Multi-passo fotolitografia Variável Altura para Valved multicamada microfluídicos Devices

Summary

Multilayer microfluidic devices often involve the fabrication of master molds with complex geometries for functionality. This article presents a complete protocol for multi-step photolithography with valves and variable height features tunable to any application. As a demonstration, we fabricate a microfluidic droplet generator capable of producing hydrogel beads.

Abstract

Microfluidic systems have enabled powerful new approaches to high-throughput biochemical and biological analysis. However, there remains a barrier to entry for non-specialists who would benefit greatly from the ability to develop their own microfluidic devices to address research questions. Particularly lacking has been the open dissemination of protocols related to photolithography, a key step in the development of a replica mold for the manufacture of polydimethylsiloxane (PDMS) devices. While the fabrication of single height silicon masters has been explored extensively in literature, fabrication steps for more complicated photolithography features necessary for many interesting device functionalities (such as feature rounding to make valve structures, multi-height single-mold patterning, or high aspect ratio definition) are often not explicitly outlined.

Here, we provide a complete protocol for making multilayer microfluidic devices with valves and complex multi-height geometries, tunable for any application. These fabrication procedures are presented in the context of a microfluidic hydrogel bead synthesizer and demonstrate the production of droplets containing polyethylene glycol (PEG diacrylate) and a photoinitiator that can be polymerized into solid beads. This protocol and accompanying discussion provide a foundation of design principles and fabrication methods that enables development of a wide variety of microfluidic devices. The details included here should allow non-specialists to design and fabricate novel devices, thereby bringing a host of recently developed technologies to their most exciting applications in biological laboratories.

Introduction

Durante os últimos 15 anos, como um campo de microfluidos sofreu um crescimento rápido, com uma explosão de novas tecnologias que permitem a manipulação de fluidos em escala micrométrica ^1. Sistemas microfluidicos são atraentes para as plataformas funcionalidade laboratório molhado, porque os pequenos volumes tem o potencial para realizar o aumento da velocidade e a sensibilidade ao mesmo tempo, aumentar dramaticamente o rendimento e reduzindo o custo por aproveitar as economias de escala de ^{2, 3.} Sistemas microfluídicos multicamadas fizeram impactos particularmente significativos em aplicações de análise bioquímica de alto rendimento, como a análise única célula ^{4, 5, 6,} análise única molécula (por exemplo, digitais PCR ^7), cristalografia de proteínas ^8, ensaios de ligação do factor de transcriçãof "> ^{9, 10, 11} e triagem celular.

Um objetivo central da microfluídica tem sido o desenvolvimento de "laboratório em um chip" dispositivos capazes de realizar manipulações de fluidos complexos dentro de um único dispositivo para análise bioquímica total de ^12. O desenvolvimento de técnicas de litografia suave multi-camada tem ajudado a realizar este objetivo, permitindo a criação de válvulas on-chip, misturadores e bombas para controlar ativamente fluidos dentro de pequenos volumes ^{13, 14, 15.} Apesar de suas vantagens e aplicações demonstradas, muitas dessas tecnologias microfluídicos permanecem em grande parte unharnessed por utilizadores não especialistas. adopção generalizada tem sido um desafio, em parte devido ao acesso limitado a instalações de microfabricação, mas também devido à comunicação inadequada de técnicas de fabricação. Isto é especialmente verdadeiro for dispositivos microfluídicos multicamadas que caracterizam as estruturas de válvulas ou geometrias complexas: a escassez de informações detalhadas e práticas sobre os parâmetros de design importantes e técnicas de fabricação, muitas vezes desencoraja novos pesquisadores de embarcar em projetos que envolvem a concepção e criação destes dispositivos.

