Name: photolithography for microfluidic device making
Uploaded: 2023-04-30T06:32:31.000Z
Duration: 7 min 53 s
Channel: JoVE

<div class="chapter_text" id="script_0">A litografia macia é um conjunto de processos de fabricação rápidos, simples e baratos que têm sido usados com sucesso para padronizar os canais complexos de sistemas microfluidos. Na indústria eletrônica, a litografia refere-se ao processo de microfablicação usando polímeros sensíveis à luz e à luz para padronizar partes de uma película fina ou a maior parte de um substrato. O termo litografia suave refere-se ao uso de materiais elastoméricos macios como polidimtilsiloxano ou PDMS para realizar essas técnicas. Neste vídeo, ilustraremos os diferentes tipos de técnicas de litografia macia seguidas de um protocolo que demonstra a fabricação de um dispositivo microfluido. Por fim, veremos como pesquisadores de diferentes campos estão usando a litografia macia a seu favor.</div><div class="chapter_text" id="script_1">Primeiro, vamos rever as técnicas mais comuns de litografia macia. O primeiro passo em todas essas técnicas é a fabricação do molde mestre. Isso é feito usando a fotolografia tradicional que usa luz e um material sensível à luz chamado fotoresist para criar o padrão desejado em um substrato como o silício. Para saber mais sobre a fotolitografia em detalhes, consulte um vídeo anterior nesta coleção jove. O segundo passo é derramar um elastômero neste molde mestre e, em seguida, curá-lo. Isso cria o selo elastomérico flexível com as características de relevo que é usada de diferentes maneiras nas várias técnicas de litografia macia. Os modos de transferência princípios usando o carimbo do gesso são impressão, moldagem, litografia óptica de mudança de fase, secção mecânica e fundição. Na impressão, o selo é primeiro revestido com uma tinta transferível como octadecanethiol ou ODT que é então colocado no substrato, como o ouro. Quando o selo é removido, apenas a tinta da superfície do selo levantado é impressa na superfície do substrato. Assim, a impressão replica diretamente características em nanoescamas no substrato. Em outra técnica chamada moldagem, o selo em si é usado como molde. Aqui, o carimbo é pressionado em um polímero não curado e depois curado. Em seguida, o molde é descascado para revelar o padrão do selo. Assim como a impressão, a moldagem também resulta em replicação direta de recursos nanoesponíveis no substrato. Na terceira técnica, chamada litografia de mudança de fase, primeiro, o substrato é revestido com o material fotoresistista. Em seguida, o carimbo é colocado no substrato revestido e a luz é mostrada através do selo. Isso resulta nas bordas das características que estão sendo transferidas para o filme do fotoresist, como observado nas técnicas tradicionais de litografia. Na seção mecânica, também conhecida como nanoskiving, o carimbo é usado para moldar prepolímero epóxi não-curado, como na moldagem. Este prepolímer moldado é curado que é então revestido com um filme fino de um material de escolha, por exemplo, ouro. Este filme é então incorporado em mais epóxi e curado após o qual é seccionado usando um ultramicrotome para formar uma laje de epóxi com o padrão. Finalmente, no casting, um polímero é derramado em um molde mestre para fazer um selo. Ele pode então ser perfurado para entradas e tomadas e ligado a um substrato. Na seção a seguir, revisamos o protocolo para a fabricação de um simples dispositivo microfluido.</div><div class="chapter_text" id="script_2">Primeiro, prepare o molde mestre usando técnicas tradicionais de litografia. Para detalhes do protocolo, consulte um vídeo anterior nesta coleção. O molde mestre é tipicamente fabricado em um substrato de silício. Para fabricar o carimbo, primeiro prepare uma mistura de cerca de 25 gramas de PDMS e agente de cura na proporção de 10:1. Em seguida, desgas a mistura para remover quaisquer bolhas de ar. Em seguida, coloque o molde mestre em um recipiente de base plana e despeje a mistura PDMS desgaseada sobre ele. Agora asse o PDMS a 60 graus Celsius por cerca de uma hora, seguido de um resfriamento natural do forno à temperatura ambiente por mais uma hora. Em seguida, corte o PDMS do molde e coloque-o com o lado padrão para cima para evitar contaminação. Então corte os padrões individuais. Perfurar quaisquer entradas e tomadas usando um furo dermatológico do tamanho certo para permitir o fluxo de fluido dentro e fora do dispositivo. Em seguida, coloque o dispositivo PDMS em um limpador de plasma de oxigênio e trate-o por cerca de um minuto. Adere as duas camadas do dispositivo e alinhe o padrão sob um microscópio. Finalmente, conecte o dispositivo completo a um substrato usando PDMS e assá-lo para curar. Antes de usar, teste para quaisquer vazamentos fluindo água através dos canais microfluidos.</div><div class="chapter_text" id="script_3">A litografia macia encontrou aplicação em campos que vão desde análise molecular até diagnósticos clínicos e desenvolvimento de medicamentos. Vamos dar uma olhada em alguns desses exemplos. Esta técnica pode ser usada para criar estruturas não convencionais, como micropostos flexíveis para mecano-perfil de células únicas. O perfil mecano refere-se ao estudo dos parâmetros mecânicos como forças aplicadas por microrganismos em seu ambiente. Depois que os microposts são fabricados, células cultivadas podem crescer sobre eles. Isso resulta na dobra dos pequenos pilares flexíveis, que podem então ser medidos a fim de calcular as forças exercidas pelos diferentes tipos de células. Multicamadas, sistemas multifluidos podem ser usados para estudar e entender os efeitos de diferentes microambientes em células de mamíferos. Esses sistemas são fabricados fazendo cada camada PDMS individual usando diferentes moldes mestres. Em seguida, os vários moldes PDMS são limpos, alinhados e em camadas em cima um do outro e assados. As múltiplas camadas do dispositivo PDMS permitem a separação eficiente do fluido das células através de uma membrana PDMS semipermeável. Essa configuração permite que os pesquisadores estudem e caracterizem os efeitos de novos microambientes nas células, permitindo que quantidades controladas de fluidos, como oxigênio ou uma nova mídia, difundam da camada superior de fluido de teste para as células mamíferas no canal microfluido inferior.</div><div class="chapter_text" id="script_4">Você acabou de ver o vídeo de Jove sobre litografia suave. Aqui, discutimos as principais técnicas de litografia macia, juntamente com o protocolo detalhado de fabricação de um dispositivo microfluido PDMS como exemplo. Obrigado por assistir.</div>

