Многоступенчатая переменной высоты фотолитографии для Valved Многослойные микрожидком устройств

Общая цель этого видеопротокола — продемонстрировать полную многоступенчатую фотолитографию микрофлюидных мастер-форм со встроенными клапанами и несколькими характеристиками высоты, настраиваемыми для любого применения. Этот метод представляет собой полный обзор того, как изготавливать мастер-формы со сложной геометрией, включая мембранные клапаны на кристалле, для микрофлюидных устройств. Основное преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет легко управлять потоком в микрофлюидных устройствах, преодолевая главный барьер для входа в микрофлюидики в биологических приложениях.

Наглядная демонстрация этой техники имеет решающее значение, так как этапы фотолитографии часто сложны для освоения новичками. Правильное выравнивание, развитие и экспозиция зависят от визуальных сигналов и ощущения чистоты в помещении. Для начала спроектируйте свое устройство и подготовьте индивидуальные фотомаски для многослойной геометрии.

Кроме того, подготовьте около четырех пластин с пятимикронным слоем негативного фоторезиста SU-8 2050 и подвергните их затоплению, как описано в сопроводительном текстовом протоколе. Поместите пластину с покрытием на отвержную машину для нанесения покрытий и включите пылесос, чтобы прикрепить ее к отжимному патрону. Используйте азот или сжатый воздух, чтобы сдуть пыль с поверхности.

Затем нанесите два-три миллилитра положительного фоторезиста AZ 50XT на центр пластины. Покройте фоторезист слоем отжима, чтобы создать слой толщиной 55 микрон. После покрытия аккуратно положите в пятидюймовую чашку Петри и дайте расслабиться в течение 20 минут.

Затем мягко выпекайте на конфорке в течение 22 минут, увеличивая температуру от 65 градусов по Цельсию до 112 градусов по Цельсию со скоростью 450 градусов по Цельсию в час. Затем извлеките и дайте ей постоять ночь при комнатной температуре в чашке Петри для регидратации окружающей среды. Прикрепите проточную круглую прозрачную маску к пятидюймовой стеклянной пластине так, чтобы сторона печати была ближе всего к пластине, и загрузите ее в позиционер маски выравнивателя УФ-маски.

Подвергните ставку 930 миллиджоулям ультрафиолетового излучения за шесть циклов. Проявите немедленно, погрузив ее в ванну с перемешанным проявителем на три-пять минут, или пока ванна не станет фиолетовой и не появятся особенности. После проявления удалите пластину и хорошо промойте ее деионизированной водой.

Затем сильно выпекайте, чтобы она расплавилась и округлила клапанные элементы. Увеличьте температуру от 65 до 190 градусов Цельсия в течение 15 часов со скоростью 10 градусов Цельсия в час. После этого выключите конфорку и дайте вафле остыть до комнатной температуры.

Элементы пластины теперь закруглены. Эта твердая выпечка имеет решающее значение для правильной оплавления прямоугольных элементов клапанов в закругленные профили клапанов. Более короткое время может привести к растрескиванию или нестабильности.

Чтобы изготовить устройство с переменной высотой, поместите очищенную пластину на устройство для нанесения покрытий, как показано ранее. Нанесите один-два миллилитра негативного фоторезиста СУ-8 2050 на центр пластины и прокрутите фоторезист над проявленными элементами клапана. Затем осторожно поместите закрученную в пятидюймовую чашку Петри и дайте ей отдохнуть в течение 20 минут на ровной поверхности или пока не исчезнут узоры с полосами.

Затем разогрейте две конфорки до 65 градусов Цельсия и 95 градусов Цельсия, а затем установите на пластину с температурой 65 градусов Цельсия на две минуты, на пластину с температурой 95 градусов Цельсия на восемь минут и на пластину с температурой 65 градусов Цельсия на две дополнительные минуты, чтобы мягко выпекать. Как только пластина остынет до комнатной температуры, прикрепите проточную маску с низкой прозрачностью к кварцевой пятидюймовой стеклянной пластине так, чтобы сторона печати была ближе всего к пластине, и загрузите ее в позиционер маски выравнивателя УФ-маски. Затем поместите пластину в патрон для выравнивания УФ-маски и с помощью окуляра микроскопа или камеры тщательно совместите новые элементы нижнего слоя потока с элементами круглого слоя клапана потока.

Начните с выравнивания горизонтальной, вертикальной осей и оси наклона границ устройства по элементам границы устройства на маске. Затем выровняйте объекты перекрестия между слоями. Наконец, убедитесь, что элементы клапана пересекаются с характеристиками низкого расхода там, где это необходимо.

Затем подвергните пластину воздействию УФ-осаждения с давностью 170 миллиджоулей. Когда закончите, извлеките пластину и выпекайте ее после экспонирования, переключаясь между двумя конфорками, установленными на 65 градусов Цельсия и 95 градусов Цельсия. Не проявляя пластину, дайте ей остыть до комнатной температуры, а затем последовательно добавьте верхний слой потока, а затем хаотичный слой смеси «елочкой» с помощью SU-8 2025, как описано в сопроводительном текстовом протоколе.

