Projekt i opracowanie trójwymiarowo drukowanego adaptera do wyrównywania maski mikroskopowej do wytwarzania wielowarstwowych urządzeń mikroprzepływowych
January 25th, 2021
Ten projekt pozwala małym laboratoriom na opracowanie łatwej w użyciu platformy do produkcji precyzyjnych wielowarstwowych urządzeń mikroprzepływowych. Platforma składa się z wydrukowanego w trzech wymiarach adaptera do ustawiania maski mikroskopowej, za pomocą którego uzyskano wielowarstwowe urządzenia mikroprzepływowe z błędami wyrównania <10 μm.
Protokół ten jest istotny, ponieważ pozwala na wygenerowanie opłacalnej i łatwej w użyciu platformy, która pomaga w produkcji precyzyjnych wielowarstwowych mikroprzepływowych form wzorcowych. Główną zaletą tej techniki jest to, że wymaga ona jedynie użycia platformy drukowanej w 3D i standardowego sprzętu laboratoryjnego powszechnie spotykanego w laboratoriach produkujących urządzenia mikroprzepływowe. Wizualna demonstracja tego protokołu ma kluczowe znaczenie dla zademonstrowania, jak dostosować i używać wydrukowanego w 3D adaptera do wyrównywania maski mikroskopowej.
Uzyskać wymiary tacki dostępnego systemu emisji światła UV jako górną granicę wymiarów uchwytu płytki. Zmierz średnicę wewnętrznej okrągłej krawędzi, wewnętrzną wysokość tacki systemów emisji światła UV, całkowitą szerokość i długość tacy. Korzystając z aplikacji do projektowania komputerowego, zastosuj te wymiary, aby dostosować uchwyt wafla tak, aby pasował do tacy systemów emisji światła UV.
Zmierz długość między i szerokość na dostępnym pionowym stoliku mikroskopu, które utrzymują uchwyt szkiełka na miejscu. Korzystając z aplikacji do projektowania komputerowego, zastosuj te wymiary, aby dostosować uchwyt magnetyczny do dostępnego mikroskopu, aby umożliwić łatwe i precyzyjne mocowanie MMAA do mikroskopu. Użyj czterocalowej płytki krzemowej z odpowiednim fotorezysłem, aby utworzyć pierwszą warstwę formy wzorcowej, upewniając się, że grubość jest większa niż kolejne warstwy, aby ułatwić identyfikację znaczników wyrównania.
Użyj jasnego markera, aby pokolorować znaczniki wyrównania pierwszej warstwy ze wszystkich czterech stron. Korzystając z instrukcji producenta fotorezystu, zainicjuj drugą warstwę formy wzorcowej, obracając powłokę fotorezystu na wafel i wykonując miękkie pieczenie. Włóż powlekaną płytkę do uchwytu wafla MMAA i przymocuj powlekaną płytkę do MMAA za pomocą taśmy.
Przymocuj uchwyt wafla do dostępnego mikroskopu pionowego za pomocą łącznika mikroskopu magnetycznego. Przesuń pozycję MMAA za pomocą pokręteł kierunkowych X i Y stolika mikroskopu, aż jeden z kolorowych znaczników wyrównania na płytce znajdzie się w polu widzenia przez soczewkę mikroskopu. Wyjmij uchwyt wafla ze stolika mikroskopowego i włóż drugą warstwę fotomaski do uchwytu wafla na wierzchu powlekanej płytki.
Upewnij się, że kolorowe znaczniki wyrównania pierwszej warstwy są częściowo widoczne przez znaczniki wyrównania na masce fotograficznej i że prosta krawędź maski fotograficznej jest nałożona na prostą krawędź płytki krzemowej. Przymocuj uchwyt na wafel z powrotem do stolika mikroskopu i przymocuj fotomaskę do podnośnika nożycowego przez jedno z bocznych wycięć z taśmą. Użyj podnośnika nożycowego, aby wyregulować pozycję maski fotograficznej w kierunku Z, aż znajdzie się tuż nad powlekaną płytką.