litografia suave

Muitos dispositivos BioMEM, como canais microfluidos, são fabricados usando a técnica de litografia macia. Aqui, um padrão de microescala é replicado pela cura de um polímero elastomérico sobre a estrutura 3D. Essas estruturas poliméricas são então usadas para criar uma ampla gama de dispositivos, desde canais microfluidos para aplicações de biosensação até bioreatores de microescala para a visualização de micro-colônias.
Este vídeo introduz a fotolitografia e demonstra a técnica em laboratório. Em seguida, algumas aplicações da técnica e como as estruturas são utilizadas no campo da bioengenharia são examinadas.

Litografia Suave

Many BioMEM&#160;devices, such as microfluidic channels, are fabricated using the soft lithography technique. Here, a microscale pattern is replicated by ...

A litografia suave é um conjunto de processos de fabricação rápidos, simples e baratos que têm sido usados com sucesso para padronizar os canais complexos de sistemas microfluídicos. Na indústria eletrônica, a litografia refere-se ao processo de microfabricação usando polímeros leves e sensíveis à luz para padronizar partes de um filme fino ou a maior parte de um substrato. O termo litografia suave refere-se ao uso de materiais elastoméricos macios como polidimetilsiloxano ou PDMS para realizar essas técnicas. Neste vídeo, ilustraremos os diferentes tipos de técnicas de litografia suave seguidas por um protocolo demonstrando a fabricação de um dispositivo microfluídico. Por fim, veremos como pesquisadores de diferentes áreas estão usando a litografia suave a seu favor. Primeiro, vamos revisar as técnicas de litografia suave mais comuns. O primeiro passo em todas essas técnicas é a fabricação do molde mestre. Isso é feito usando fotolitografia tradicional, que usa luz e um material sensível à luz chamado fotorresistente para criar o padrão desejado em um substrato como o silício. Para aprender sobre fotolitografia em detalhes, consulte um vídeo anterior nesta coleção Jove. O segundo passo é derramar um elastômero neste molde mestre e depois curá-lo. Isso cria o selo elastomérico flexível com as características de relevo que é usado de diferentes maneiras nas várias técnicas de litografia suave. Os principais modos de transferência usando o carimbo fundido são impressão, moldagem, litografia óptica de mudança de fase, seccionamento mecânico e fundição. Na impressão, o carimbo é primeiro revestido com uma tinta transferível como octadecanetiol ou ODT, que é então colocada no substrato, como ouro. Quando o carimbo é removido, apenas a tinta da superfície do carimbo em relevo é impressa na superfície do substrato. Assim, a impressão replica diretamente os recursos em nanoescala no substrato. Em outra técnica chamada moldagem, o próprio carimbo é usado como molde. Aqui, o carimbo é prensado em um polímero não curado e depois curado. Em seguida, o molde é retirado para revelar o padrão do carimbo. Assim como a impressão, a moldagem também resulta na replicação direta de recursos em nanoescala no substrato. Na terceira técnica, chamada litografia de borda de mudança de fase, primeiro, o substrato é revestido com o material fotorresistente. Em seguida, o carimbo é colocado no substrato revestido e a luz é mostrada através do selo. Isso resulta na transferência das bordas das características para o filme de fotorresistência, conforme observado nas técnicas tradicionais de litografia. No seccionamento mecânico, também conhecido como nanoskiving, o carimbo é usado para moldar pré-polímeros epóxi não curados, como na moldagem. Este pré-polímero moldado