После того, как все слои будут готовы, проявите особенности, погрузив пластину в ванну с перемешиванием, содержащую 25 миллилитров проявителя SU-8, на 3,5 минуты или до тех пор, пока особенности не станут четкими. Используйте стереоскоп, чтобы убедиться, что объекты имеют четкие, определенные границы признаков. Во время разработки обязательно проверяйте каждые 20 секунд, чтобы убедиться, что функции полностью определены и сопротивление смыто.

Чрезмерная разработка может привести к повреждению элементов, особенно на сложных конструкциях пресс-форм. Затем сильно выпекайте, чтобы стабилизировать все элементы фоторезиста. Затем изготовьте уровень управления, как описано в сопроводительном текстовом протоколе.

Изготовьте многослойные микрофлюидные устройства с геометрией пуш-ап на стекле в соответствии с существующими протоколами открытого доступа и используйте визуальный осмотр, чтобы убедиться, что все клапаны правильно выровнены по линиям управления, а все входные отверстия полностью пробиты, прежде чем продолжить. Подсоедините трубки Tygon, загруженные водой, к системе управления потоком, такой как шприцевой насос, контроллеры жидкости или массив электромагнитных клапанов с открытым исходным кодом с резервуарами. Затем подсоедините металлические контакты к трубке, а металлические — к портам устройства на входах в линию управления.

Затем установите систему управления потоком на 25 фунтов на квадратный дюйм для каждой линии, чтобы создать давление в линиях управления устройством. Убедитесь, что клапаны закрываются и снова открываются, проверяя их под микроскопом. В микроцентрирующей пробирке суспензируйте 3,9 миллиграмма фотоинициатора в 100 микролитрах деионизированной воды, чтобы приготовить раствор фотоинициатора, используемый для полимеризации капель в гидрогелевые шарики.

Накройте раствор крышкой, чтобы защитить его от света. Во вторую микроцентрифужную пробирку добавьте 132 микролитра деионизированной воды, 172 микролитра диакрилата ПЭГ, 12 микролитров раствора фотоинициатора и 85 микролитров буфера HEPES, чтобы получить раствор гидрогелевой капли. Перенесите раствор гидрогелевых капель в специальный криогенный пробирочный сосуд.

Затем подсоедините трубку сосуда криогенной трубки к управляемому источнику давления, а трубку PEEK подсоедините к входу реагента устройства. Далее вставьте трубку PEEK на выходе устройства для сбора капель. Удалите пузырьки воздуха из устройства, восстановите давление в системе, а затем сбросьте давление в масляном клапане RO1 и установите давление масла на 10 фунтов на квадратный дюйм.

Затем установите давление смеси PEG на девять фунтов на квадратный дюйм, сбросьте давление на клапанах перед входом и отрегулируйте давление по мере необходимости, чтобы получить капли желаемого размера. Определение размера капель с помощью микроскопии с помощью камеры с частотой 50 кадров в секунду или выше. Когда капли стабилизируются, расположите источник ультрафиолетового излучения над областью полимеризации устройства и подайте 100 милливатт на квадратный сантиметр света 365 нанометров от источника на пятимиллиметровое пятно.

Нагнетайте давление на клапан сита для шта, чтобы наблюдать, как собираются полимеризованные шарики, и убедитесь, что капли затвердели в гранулы. Наконец, сбросьте давление на клапане сита и соберите шарики в трубку через выходную трубку PEEK. Этот протокол начинается с демонстрации метода округления клапанов потока.

В данном случае профилометр был использован для определения типичного профиля округления клапана после оплавления, полученного в результате этого метода, показывающего высоту примерно 55 микрон. На изображении слева клапан выключен, и жидкость может проходить по каналам. После активации за счет нагнетания давления в клапанах поток через эти клапаны прекращается.

Здесь можно увидеть в работе устройство синтезатора шариков, производящее капли гидрогеля в масляной эмульсии на генераторе капель с Т-образным переходом. При частичном перекрытии нисходящего потока с помощью ситового клапана жидкость может продолжать течь, но шарики оказываются в ловушке за клапаном. Полученные бусины, полученные с помощью этого процесса, имели в среднем 52,6 микрон в диаметре со стандартным отклонением всего 1,6 микрона.

Из почти 3000 бусин менее 1% отличались более чем на три стандартных отклонения. После освоения эта техника может быть завершена за три дня от проектирования до тестирования. Это позволяет быстро выполнять итерации проекта.

Следуя этой процедуре, даже исследователи с небольшим опытом изготовления могут создавать свои собственные сложные микрофлюидные устройства и применять их для решения своих биологических проблем. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как выполнять этапы фотолитографии, необходимые для изготовления микрофлюидных устройств любого уровня сложности, в том числе устройств со сложными характеристиками переменной высоты или клапанов.