Trzymając maskę fotograficzną nieruchomo, spójrz przez obiektyw mikroskopu i zidentyfikuj kolorowe znaczniki wyrównania pierwszej warstwy pod znacznikami wyrównania maski fotograficznej za pomocą pokręteł kierunku X i Y stolika mikroskopu, aby przesunąć pozycję MMAA. Dostosuj położenie MMAA, aż znacznik wyrównania na masce fotograficznej zostanie nałożony na kolorowy znacznik wyrównania na pierwszej warstwie. Ostrożnie przyłóż lekką siłę do maski fotograficznej i użyj taśmy, aby przymocować maskę fotograficzną na miejscu na powlekanej płytce.
Odłącz maskę fotograficzną od podnośnika nożycowego i upewnij się, że wszystkie cztery znaczniki wyrównania na masce fotograficznej są wyrównane z czterema znacznikami wyrównania na pierwszej warstwie. Po wyrównaniu ostrożnie odłącz uchwyt wafla od stolika mikroskopu. Włóż szklaną płytkę górną na wierzch wafla i maski fotograficznej, aby zmniejszyć odstęp między dwoma kawałkami.
Umieść cały uchwyt wafla w dostępnym systemie naświetlania światłem UV i wykonaj naświetlanie drugiej warstwy. Wyjmij uchwyt wafla z systemu naświetlania światłem UV, a następnie wyjmij powlekaną płytkę z uchwytu wafla i odłącz maskę fotograficzną od płytki. Zakończ pieczenie po pieczeniu i wywoływanie drugiej warstwy zgodnie z instrukcjami producenta fotorezystu.
Wyjmij formę wzorcową i umieść ją na stoliku mikroskopu pionowego, aby określić odległość przerwy między pierwszą warstwą a drugą warstwą. Zmierz odległość, o jaką druga warstwa jest przesunięta i niewspółosiowa od pierwszej warstwy na strukturach mikrokanałów. Użyj mikroskopu pionowego, aby określić, czy układ PDMS zawiera proste ścianki kanałów z wyraźnymi krawędziami urządzenia.
Dodatkowo sprawdź chip PDMS pod kątem ewentualnych usterek, które mogą utrudniać działanie urządzenia. Dzięki optymalizacji i zastosowaniu MMAA wyprodukowano wielowarstwowe formy wzorcowe z minimalnym błędem wyrównania. System ten oraz opisany protokół zostały wykorzystane do wyrównania markerów na masce fotograficznej z markerami na początkowej warstwie formy wzorcowej.
Wyprodukowano dwuwarstwową formę wzorcową SU-8 do urządzenia mikroprzepływowego z wzorem w jodełkę, w której wykazano, że odstęp między dwiema warstwami jest mniejszy niż pięć mikrometrów. Dwuwarstwowa forma wzorcowa została następnie wykorzystana do produkcji mikrochipów PDMS. Obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego pokazują, że urządzenie mikroprzepływowe ze wzorem w jodełkę ma wyraźne krawędzie, proste ścianki kanałów i dobrze wyrównane warstwy, które są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania urządzenia.
Ponadto przy użyciu MMAA stworzono czterowarstwową formę wzorcową z prostymi okrągłymi elementami, aby pokazać pomyślne wyrównanie wielowarstwowej formy wzorcowej. Dane z profilometru potwierdzają istnienie czterech odrębnych warstw formy wzorcowej. Ważne jest, aby uzbroić się w cierpliwość i pracować powoli podczas wyrównywania znaczników wyrównania pierwszej i drugiej warstwy oraz podczas mocowania fotomaski do powlekanej płytki.
Procedura ta może być stosowana do produkcji wielu różnych wielowarstwowych form wzorcowych, umożliwiając naukowcom z mniejszych laboratoriów badanie bardziej złożonych projektów urządzeń mikroprzepływowych.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten projekt pozwala małym laboratoriom opracować łatwą w użyciu platformę do produkcji precyzyjnych wielowarstwowych urządzeń mikrofluidycznych. Platforma składa się z adaptera do ustawienia maski mikroskopu, drukowanych trzech wymiarach, osiągającego błędy ustawienia mniejsze niż 10 µm.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Mikrofluidyka
- Produkcja urządzeń
- Technologia druku 3D
Tło
- Urządzenia mikrofluidyczne są niezbędne do różnych zastosowań biologicznych.
- Tradycyjne metody produkcji mogą być skomplikowane i kosztowne.