Este artigo pretende abordar essa lacuna de conhecimento através da apresentação de um protocolo completo para a fabricação de dispositivos microfluídicos multicamadas com válvulas e características altura variável, a partir de parâmetros de projeto e movendo-se através de todas as etapas de fabricação. Ao concentrar-se nas etapas de fotolitografia iniciais de fabricação, este protocolo complementa outros protocolos microfluidics ¹⁶ que descrevem os passos a jusante da fundição dispositivos a partir de moldes e funcionando experimentos específicos.

microcanais com válvulas monolítico on-chip são compostas de duas camadas: um "fluxo" camada, onde o fluido de interesse é manipulado em microcanais, e um "controlo" da camada, onde microcanais contendo ar ou água são capazes de modular selectivamente o fluxo de fluido na camada de escoamento ^14. Estas duas camadas são fabricados sobre cada um mestre de moldagem de silicone separada, que é subsequentemente utilizado para polidimetilsiloxano (PDMS) de moldagem réplica num processo chamado "litografia macia ^17." Para formar um dispositivo de camadas múltiplas, cada uma das camadas de PDMS são expressos sobre as suas respectivas mestres de moldagem e, em seguida, alinhados um ao outro, formando assim um dispositivo de PDMS compósito com canais em cada camada. As válvulas são formadas em locais em que os canais de fluxo e de controlo cruzam um ao outro e estão separados apenas por uma fina membrana; pressurização do canal de controlo desvia desta membrana para ocluir o canal de fluxo e localmente deslocar o fluido (Figura 1).

Activo válvulas on-chip pode ser fabricado de várias maneiras, dependendo da aplicação final desejada. válvulaspode ser configurado em qualquer uma "empurrar para baixo" ou de "empurrar para cima" geometria, dependendo se a camada de controlo está acima ou abaixo da camada de escoamento (Figura 1) ^15. "Push up" geometrias permitem menores pressões de fechamento e estabilidade dispositivo maior contra delaminação, enquanto "empurrar para baixo" geometrias permitir que os canais de fluxo de estar em contacto directo com o substrato aderido, conferindo a vantagem de funcionalização seletiva ou padronização da superfície do substrato para a funcionalidade mais tarde, ^{18, 19.}

Válvulas também pode ser intencionalmente leaky válvulas "peneira" ou totalmente selável, dependendo do perfil da secção transversal do canal de fluxo. Sieve válvulas são úteis para a captura de células de grânulos, ou outros macroanalytes ^1, e são fabricados por meio da utilização de substâncias fotoquímicas reactivas típicas negativos (isto é, SU-8 Série), que have perfis rectangulares. Quando um canal de controlo está pressurizada ao longo destas regiões da válvula, a membrana de PDMS entre o controlo e a camada de escoamento desvia isotropicamente no perfil rectangular da válvula sem selar os cantos, que permite o escoamento de fluido mas prendendo partículas em escala macro (Figura 1). Por outro lado, válvulas microfluídicos totalmente sel�eis são fabricados pela inclusão de um pequeno pedaço de fotorresiste arredondada em locais de válvulas. Com esta geometria, a pressurização do canal de controlo desvia da membrana contra a camada de fluxo de arredondado para selar completamente o canal, interrompendo o fluxo de fluido. Perfis arredondados na camada de fluxo são gerados através da fusão e refusão de fotorresiste positivo (por exemplo, AZ50 XT ou SPR 220), após as etapas de fotolitografia típicos. Temos anteriormente demonstrado que as alturas pós-refluxo das regiões válvula depender de dimensões de recursos escolhidos ^21. Este protocolo demonstra a fabricação de ambas as geometrias de válvulas comem um dispositivo de síntese de grânulo.

