Multi-step altezza variabile fotolitografia per Valvolati multistrato microfluidici 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

Negli ultimi 15 anni, microfluidica come un campo ha subito una rapida crescita, con una esplosione di nuove tecnologie che consentono la manipolazione dei fluidi alla scala micrometrica ^1. Sistemi microfluidici sono piattaforme interessanti per funzionalità laboratorio bagnato perché i piccoli volumi hanno il potenziale per realizzare una maggiore velocità e sensibilità, mentre allo stesso tempo aumentando notevolmente la produttività e ridurre i costi sfruttando economie di scala ^{2, 3.} Sistemi microfluidici multistrato hanno impatti particolarmente significativi in applicazioni di analisi biochimiche ad alto throughput, come singola analisi delle cellule ^{4, 5, 6,} l'analisi singola molecola (ad esempio, digitale PCR ^7), proteine cristallografia ^8, fattore di trascrizione saggi vincolantef "> ^{9, 10,} e lo screening cellulare ^11.

Un obiettivo centrale della microfluidica è stato lo sviluppo di "lab on a chip" dispositivi in grado di eseguire complesse manipolazioni fluidici all'interno di un unico dispositivo per l'analisi biochimica totale ^12. Lo sviluppo di tecniche morbido litografia multistrato ha contribuito a realizzare questo obiettivo, consentendo creazione di valvole on-chip, miscelatori e pompe per controllare attivamente fluidi all'interno di piccoli volumi ^{13, 14, 15.} Nonostante i loro vantaggi e applicazioni dimostrato, molte di queste tecnologie microfluidica rimangono in gran parte staccati dagli utenti non specialisti. adozione diffusa è stato impegnativo, in parte a causa di un accesso limitato ai servizi di microfabbricazione, ma anche per la comunicazione inadeguata di tecniche di fabbricazione. Questo è particolarmente vero for dispositivi microfluidici multistrato dotati di strutture per valvole o geometrie complesse: la scarsità di informazioni pratiche dettagliate su importanti parametri di progettazione e le tecniche di fabbricazione scoraggia spesso nuovi ricercatori da intraprendere progetti che prevedono la progettazione e la realizzazione di questi dispositivi.

Questo articolo si propone di affrontare questo gap di conoscenza con la presentazione di un protocollo completo per rendere i dispositivi microfluidici multistrato con valvole e le caratteristiche di altezza variabile, a partire da parametri di progetto e si muove attraverso tutte le fasi di fabbricazione. Focalizzando l'attenzione sui gradini di fotolitografia iniziali di fabbricazione, questo protocollo è complementare ad altri protocolli microfluidica ¹⁶ che descrivono fasi a valle della fusione dispositivi da muffe e l'esecuzione di esperimenti specifici.

dispositivi microfluidici con valvole monolitica su chip sono composti da due strati: uno strato di "flusso", dove il fluido di interesse viene manipolato in microcanali, e uno strato di "controllo", dove microcanali contenenti aria o acqua può selettivamente modulare il flusso di fluido nello strato ^di flusso ^14. Questi due strati sono ogni fabbricati su un maestro di stampaggio silicone separato, che viene successivamente utilizzato per il polidimetilsilossano (PDMS) stampaggio replica in un processo chiamato "soft litografia ^17". Per formare un dispositivo multistrato, ciascuno degli strati PDMS sono espressi sui rispettivi padroni stampaggio e quindi allineati tra loro, formando così un dispositivo PDMS composita con canali in ogni strato. Le valvole sono formate in posizioni in cui i canali di flusso e di controllo si incrociano e sono separati solo da una sottile membrana; pressurizzazione del canale di controllo devia questa membrana per occludere il canale di flusso e spostare localmente il fluido (Figura 1).

valvole on-chip attivi possono essere realizzati in diversi modi, a seconda dell'applicazione finale desiderata. valvolepuò essere configurato sia in una geometria "push down" o "push up", a seconda che il livello di controllo è al di sopra o sotto il livello del flusso (figura 1) ^15. "Push up" geometrie consentono minori pressioni di chiusura e maggiore stabilità dispositivo da delaminazione, mentre "spingere verso il basso" geometrie permettono i canali di flusso per essere in contatto diretto con il substrato legato, che conferisce il vantaggio di funzionalizzazione selettiva o patterning della superficie del substrato per la funzionalità in seguito ^{18, 19.}

