Multi-passo fotolitografia Variável Altura para Valved multicamada microfluídicos Devices

O objetivo geral deste protocolo de vídeo é demonstrar fotolitografia completa em várias etapas de moldes mestres microfluídicos com válvulas no chip e vários recursos de altura ajustáveis para qualquer aplicação. Este método é uma visão geral completa de como fabricar moldes mestres com geometrias complexas, incluindo válvulas de membrana no chip, para dispositivos microfluídicos. A principal vantagem dessa técnica é que ela possibilita o controle fácil do fluxo em dispositivos microfluídicos, superando uma grande barreira à entrada de microfluídica em aplicações biológicas.

A demonstração visual dessa técnica é crítica, pois as etapas da fotolitografia costumam ser difíceis de dominar para iniciantes. O alinhamento, o desenvolvimento e a exposição adequados dependem de dicas visuais e experiência em sala limpa. Para começar, projete seu dispositivo e prepare as máscaras fotográficas individuais para as geometrias multicamadas.

Além disso, prepare cerca de quatro wafers com uma camada de cinco mícrons de fotorresistente negativo SU-8 2050 e exponha a inundações conforme descrito no protocolo de texto que acompanha. Coloque o wafer revestido em um revestidor de centrifugação e ligue o aspirador para fixá-lo no mandril de centrifugação. Use nitrogênio ou ar comprimido para remover qualquer poeira da superfície.

Em seguida, aplique dois a três mililitros de fotorresistente positivo AZ 50XT no centro do wafer. Gire o revestimento do fotorresistente para criar uma camada de 55 mícrons. Depois de revestido, coloque o wafer cuidadosamente em uma placa de Petri de cinco polegadas e deixe descansar por 20 minutos.

Em seguida, asse suavemente o wafer em uma placa de aquecimento por 22 minutos enquanto aumenta a temperatura de 65 graus Celsius para 112 graus Celsius a uma taxa de 450 graus Celsius por hora. Em seguida, remova o wafer e deixe-o descansar durante a noite em temperatura ambiente em uma placa de Petri para reidratação ambiente. Cole a máscara de transparência redonda de fluxo na placa de vidro de cinco polegadas para que o lado de impressão fique mais próximo do wafer e carregue no posicionador de máscara do alinhador de máscara UV.

Exponha a aposta a 930 miliJoules de UV em seis ciclos. Desenvolva o wafer imediatamente, imergindo-o em um banho agitado de revelador por três a cinco minutos, ou até que o banho fique roxo e as características surjam. Depois de desenvolvido, retire o wafer e enxágue bem com água deionizada.

Em seguida, asse com força o wafer para derreter e arredondar as características da válvula. Aumente a temperatura de 65 para 190 graus Celsius ao longo de 15 horas a uma taxa de 10 graus Celsius por hora. Quando terminar, desligue a placa de aquecimento e deixe o wafer esfriar até a temperatura ambiente.

As características do wafer agora são arredondadas. Este cozimento duro é fundamental para refluir adequadamente os recursos da válvula retangular em perfis de válvula arredondados. Tempos mais curtos podem resultar em rachaduras ou instabilidade.

Para fabricar um dispositivo com características de altura variável, coloque o wafer limpo em um revestidor giratório conforme mostrado anteriormente. Aplique um a dois mililitros de fotorresistente negativo SU-8 2050 no centro do wafer e gire o fotorresistente sobre os recursos da válvula desenvolvidos. Em seguida, coloque cuidadosamente o wafer fiado em uma placa de Petri de cinco polegadas e deixe-o relaxar por 20 minutos em uma superfície plana ou até que os padrões de listras desapareçam.

Em seguida, pré-aqueça duas placas de aquecimento a 65 graus Celsius e 95 graus Celsius e, em seguida, coloque o wafer no prato de 65 graus Celsius por dois minutos, o prato de 95 graus Celsius por oito minutos e o prato de 65 graus Celsius por mais dois minutos para assar o wafer. Assim que o wafer esfriar de volta à temperatura ambiente, cole a máscara de baixa transparência de fluxo em uma placa de vidro de quartzo de cinco polegadas para que o lado de impressão fique mais próximo do wafer e carregue-a no posicionador de máscara do alinhador de máscara UV. Em seguida, coloque o wafer em um mandril alinhador de máscara UV e, usando a ocular ou câmera do microscópio, alinhe cuidadosamente os novos recursos da camada baixa de fluxo com os recursos da camada da válvula redonda de fluxo.

Comece alinhando os eixos horizontal, vertical e de inclinação das bordas do dispositivo aos recursos de borda do dispositivo na máscara. Em seguida, alinhe os recursos de mira entre as camadas. Por fim, confirme se os recursos da válvula cruzam os recursos de fluxo baixo quando desejado.

Em seguida, exponha o wafer a uma deposição UV de 170 miliJoule. Quando terminar, remova o wafer e asse-o após a exposição, alternando entre as duas placas de aquecimento definidas para 65 graus Celsius e 95 graus Celsius. Sem desenvolver o wafer, deixe-o esfriar até a temperatura ambiente e, em seguida, adicione sequencialmente a camada alta de fluxo e, em seguida, a camada de espinha de peixe do misturador caótico usando SU-8 2025, conforme descrito no protocolo de texto que acompanha.