Figura 1: Multilayer Microfluidic Válvula Geometrias. "push up" arquiteturas de dispositivos típicos para peneira e válvulas totalmente sel�eis antes (superior) e depois (inferior) pressurização. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Os dispositivos também podem incluir características passivas complexos, tais como misturadores caóticos ¹³ e on-chip resistências ²⁰ que requerem características de várias alturas diferentes dentro de uma camada de fluxo único. Para atingir uma camada de fluxo de altura variável, diferentes grupos têm utilizado vários métodos, incluindo placa de circuito impresso gravura ^22, multicamadas alinhamento alívio PDMS ^23, ou multi-passo photolithography ^24. O nosso grupo encontrou multi-passo fotolitografia num único mestre de moldagem ser um método eficaz e reprodutível. Para fazer isso, é empregue uma técnica de construção de fotolitografia simples grossos canais de fotorresistente negativo (por exemplo, SU-8 fotorresistentes Series) em camadas, sem desenvolvimento em entre a aplicação de cada camada. Cada camada é girada em fotorresiste negativo de acordo com a sua espessura usando as instruções do fabricante ²⁵ sobre o mestre de silício. As características desta altura são então modelado sobre a camada usando uma máscara de transparência específica (Figura 2), afixada uma placa de máscara de vidro e alinhadas com a camada previamente fiado antes da exposição. Em multi-etapa de fotolitografia, o alinhamento preciso entre as camadas é fundamental na formação de um canal completo fluxo de altura variável. Após o alinhamento, cada camada é submetida a um cozimento pós-exposição dependente da espessura. Sem o desenvolvimento, a próxima camada é similarly modelado. Desta forma, as características de altura pode ser construída com uma única bolacha de escoamento da camada-por-camada através da utilização de várias máscaras. Ao pular desenvolvimento entre cada passo, as camadas de resina fotossensível anteriores pode ser usado para gerar características compostas altura (ou seja, duas camadas 25 um pode fazer uma característica 50 uM) ^24. Além disso, as características do canal de chão tal como um misturador caótico sulcos em ziguezague ¹³ pode ser feita usando camadas com características anteriormente expostos. Um passo final de desenvolvimento conclui o processo, criando uma única bolacha de fluxo com características de altura variável (Figura 3).

Aqui, um protocolo completo para multi-etapa de fotolitografia, que inclui exemplos de todos os procedimentos necessários para fabricar válvulas on-chip e canais de fluxo com várias alturas é fornecido. Este protocolo de fabricação é apresentada no contexto de um sistema multi-camada sintetizador talão de microfluidos que requer válvulas e variable-height caracteriza pela sua funcionalidade. Este dispositivo inclui t-cruzamentos para gerar gotículas de água em uma bainha de petróleo, resistores on-chip para modular as taxas de fluxo através do controle da resistência Poiseuille, um misturador caótica para homogeneizar componentes de gotículas, e ambas as válvulas totalmente vedação e peneira para permitir fluxos de trabalho automatizados que envolvem reagente múltipla insumos. Usando multi-etapa de fotolitografia, esses recursos são cada fabricada em uma camada diferente de acordo com a altura ou fotossensíveis; as seguintes camadas são construídas neste protocolo: (1) Camada de Fluxo redondo válvula (55 uM, AZ50 XT) (2) de escoamento da camada de baixo (55 pM, SU-2050 8) (3) alto fluxo de camada (85 uM, SU- 8 2025, 30 um aditivo de altura), e (4) Herringbone ranhuras (125 uM, SU-8 2025, 40 uM altura aditivo) (Figura 3).

As pérolas de hidrogel podem ser utilizadas para uma variedade de aplicações, incluindo a funcionalização selectiva de superfície para ensaios a jusante, o encapsulamento de drogas, radiotracing e de imagem ensaios e incorporação celular; que anteriormente usado uma versão mais complexa desses dispositivos para produzir pérolas de PEG hidrogel espectralmente codificados contendo nanophosphors lantanídeos ^20. Os projetos discutidos aqui são incluídos em Recursos adicionais para qualquer laboratório para usar em seus esforços de pesquisa se desejar. Prevemos que este protocolo irá fornecer um recurso aberto para especialistas e não-especialistas da mesma forma interessados ​​na fabricação de dispositivos microfluídicos multicamadas com válvulas ou geometrias complexas para diminuir a barreira de entrada em microfluídica e aumentar as chances de sucesso de fabricação.

