Wieloetapowa fotolitografia o zmiennej wysokości dla wielowarstwowych urządzeń mikroprzepływowych z zaworami

Ogólnym celem tego protokołu wideo jest zademonstrowanie kompletnej, wieloetapowej fotolitografii mikroprzepływowych form wzorcowych z zaworami na chipie i wieloma funkcjami wysokości, które można dostosować do dowolnego zastosowania. Ta metoda jest kompletnym przeglądem sposobu wytwarzania form wzorcowych o złożonej geometrii, w tym zaworów membranowych na chipie, do urządzeń mikroprzepływowych. Główną zaletą tej techniki jest to, że umożliwia ona łatwe sterowanie przepływem w urządzeniach mikroprzepływowych, pokonując główną barierę wejścia do mikrofluidyki w zastosowaniach biologicznych.

Wizualna demonstracja tej techniki ma kluczowe znaczenie, ponieważ etapy fotolitografii są często trudne do opanowania dla początkujących. Prawidłowe wyrównanie, rozwój i ekspozycja zależą od wskazówek wizualnych i doświadczenia w pomieszczeniu czystym. Aby rozpocząć, zaprojektuj swoje urządzenie i przygotuj indywidualne maski fotograficzne dla geometrii wielowarstwowych.

Dodatkowo należy przygotować około czterech płytek z pięciomikronową warstwą fotorezystu negatywowego SU-8 2050 i naświetlić zalanie zgodnie z opisem w dołączonym protokole tekstowym. Umieść powlekaną płytkę na powlekarce wirowej i włącz próżnię, aby przymocować ją do uchwytu wirowego. Użyj azotu lub sprężonego powietrza, aby zdmuchnąć kurz z powierzchni.

Następnie nałóż dwa do trzech mililitrów dodatniego fotorezystu AZ 50XT na środek płytki. Obróć fotorezyst, aby utworzyć warstwę o grubości 55 mikronów. Po pokryciu ostrożnie połóż wafel na pięciocalowej szalce Petriego i pozwól mu się zrelaksować na 20 minut.

Następnie piecz wafel na miękko na płycie grzejnej przez 22 minuty, zwiększając temperaturę z 65 stopni Celsjusza do 112 stopni Celsjusza w tempie 450 stopni Celsjusza na godzinę. Następnie wyjmij wafel i pozostaw go na noc w temperaturze pokojowej na szalce Petriego w celu ponownego nawodnienia w otoczeniu. Przyklej okrągłą maskę przezroczystości do pięciocalowej szklanej płytki tak, aby strona do drukowania była najbliżej płytki, i załaduj do pozycjonera maski wyrównywacza maski UV.

Wystaw zakład na działanie 930 milidżuli promieniowania UV w sześciu cyklach. Natychmiast rozwiń wafel, zanurzając go w mieszanej kąpieli wywoływacza na trzy do pięciu minut lub do momentu, gdy kąpiel zmieni kolor na fioletowy i pojawią się cechy. Po rozwinięciu usuń wafel i dobrze go spłucz wodą dejonizowaną.

Następnie upiecz wafel na twardo, aby się rozpuścił i zaokrąglił elementy zaworu. Zwiększ temperaturę od 65 do 190 stopni Celsjusza w ciągu 15 godzin w tempie 10 stopni Celsjusza na godzinę. Po zakończeniu wyłącz płytę grzejną i pozwól wafli ostygnąć do temperatury pokojowej.

Cechy na wafli są teraz zaokrąglone. To twarde pieczenie ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego rozpływu prostokątnych elementów zaworu do zaokrąglonych profili zaworów. Krótsze czasy mogą powodować pękanie lub niestabilność.