é curado, que é então revestido com uma película fina de um material de sua escolha, por exemplo, ouro. Este filme é então embebido em mais epóxi e curado, após o que é seccionado usando um ultramicrótomo para formar uma placa de epóxi com o padrão. Finalmente, na fundição, um polímero é derramado em um molde mestre para fazer um carimbo. Em seguida, pode ser perfurado para entradas e saídas e colado a um substrato. Na seção a seguir, revisamos o protocolo para fabricar um dispositivo microfluídico simples. Primeiro, prepare o molde mestre usando técnicas tradicionais de litografia. Para obter detalhes sobre o protocolo, consulte um vídeo anterior nesta coleção. O molde mestre é normalmente fabricado em um substrato de silício. Para fabricar o carimbo, primeiro prepare uma mistura de cerca de 25 gramas de PDMS e agente de cura na proporção de 10:1. Em seguida, desgaseifique a mistura para remover quaisquer bolhas de ar. Em seguida, coloque o molde mestre em um recipiente de base plana e despeje a mistura PDMS desgaseificada sobre ele. Agora asse o PDMS a 60 graus Celsius por cerca de uma hora, seguido de um resfriamento natural do forno à temperatura ambiente por mais uma hora. Em seguida, corte o PDMS do molde e coloque-o com o lado do padrão para cima para evitar contaminação. Em seguida, recorte os padrões individuais. Perfure todas as entradas e saídas usando um furador dermatológico do tamanho certo para permitir o fluxo de fluido para dentro e para fora do dispositivo. Em seguida, coloque o dispositivo PDMS em um limpador de plasma de oxigênio e trate-o por cerca de um minuto. Cole as duas camadas do dispositivo e alinhe o padrão sob um microscópio. Finalmente, cole o dispositivo completo a um substrato usando PDMS e asse-o para curar. Antes de usar, teste se há vazamentos fluindo água através dos canais microfluídicos. A litografia suave encontrou aplicação em campos que vão desde a análise molecular até o diagnóstico clínico e o desenvolvimento de medicamentos. Vamos dar uma olhada em alguns desses exemplos. Essa técnica pode ser usada para criar estruturas não convencionais, como micropostes flexíveis para perfis mecânicos de células individuais. Mecano-profiling refere-se ao estudo dos parâmetros mecânicos, como forças aplicadas por microrganismos em seu ambiente. Depois que os micropostes são fabricados, as células cultivadas podem crescer neles. Isso resulta na flexão dos pequenos pilares flexíveis, que podem ser medidos para calcular as forças exercidas pelos diferentes tipos de células. Sistemas multicamadas e multifluídicos podem ser usados para estudar e entender os efeitos de diferentes microambientes em células de mamíferos. Esses sistemas são fabricados fazendo cada camada individual de PDMS usando diferentes moldes mestres. Em seguida, os vários moldes PDMS são limpos, alinhados e colocados em camadas uns sobre os outros e cozidos. As múltiplas camadas do dispositivo PDMS permitem a separação eficiente do fluido das células através de uma membrana PDMS semipermeável. Essa configuração permite que os pesquisadores estudem e caracterizem os efeitos de novos microambientes nas células, permitindo que quantidades controladas de fluidos, como oxigênio ou um novo meio, se difundam da camada superior do fluido de teste para as células de mamíferos no canal microfluídico inferior. Você acabou de assistir ao vídeo de Jove sobre litografia suave. Aqui, discutimos as principais técnicas de litografia suave, juntamente com o protocolo detalhado de fabricação de um dispositivo microfluídico PDMS como exemplo. Obrigado por assistir.

