Ulepszone podwójne odlewanie polidimetylosiloksanu (PDMS) poprzez obróbkę olejem silikonowym w celu gęsto upakowanej replikacji mikrostruktury

Aby sprostać wyzwaniom związanym z wyjmowaniem z formy w gęstych mikrostrukturach o wysokim współczynniku kształtu, zmodyfikowaliśmy proces podwójnego odlewania PDMS, dodając obróbkę olejem silikonowym, która była nakładana za pomocą gwintu napinającego. Nasz protokół oferuje proste, ekonomiczne rozwiązanie, które pozwala uniknąć konieczności stosowania drogiego sprzętu lub specjalistycznych materiałów, umożliwiając niezawodną replikację zaawansowanych mikrostruktur bez uszkodzeń.

Nasze laboratorium skupi się na automatyzacji procesu aplikacji oleju i opracowywaniu niestandardowych olejów silikonowych w celu określenia optymalnych warunków dla poprawy powtarzalności i precyzji.

[Narrator] Na początek wymieszaj roztwór heksanu i OTS w stosunku objętościowym 40:1 za pomocą czystej szklanej zlewki i mieszadła. Przykryj zlewkę folią aluminiową, aby zminimalizować parowanie. Zanurzyć zamkniętą szklaną zlewkę w łaźni ultradźwiękowej o temperaturze pokojowej wypełnionej wodą. Następnie zanurz wstępnie wytrawioną formę silikonową z układem otworów w przygotowanym roztworze heksanu OTS. Teraz użyj czystej pęsety, aby delikatnie podnieść całą silikonową formę pionowo z roztworu. Natychmiast przenieś go do świeżej zlewki zawierającej czysty heksan, a następnie spłucz, delikatnie mieszając w przód iw tył od pięciu do 10 razy. Delikatnie wysusz formę za pomocą dmuchawy azotu trzymanej w odległości około trzech centymetrów przez sześć do 10 sekund, aż nie pozostanie widoczna wilgoć. Następnie wymieszaj bazę PDMS i utwardzacz w stosunku wagowym 10:1 na czystej plastikowej szalce Petriego przez 15 minut. Umieść mieszaninę w komorze i odgazuj z prędkością 160 torr, aż nie pozostaną żadne widoczne pęcherzyki powietrza. Delikatnie pokryj czystą plastikową szalkę Petriego olejem silikonowym o lepkości 100 centystokesów za pomocą niestrzępiącej się wycieraczki wstępnie nasączonej olejem. Następnie umieść silikonową formę pokrytą OTS stroną zadrukowaną do góry na środku powlekanej szalki Petriego. Powoli wylej odgazowaną mieszaninę PDMS na formę, aż zostanie całkowicie pokryta. Ponownie odgazuj napełnioną formę w próżniowym usuwaczu pęcherzyków, aż nie pozostaną żadne widoczne pęcherzyki. Teraz umieść szalkę Petriego na rozgrzanej płycie grzejnej ustawionej na 90 stopni Celsjusza, aby utwardzić PDMS. Po utwardzeniu delikatnie oderwij formę PDMS od formy silikonowej, upewniając się, że mikrostruktura pozostaje nienaruszona. Umieść sfabrykowaną formę PDMS na płycie grzejnej ustawionej na 150 stopni Celsjusza. Po trzech dniach leżakowania termicznego zanurz formę w oleju silikonowym o lepkości 100 centystokesów. Odgazuj formę zanurzoną w oleju pod próżnią przy 160 torach przez 10 do 15 minut. Następnie usuń formę za pomocą pęsety i delikatnie przetrzyj powierzchnię trzy do pięciu razy czystą, niestrzępiącą się wycieraczką, aby pozostawić jednolitą cienką warstwę oleju. Następnie należy przygotować mieszaninę PDMS w stosunku wagowym 10:1 do utwardzacza, stosując tę samą metodę mieszania i odgazowywania, co poprzednio. Delikatnie wlej odgazowaną mieszaninę na obrobioną formę, pozwalając jej się rozprowadzić i dotrzeć co najmniej do połowy mikrofilarów. Zabezpiecz nylonową nić o grubości 0,5 mikrometra pod delikatnym napięciem. Przesuń nić raz lub dwa razy po powierzchni PDMS w jednym kierunku, aby zredukować nadmiar oleju między mikrofilarami. Następnie odgazuj formę cienką warstwą PDMS w komorze próżniowej, aż nie pozostaną żadne pęcherzyki powietrza. Aby wytworzyć produkt PDMS z układem otworów, delikatnie pokryj czystą plastikową szalkę Petriego olejem silikonowym. Umieść formę PDMS na pokrytej szalce Petriego i zalej ją odgazowaną mieszaniną PDMS, aż do osiągnięcia żądanej wysokości. Jeszcze raz odgazuj zespół formy, aby wyeliminować wszelkie uwięzione pęcherzyki powietrza. Następnie umieść szalkę Petriego na rozgrzanej płycie grzejnej ustawionej na 110 stopni Celsjusza i utwardź do całkowitego zestalenia. Po utwardzeniu delikatnie włóż czystą pęsetę między formę a replikę i ostrożnie wyjmij produkt końcowy z formy. Silikonowa forma zawierała gęsty układ okrągłych otworów o średnicy 143 mikrometrów z odstępami 150 mikrometrów i głębokością 284 mikrometrów, co dawało proporcje 2:1. Forma PDMS odtworzona z silikonowego szablonu wytworzyła mikrofilary o średnicy 142 mikrometrów i wysokości 283 mikrometrów, ściśle odpowiadające oryginalnym wymiarom. Replika PDMS leżakowana termicznie przez jeden dzień, a następnie potraktowana olejem silikonowym o stężeniu 100 centystoksów, wykazała poważne rozdarcie i rozpad struktur ściennych podczas wyjmowania z formy. Po dwóch dniach starzenia termicznego, po którym nastąpiła obróbka olejem silikonowym o wartości 100 centystoków, widoczne stały się wyraźne kontury filarów, ale ściany pozostały mocno uszkodzone z powodu niewystarczającego uwalniania. Przy trzech dniach starzenia termicznego i braku warstwy oleju, sieciowanie między utwardzonym i nieutwardzonym PDMS spowodowało ponowne połączenie struktur. Stosowanie oleju MR-100 o niskiej lepkości po trzech dniach starzenia termicznego doprowadziło do słabego pokrycia i rozdarcia, gdy olej spływał z pionowych ścian bocznych. Olej o wysokiej lepkości tworzył grubą powłokę, zapobiegając wypełnianiu się pleśni i powodując, że produkt końcowy wyglądał na pofalowany i zniekształcony. W zoptymalizowanych warunkach trzydniowego starzenia termicznego i powłoki z oleju silikonowego o grubości 100 centystoków, ostateczna replika zachowała mikrostruktury z otworami o średnicy 148 mikrometrów i wysokości 280 mikrometrów, wykazujące niewielkie różnice wymiarowe, ale nienaruszoną strukturę.