Aby wyprodukować urządzenie o zmiennych cechach wysokości, umieść oczyszczoną płytkę na powlekarce wirowej, jak pokazano wcześniej. Nałóż od jednego do dwóch mililitrów ujemnego fotorezystu SU-8 2050 na środek płytki i obróć fotorezystor nad rozwiniętymi cechami zaworu. Następnie ostrożnie umieść odwirowaną wafel na pięciocalowej szalce Petriego i pozwól mu się zrelaksować przez 20 minut na płaskiej powierzchni lub do momentu, gdy wszelkie smugi znikną.

Następnie rozgrzej dwie płyty grzejne do 65 stopni Celsjusza i 95 stopni Celsjusza, a następnie połóż wafel na talerzu o temperaturze 65 stopni Celsjusza na dwie minuty, talerz o temperaturze 95 stopni Celsjusza na osiem minut, a talerz o temperaturze 65 stopni Celsjusza przez dodatkowe dwie minuty, aby upiec wafel na miękko. Gdy wafel ostygnie z powrotem do temperatury pokojowej, przyklej maskę o niskiej przezroczystości do pięciocalowej szklanej płytki kwarcowej, tak aby strona do drukowania znajdowała się najbliżej płytki, i załaduj ją do pozycjonera maski w wyrównywaczu maski UV. Następnie umieść wafel w uchwycie wyrównującym maskę UV i za pomocą okularu mikroskopu lub kamery ostrożnie dopasuj nowe elementy warstwy o niskim przepływie do cech warstwy okrągłego zaworu przepływu.

Zacznij od wyrównania osi poziomej, pionowej i pochylenia obramowania urządzenia do elementów obramowania urządzenia na masce. Następnie wyrównaj elementy krzyżyka między warstwami. Na koniec upewnij się, że cechy zaworu przecinają się z elementami niskiego przepływu w razie potrzeby.

Następnie wystaw wafel na działanie osadzania UV o mocy 170 milidżuli. Po zakończeniu wyjmij wafel i upiecz go po naświetleniu, przełączając się między dwiema płytami grzewczymi ustawionymi na 65 stopni Celsjusza i 95 stopni Celsjusza. Nie rozwijając płytki, pozwól jej ostygnąć do temperatury pokojowej, a następnie kolejno dodaj warstwę wysokiej formy, a następnie warstwę w jodełkę mieszalnika chaotycznego za pomocą SU-8 2025, jak opisano w dołączonym protokole tekstowym.

Po ukończeniu wszystkich warstw rozwiń cechy, zanurzając płytkę w mieszanej kąpieli zawierającej 25 mililitrów wywoływacza SU-8 na 3,5 minuty lub do momentu, gdy cechy wyraźnie się wyłonią. Użyj stereoskopu, aby sprawdzić, czy obiekty mają wyraźne, zdefiniowane granice obiektów. Podczas tworzenia należy sprawdzać co 20 sekund, aby zobaczyć, czy funkcje stały się w pełni zdefiniowane, a odporność została zmyta.

Nadmierny rozwój może spowodować uszkodzenie funkcji, szczególnie w przypadku złożonych projektów form. Następnie upiecz wafel na twardo, aby ustabilizować wszystkie cechy fotorezystu. Następnie wytwórz warstwę kontrolną zgodnie z opisem w dołączonym protokole tekstowym.

Wytwarzanie wielowarstwowych urządzeń mikroprzepływowych w geometrii pompki na szkle zgodnie z istniejącymi protokołami otwartego dostępu i przeprowadzenie kontroli wizualnej w celu upewnienia się, że wszystkie zawory są prawidłowo wyrównane z liniami sterującymi i że wszystkie wloty są całkowicie przedziurskane przed kontynuowaniem. Podłącz rurkę Tygon załadowaną wodą do systemu kontroli przepływu, takiego jak pompa strzykawkowa, sterowniki płynów lub układ zaworów elektromagnetycznych typu open source ze zbiornikami. Następnie podłącz metalowe kołki do rurki, a metalowe kołki do portów urządzenia na wlotach linii sterującej.