Education

JoVE Science Education

Engineering

Engenharia

Bioengineering

Bioengenharia

Soft Lithography

photolithography for microfluidic device making

Photolithography and soft lithography are used to make BioMEM devices such as microfluidic channels. A microscale pattern is copied by curing an elastomeric polymer over a 3D structure. The result is a polymer piece that can serve as part of a biological device.

These polymer structures are then used to build a range of tools. Some are microfluidic channels for biosensing applications. Others are microscale bioreactors that let scientists visualize micro-colonies.

The process also shows how pattern making works in the laboratory. The video introduces photolithography and demonstrates the technique step by step. It then connects the finished structures to their use in bioengineering.

Photolithography for Microfluidic Device Making

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overview of biomaterials

Biomaterials in Medicine and Engineering

Biomaterials are materials designed to interact well with biological organisms or molecules. They may come from an organism, be produced by an organism, or be made as a synthetic polymer. Because of these properties, engineers use biomaterials in medicine and other biological applications. These materials are used in tissue engineering, biosensing, and drug delivery. Tissue engineering uses materials to support the growth or repair of tissues. Biosensing uses materials to detect biological...

collagen hydrogels

Porcine Collagen for Tissue Engineering

Collagen is a useful biomaterial with uses that go beyond the lab. It has also found commercial use in photography. In tissue engineering, collagen can be turned into hydrogels that give engineered tissue support and structure. This page follows the path from porcine skin to a collagen hydrogel. Porcine skin is used as the source of collagen. The material is then prepared for use in tissue engineering applications. The video also shows several applications of collagen and the methods used to...

electrospinning of silk biomaterials

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats

Silk cocoons can be processed into a soluble material that is useful for making biomaterials. Silk fibers have been used for fabrics and threads for centuries, but turning them into a versatile pre-polymer solution is a newer technique. That solution can then be shaped into materials with controllable mechanical properties. The process begins with silk worm cocoons. The silk is solubilized, or dissolved, so it can be handled as a liquid-like solution. The video then shows how that silk...

overview of biomem devices

BioMEMs in Diagnostics and Miniaturization

Bio-microelectromechanical systems, or BioMEMs, are microscale devices used in diagnostic settings. They work with very small sample and reagent volumes in vivo and in vitro, which means inside a living body or outside it in a lab. These compact systems support bioengineering research and help make diagnostic tools more efficient. BioMEMs can carry out functions such as filtration, sensing, and synthesis on a tiny scale. Using less material can lower costs and improve sensitivity. The...

microfabrication via photolithography

Photolithography for Silicon Wafer Patterning

Photolithography is a common microfabrication method used to pattern a silicon wafer. It uses light to transfer a design onto the wafer surface. This process helps form the basis for many BioMEM devices. The page also shows how photolithography is carried out in a cleanroom. Cleanroom steps are important because they support careful fabrication of small, detailed features. The video ends by introducing applications of this process in BioMEM device production.

soft lithography

Photolithography and soft lithography are used to make BioMEM devices such as microfluidic channels. A microscale pattern is copied by curing an elastomeric polymer over a 3D structure. The result is a polymer piece that can serve as part of a biological device. These polymer structures are then used to build a range of tools. Some are microfluidic channels for biosensing applications. Others are microscale bioreactors that let scientists visualize micro-colonies. The process also shows how...