- Druk 3D oferuje nowatorskie podejście do uproszczenia procesu.
- Dokładność ustawienie jest kluczowa dla wydajności urządzenia.
Cel badania
- Stworzyć niedrogą platformę do produkcji wielowarstwowych urządzeń mikrofluidycznych.
- Zdemonstrować użycie 3D drukowanego adaptera do ustawienia maski mikroskopu.
- Zapewnienie protokołu, który może być łatwo naśladowany przez małe laboratoria.
Stosowane metody
- Projektowanie 3D drukowanego adaptera do ustawienia maski mikroskopu.
- Pomiar wymiarów tacki systemu emisji światła UV.
- Dostosowywanie uchwytów do płytek za pomocą aplikacji do projektowania komputerowego.
- Demonstracje wizualne dla lepszego zrozumienia protokołu.
Główne wyniki
- Uzyskano wielowarstwowe urządzenia mikrofluidyczne z błędami ustawienia mniejszymi niż 10 µm.
- Zdemonstrowano skuteczność 3D drukowanej platformy.
- Zapewniono jasny protokół do naśladowania przez laboratoria.
- Podkreślono dostępność metody przy użyciu standardowego sprzętu laboratoryjnego.
Wnioski
- Opracowany projekt to znaczący postęp dla małych laboratoriów.
- Upraszcza produkcję precyzyjnych urządzeń mikrofluidycznych.
- Zachęca do szerszego stosowania technologii mikrofluidycznych w badaniach.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Precision multilayer microfluidic device fabrication is a critical enabler for advanced assay development and complex biological modeling in early discovery pipelines. The 3D-printed microscope mask alignment adapter (MMAA) democratizes access to high-fidelity multilayer fabrication, reducing dependency on costly cleanroom infrastructure and expanding prototyping capabilities for smaller R&D teams. This platform supports rapid iteration and reproducibility, directly impacting the pace and quality of translational research and device-driven screening workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rapid prototyping of multilayer microfluidic devices for functional biological assays.
- Supports precise spatial control in device fabrication, reducing mechanistic ambiguity in target interrogation.
- Facilitates iterative design cycles for pathway clarification and hypothesis testing.
Screening & Assay Development
- Delivers reproducible multilayer master molds with alignment errors below 10 µm, supporting quantitative assay outputs.
- Standardizes device fabrication, enhancing assay comparability and scalability across projects.
- Prepares validated microfluidic platforms for reliable compound screening and evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Enables fabrication of complex device architectures for disease-relevant modeling and biomarker studies.
- Maintains continuity from discovery through preclinical validation by supporting custom device requirements.
- Reduces risk of device-related artifacts in translational workflows.
Pipeline & Workflow Integration
The MMAA-based workflow integrates from early discovery through assay development and preclinical device validation, providing a reusable and customizable fabrication capability.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven device design and biological de-risking through precise multilayer alignment.
- Screening: Ensures assay readiness and reproducibility by minimizing alignment errors in device fabrication.
- Analytics: Enables quantitative measurement of alignment and device fidelity, supporting robust data generation.
- Translational Research: Aligns device fabrication with evolving preclinical and biomarker needs.
- Enterprise Reuse: Customizable design files allow adaptation across diverse microscopes and UV systems, maximizing platform utility.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic uncertainty in device-enabled studies.
- Operational Value: Streamlines fabrication, enhances reproducibility, and lowers barriers for small labs.
- Strategic Value: Accelerates go/no-go decisions and improves capital efficiency by enabling rapid device iteration.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by providing reliable, scalable device fabrication for multiple programs.
Implementation Considerations
- Requires basic CAD proficiency and access to 3D printing resources for adapter customization.
- Relies on standard upright microscopes and UV exposure systems commonly available in microfluidics labs.
- Demands careful manual alignment and patience to minimize human error during fabrication.
- Adaptable to various device geometries and laboratory setups via modification of design files.
- Alignment precision may be limited by user experience and equipment tolerances.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:42
Designing the Microscope Mask Alignment Adapter (MMAA)
1:29
Creation of Bilayer Master Mold Using the MMAA (photolithography) and Determination of the Alignment Error
4:40
Results: Design, Customization, and Characterization of the Master Molds Fabricated Using MMAA
5:44
Conclusion