Następnie ustaw system kontroli przepływu na 25 PSI dla każdej linii, aby zwiększyć ciśnienie w przewodach sterujących urządzeniem. Upewnij się, że zawory zamykają się i otwierają ponownie poprzez inspekcję pod mikroskopem. W probówce do mikrowirusa zawiesić 3,9 miligrama fotoinicjatora w 100 mikrolitrach wody DI, aby przygotować roztwór fotoinicjatora używany do polimeryzacji kropelek w kulki hydrożelowe.

Przykryj roztwór, aby chronić go przed światłem. W drugiej probówce do mikrowirówki dodaj 132 mikrolitry wody dejonizowanej, 172 mikrolitry diakrylanu PEG, 12 mikrolitrów roztworu fotoinicjatora i 85 mikrolitrów buforu HEPES, aby uzyskać roztwór kropelkowy hydrożelu. Przenieś roztwór kropelki hydrożelu do niestandardowego naczynia z rurką kriogeniczną.

Następnie podłącz rurkę naczynia rurki kriogenicznej do kontrolowanego źródła ciśnienia i podłącz rurkę PEEK do wlotu odczynnika urządzenia. Następnie włóż rurkę PEEK do wylotu urządzenia, aby zebrać kropelki. Usuń pęcherzyki powietrza z urządzenia, zwiększ ciśnienie w układzie, a następnie rozhermetyzuj zawór oleju RO1 i ustaw ciśnienie oleju na 10 PSI.

Następnie ustaw ciśnienie mieszanki PEG na dziewięć PSI, rozhermetyzuj zawory wylotowe i dostosuj ciśnienie w razie potrzeby, aby wytworzyć kropelki o pożądanej wielkości. Określ wielkość kropli za pomocą mikroskopii przy użyciu kamery o szybkości 50 klatek na sekundę lub wyższej. Gdy kropelki się ustabilizują, umieść źródło światła UV nad obszarem polimeryzacji urządzenia i nałóż 100 miliwatów na centymetr kwadratowy światła 365 nanometrów ze źródła na pięciomilimetrową plamkę.

Zwiększ ciśnienie w zaworze sita perełek, aby obserwować, jak zbierają się spolimeryzowane kulki i upewnić się, że kropelki stwardniały w kulki. Na koniec rozhermetyzuj zawór sita perełkowego i zbierz koraliki do rurki przez rurkę wylotową PEEK. Protokół ten rozpoczyna się od zademonstrowania metody zaokrąglania zaworów przepływowych.

W tym przypadku użyto profilometru do wyznaczenia typowego profilu zaokrąglenia zaworu rozpływowego wynikającego z tej metody, pokazującego wysokość około 55 mikronów. Na obrazie po lewej stronie zawór jest wyłączony, a ciecz może przepływać przez kanały. Po aktywacji przez zwiększenie ciśnienia w zaworach, przepływ przez te zawory jest odcinany.

Tutaj można zobaczyć urządzenie do syntezy perełkowej w działaniu, wytwarzające kropelki hydrożelu w emulsji olejowej w generatorze kropel ze złączem T. Poprzez częściowe zamknięcie przepływu za zaworem sitowym, płyn może nadal płynąć, ale kulki są uwięzione za zaworem. Powstałe w ten sposób kulki miały średnią średnicę 52,6 mikrona przy odchyleniu standardowym wynoszącym zaledwie 1,6 mikrona.

Z prawie 3 000 koralików, mniej niż 1% różniło się o więcej niż trzy odchylenia standardowe. Po opanowaniu tej techniki można ją ukończyć w ciągu trzech dni od projektu do testowania. Pozwala to na szybką iterację projektu.

Postępując zgodnie z tą procedurą, nawet naukowcy z niewielkim doświadczeniem w produkcji mogą budować własne złożone urządzenia mikroprzepływowe i stosować je do własnych problemów biologicznych. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wykonywać etapy fotolitografii niezbędne do tworzenia urządzeń mikroprzepływowych o dowolnym poziomie złożoności, w tym urządzeń ze złożonymi funkcjami o zmiennej wysokości lub zaworów.