overview of bioprocess engineering

Bioreactors and Protein Production in Bioprocessing

Bioprocessing uses living organisms to make a desired target product. In many cases, that product is a protein made in a bioreactor, which is a controlled vessel for growing cells. This process often relies on genetically engineered organisms. Engineers design the system so the cells can produce proteins at large scale. That approach is central to making biotherapeutics, which are drugs made from biological materials. Biotherapeutics are important medicines for complex diseases such as...

synthetic biology

Engineering Cells to Produce Proteins

Synthetic biology is a bioengineering method for programming cells to make useful products. In many cases, the goal is to genetically modify an organism so it can produce large amounts of a protein. That protein may already be made by the cell, or it may come from a newly inserted DNA sequence. The process depends on changing an organism’s genetic material. This is done with transformation or transfection, two common ways to introduce DNA into cells. The video also shows how this work is...

batch and continuous bioreactors

Growing Cells in Bioreactors

Bioreactors are used to grow organisms in large volumes. This makes it possible to produce large amounts of a target product. In laboratory and bioengineering settings, they provide a controlled place for cell growth and product formation. The two main reactor types are batch reactors and continuous reactors. A batch reactor contains all of the materials needed for cell growth at the start. A continuous reactor has inlet and outlet ports, so fresh growth media can be added while cell waste is...

overview of biosensing

How Biosensors Detect Molecules

Biosensors detect biological molecules and chemical contaminants by combining biology with physical measurement. They can identify targets such as proteins or cells, as well as non-biological molecules like chemicals or contaminants. This makes biosensing a useful field for studying and monitoring many kinds of samples. These devices rely on different signal types to find the target molecule. Some biosensors use electrical signals, while others depend on optical, electrochemical, or mechanical...

electrochemical biosensing

Glucose Sensors and Cancer Detection

Electrochemical biosensors detect target molecules by measuring an oxidation-reduction event. That signal changes when a molecule binds to the sensor surface. These sensors helped shape modern biosensing after the first glucose biosensor was invented. The glucose biosensor is a key example of this technology. It shows how electrochemical sensing can track a biological target through a measurable electrical change. The same basic idea also helps explain how electrochemical biosensors can be...

optical biosensing

Detecting Molecules with Light

Optical biosensors detect target molecules with light. They monitor binding by reading an optical signal from the sample. This makes them useful for seeing when a target molecule is present. Some optical biosensors use a label molecule. The label creates a measurable signal, such as fluorescence. Other optical biosensors are label-free and track changes in optical properties, such as refractive index, as binding occurs. This page introduces both label and label-free optical biosensors. It...

overview of tissue engineering

Building Artificial Tissue with Biomaterials

Tissue engineering uses biomaterials, specific cells, and growth factors to build artificial tissue. These engineered tissue constructs are designed for tissue repair and, in some cases, organ replacement. The field focuses on how to make tissue work like natural tissue. It begins with a scaffold, which is a structure that supports cell growth. Cells are then added to the scaffold, and growth factors help encourage proliferation, or cell multiplication. The video also outlines common methods...

histotypic tissue culture

3D Cell Growth on Engineered Matrices

Histotypic tissue culture uses an engineered three-dimensional matrix to grow and propagate cells. Compared with common two-dimensional tissue culture, cells in a 3D setting behave more realistically and better mimic native tissue. The method is useful when high cell density is needed. The process begins by harvesting cells from donor tissue. Those cells are then placed onto an engineered construct for culture. This setup supports growth in a three-dimensional space instead of a flat surface.

whole organ tissue culture

Lung Decellularization and Recellularization

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors to support repair or replacement of entire organs. In this approach, a donor organ is first stripped of all cells. What remains is the three-dimensional structure of the organ, which can then be repopulated with new cells. The lung is the example shown here. The method uses a dynamic culture system that provides mechanical stimulation, similar to what the organ experiences in the body. This type of culture helps induce native...

bioengineering

Esta coleção abrange os principais conceitos da bioengenharia, que incluem a produção de biomateriais, culturas histotípicas e de órgãos inteiros, técnicas de bioprocessamento e os complexos campos de nível de sistema de bioMEMs e biosensoriamento.

Learn how photolithography and soft lithography help make microfluidic channels and microscale bioreactors for biosensing and bioengineering.

Photolithography for Microfluidic Device Making

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