Depois que todas as camadas forem concluídas, desenvolva os recursos imergindo o wafer em um banho agitado contendo 25 mililitros de revelador SU-8 por 3,5 minutos ou até que os recursos surjam claramente. Use um estereoscópio para verificar se os recursos têm limites de recursos claros e definidos. Durante o desenvolvimento, certifique-se de verificar a cada 20 segundos se os recursos se tornaram totalmente definidos e a resistência foi eliminada.

O desenvolvimento excessivo pode resultar em danos aos recursos, especialmente em projetos de molde complexos. Em seguida, asse o wafer com força para estabilizar todos os recursos do fotorresistente. Em seguida, fabrique a camada de controle conforme descrito no protocolo de texto que acompanha.

Fabricar dispositivos microfluídicos multicamadas em uma geometria pushup em vidro de acordo com os protocolos de acesso aberto existentes e usar a inspeção visual para garantir que todas as válvulas estejam devidamente alinhadas às linhas de controle e que todas as entradas sejam perfuradas totalmente antes de prosseguir. Conecte a tubulação Tygon carregada com água a um sistema de controle de fluxo, como uma bomba de seringa, controladores fluídicos ou um conjunto de válvulas solenoides de código aberto com reservatórios. Em seguida, conecte os pinos de metal à tubulação e os pinos de metal às portas do dispositivo nas entradas da linha de controle.

Em seguida, defina o sistema de controle de fluxo para 25 PSI para cada linha para pressurizar as linhas de controle do dispositivo. Certifique-se de que as válvulas fechem e reabram por inspeção ao microscópio. Em um tubo de microcenrífugo, suspenda 3,9 miligramas de fotoiniciador em 100 microlitros de água DI para preparar a solução do fotoiniciador usada para polimerizar gotículas em esferas de hidrogel.

Cubra a solução para protegê-la da luz. Em um segundo tubo de microcentrífuga, adicione 132 microlitros de água deionizada, 172 microlitros de diacrilato de PEG, 12 microlitros da solução fotoiniciadora e 85 microlitros de tampão HEPES para fazer a solução de gotículas de hidrogel. Transfira a solução de gotículas de hidrogel para um recipiente de tubo criogênico personalizado.

Em seguida, conecte a tubulação do vaso do tubo criogênico a uma fonte de pressão controlável e conecte a tubulação PEEK à entrada do reagente do dispositivo. Em seguida, insira o tubo PEEK na saída do dispositivo para coletar as gotículas. Remova as bolhas de ar do dispositivo, repressurize o sistema e, em seguida, despressurize a válvula de óleo RO1 e ajuste a pressão do óleo para 10 PSI.

Em seguida, defina a pressão da mistura PEG para nove PSI, despressurize as válvulas a montante e ajuste a pressão conforme necessário para produzir gotículas do tamanho desejado. Determine o tamanho da gota por microscopia usando uma câmera com 50 FPS ou superior. Quando as gotículas estiverem estabilizadas, posicione uma fonte de luz UV sobre a região de polimerização do dispositivo e aplique 100 miliWatts por centímetro quadrado de luz de 365 nanômetros da fonte em um ponto de cinco milímetros.

Pressurize a válvula de peneira de esferas para observar a coleta de esferas polimerizadas e certifique-se de que as gotículas tenham endurecido em contas. Finalmente, despressurize a válvula da peneira de esferas e colete as esferas em um tubo através da tubulação de saída PEEK. Este protocolo começa demonstrando um método para arredondar válvulas de fluxo.

Aqui, um perfilômetro foi usado para determinar o perfil típico de arredondamento da válvula pós-refluxo resultante desse método, mostrando uma altura de aproximadamente 55 mícrons. Na imagem à esquerda, a válvula está desligada e o líquido pode passar pelos canais. Uma vez ativado pela pressurização das válvulas, o fluxo através dessas válvulas é cortado.

Aqui, pode-se ver o dispositivo sintetizador de esferas em operação, produzindo gotículas de hidrogel em uma emulsão de óleo no gerador de gotículas da junção T. Ao fechar parcialmente um fluxo a jusante usando uma válvula de peneira, o fluido pode continuar a fluir, mas os grânulos ficam presos atrás da válvula. Os grânulos resultantes produzidos usando esse processo tinham em média 52,6 mícrons de diâmetro com um desvio padrão de apenas 1,6 mícrons.

De quase 3.000 contas, menos de 1% estavam erradas por mais de três desvios padrão. Uma vez dominada, essa técnica pode ser concluída em três dias, desde o projeto até o teste. Isso permite uma rápida iteração do projeto.

Seguindo esse procedimento, mesmo pesquisadores com pouca experiência em fabricação podem construir seus próprios dispositivos microfluídicos complexos e aplicá-los a seus próprios problemas biológicos. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como executar as etapas de fotolitografia necessárias para fazer dispositivos microfluídicos de qualquer nível de complexidade, incluindo dispositivos com recursos complexos de altura variável ou válvulas.