Protocol

Projeto de dispositivos 1. Multi-layer NOTA: Características de diferentes alturas e / ou fotorresistentes devem ser adicionados sequencialmente ao wafer durante as diferentes etapas de fabricação para criar recursos finais compósitos. Portanto, modelos para cada altura e fotorresistente separado para ser incluído em uma pastilha tem de ser impressa sobre a sua própria máscara (Figura 4). Baixar um design (CAD) programa de elaboração assistida por computa…

Representative Results

Aqui, demonstramos a fabricação de válvulas, de altura variável moldes de microfluidos multicamadas, fazendo dispositivos capazes de gerar poli etileno glicol (PEG) a partir de pérolas de hidrogel gotículas (Figura 2). Uma visão geral do processo de fabricação completa está incluído na Figura 3. Usando elementos de design do trabalho anterior, o sintetizador talão emprega 4 alturas em sua camada de fluxo, incluindo (1) arre…

Discussion

Este trabalho demonstra um protocolo de fotolitografia multi-passo completo para um dispositivo microfluídico multicamadas com válvulas e geometria altura variável que pode ser ajustado para qualquer aplicação com simples modificações nos parâmetros de fabricação com base em nossas ferramenta online ²⁶ e fabricante instruções ^25. Este protocolo destina-se a desmistificar fotolitografia multicamadas para pesquisadores que desejam construir dispositivos microflu?…

Materials

Materials
Mylar Transparency Masks, 5"	FineLine Plotting
5" Quartz Plates	United Silica	Custom
4" Silicon Wafers, Test Grade	University Wafer	452
SU8 2005, 2025, 2050 photoresist	Microchem	Y111045, Y111069, Y111072
Az50XT	Integrated Micromaterials	AZ50XT-Q
SU8 Developer	Microchem	Y020100
AZ400K 1:3 Developer	Integrated Micromaterials	AZ400K1:3-CS
Pyrex 150 mm glass dish	Sigma-Aldrich	CLS3140150-1EA
Wafer Petri Dishes, 150 mm	VWR	25384-326
Wafer Tweezers	Electron Microscopy Sciences (EMS)	78410-2W
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane (PFOTS)	Sigma-Aldrich	448931-10G
2" x 3" glass slides	Thomas Scientific	6686K20
RTV 615 elastomeric base and curing agent PDMS set	Momentive	RTV615-1P
Tygon Tubing, 0.02" O.D.	Fischer Scientific	14-171-284
Capillary PEEK tubing,  510 um OD, 125 um ID	Zeus	Custom	360 um PEEK is readily available by Idex (catalog number: 1571)
Cyro 4 mL tube	Greiner Bio-One	127279
Epoxy, 30-minute	Permatex	84107
Metal Pins, 0.025" OD, .013" ID	New England Small Tube	NE-1310-02
Poly(ethylene glycol) diacrylate, Mn 700	Sigma-Aldrich	455008-100ML
Lithium Phenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphinate photoinitator	Tokyo Chemical Industry Co.	L0290	We typically synthesize LAP in-house.
HEPES	Sigma-Aldrich	H4034-25G
Light mineral oil	Sigma-Aldrich	330779-1L
Span-80	Sigma-Aldrich	85548
ABIL EM 90	UPI Chem	420095
Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment	Equivalent equiptment or homebuilt setups will work equally as well
Mask Aligner	Karl Suss	MA6
Profilometer	KLA-Tencor	Alpha-Step D500
Spin Coater	Laurell Technologies	WS-650-23	Any spincoater can be used that accepts 100 mm wafers
Vacuum Dessicator, Bell-Jar Style	Bel-Art	420100000
Oven	Cole-Palmer	WU-52120-02
UV Spot Curing System with 3 mm LLG option	Dymax	41015	UV LEDs, Xenon Arc Lamps, or other UV sources of the same intensity work equally as well
MFCS Microfluidic Fluid Control System	Fluidgent	MFCS-EZ	Syringe pumps, custom pneumatics or other control systems can also be used
Automated control scripting	MATLAB
Hotplate	Tory Pines Scientific	HP30	Any hotplate with uniform heating (i.e. aluminum or ceramic plates) will suffice.