoływania między kolejnymi krokami, poprzednie warstwy fotorezystu mogą być wykorzystane do generowania struktur o złożonej wysokości (tzn. dwie warstwy o grubości 25 µm mogą utworzyć strukturę o wysokości 50 µm)24. Dodatkowo, struktury dna kanału, takie jak rowki w kształcie jodełki w mikserach chaotycznych13, mogą być tworzone przy użyciu warstw z uprzednio naświetlonymi elementami. Proces kończy finalny etap wywoływania, w wyniku którego powstaje pojedyncza płytka przepływowa ze strukturami o zmiennej wysokości (Rycina 3).
W niniejszym opracowaniu przedstawiono kompletny protokół wieloetapowej fotolitografii, obejmujący przykłady wszystkich procedur niezbędnych do wytworzenia zintegrowanych zaworów i kanałów przepływowych o różnych wysokościach. Protokół wykonania został zaprezentowany w kontekście wielowarstwowego mikrofluidycznego syntezatora kulek, którego funkcjonalność wymaga zastosowania zaworów i elementów o zmiennej wysokości. Urządzenie to zawiera złącza T do generowania kropel wody w osłonie olejowej, zintegrowane rezystory do modulowania szybkości przepływu poprzez kontrolę oporu Poiseuille'a, mikser chaotyczny do homogenizacji składników kropel oraz zawory całkowicie uszczelniające i zawory sitowe, umożliwiające zautomatyzowane cykle pracy z wieloma wlotami odczynników. Dzięki zastosowaniu wieloetapowej fotolitografii, poszczególne elementy te są wytwarzane w różnych warstwach, w zależności od wymaganej wysokości lub rodzaju fotorezystu; w tym protokole tworzone są następujące warstwy: (1) warstwa zaworów Flow Round (55 µm, AZ50 XT), (2) warstwa Flow Low (55 µm, SU-8 2050), (3) warstwa Flow High (85 µm, SU-8 2025, wysokość addytywna 30 µm) oraz (4) rowki typu Herringbone (125 µm, SU-8 2025, wysokość addytywna 40 µm) (Rycina 3).
Kuleczki hydrożelowe mogą być wykorzystywane w wielu zastosowaniach, w tym do selektywnej funkcjonalizacji powierzchni w analizach następczych, enkapsulacji leków, w badaniach radiopodążania i obrazowania oraz do inkorporacji komórek; wcześniej wykorzystaliśmy bardziej złożoną wersję tych urządzeń do produkcji spektralnie kodowanych kuleczek hydrożelowych z PEG zawierających nanofosfory lantanowców20. Projekty omówione w niniejszym tekście są dostępne w Materiałach Dodatkowych, aby każde laboratorium mogło wykorzystać je w swoich badaniach, jeśli zajdzie taka potrzeba. Przewidujemy, że niniejszy protokół stanie się otwartym zasobem zarówno dla specjalistów, jak i osób niebędących specjalistami, zainteresowanych tworzeniem wielowarstwowych urządzeń mikroprzepływowych z zaworami lub złożoną geometrią, co obniży próg wejścia w dziedzinę mikroprzepływów i zwiększy szanse na sukces w ich wykonaniu.