Le valvole possono anche essere sia intenzionalmente leaky valvole "setaccio" o completamente sigillabile, secondo il profilo in sezione trasversale del canale di flusso. Valvole Sieve sono utili per la cattura perline, cellule o altri macroanalytes ^1, e sono realizzati mediante l'uso di fotoresist negativi tipici (cioè, SU-8 serie), che have profili rettangolari. Quando un canale di controllo è pressurizzata in queste regioni valvola, la membrana PDMS tra il controllo e lo strato flusso devia isotropa nel profilo rettangolare della valvola senza guarnizione angoli, permettendo il flusso di fluido ma intrappolando particelle macro scala (Figura 1). Al contrario, le valvole microfluidica completamente sigillabili sono realizzati includendo una piccola macchia di fotoresist arrotondati alle posizioni della valvola. Con questa geometria, pressurizzazione del canale di controllo devia la membrana contro lo strato flusso arrotondato per sigillare completamente il canale, arrestare il flusso del fluido. Profili arrotondati nello strato flusso vengono generati tramite la fusione e riflusso di photoresist positivo (ad esempio, AZ50 XT o SPR 220) dopo fasi tipiche di fotolitografia. Abbiamo precedentemente dimostrato che le altezze post-reflow di regioni valvola dipendono caratteristica dimensioni ²¹ scelti. Questo protocollo illustra la fabbricazione di entrambe le geometrie valvola conin un dispositivo di sintesi tallone.

Figura 1: Multilayer Microfluidic Valve geometrie. Tipici "push up" architetture di dispositivo per setaccio e valvole completamente sigillabili prima (in alto) e dopo (in basso) pressurizzazione. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

I dispositivi possono anche includere caratteristiche passive complesse come mixer caotiche ¹³ e on-chip resistenze ²⁰ che richiedono caratteristiche di molteplici altezze differenti all'interno di un singolo strato di flusso. Per ottenere un livello di flusso di altezza variabile, diversi gruppi hanno impiegato molti metodi tra cui circuito stampato incisione ^22, multistrato allineamento sollievo PDMS ^23, o multi-step photolithography ^24. Il nostro gruppo ha trovato multi-step fotolitografia su un unico master di stampaggio ad essere un metodo efficace e riproducibile. Per fare questo, una semplice tecnica di fotolitografia di costruire canali spessore di fotoresist negativo (ad esempio SU-8 fotoresist serie) in strati senza sviluppo tra l'applicazione di ciascuno strato è impiegato. Ogni strato è filata in fotoresist negativo secondo il suo spessore utilizzando le istruzioni del produttore ²⁵ sul master di silicio. Caratteristiche di questa altezza vengono modellati sullo strato utilizzando una maschera di trasparenza specifica (figura 2) applicata su un piatto di maschera di vetro e allineata allo strato precedentemente filato prima dell'esposizione. In multi-step fotolitografia, l'allineamento preciso tra gli strati è fondamentale nella formazione di un canale completo flusso di altezza variabile. Dopo l'allineamento, ogni strato è sottoposto ad una cottura di post-esposizione spessore-dipendente. Senza sviluppo, lo strato successivo è similarly fantasia. In questo modo, le caratteristiche alte possono essere costruite su un unico wafer flusso layer-by-layer tramite l'utilizzo di più maschere. Saltando sviluppo tra ogni passo, precedenti strati di fotoresist possono essere utilizzati per generare caratteristiche altezza compositi (cioè, due 25 micron strati possono fare 50 micron caratteristica) ^24. Inoltre, le caratteristiche del pavimento del canale, come mixer caotico scanalature a spina di pesce ¹³ possono essere effettuate utilizzando strati con caratteristiche precedentemente esposti. Una fase finale di sviluppo completa il processo, creando un unico wafer di flusso con caratteristiche di altezza variabile (figura 3).

Qui, è previsto un protocollo completo per multi-step fotolitografia che include esempi di tutte le procedure necessarie per fabbricare valvole on-chip e canali di flusso con più altezze. Questo protocollo fabbricazione è presentata nel contesto di un multistrato microfluidica sintetizzatore tallone che richiede valvole e variable-altezza presenta per la sua funzionalità. Questo dispositivo include T-giunzioni per la generazione di goccioline d'acqua in una guaina di petrolio, resistenze on-chip di modulare le portate attraverso il controllo di resistenza Poiseuille, un mixer caotico per omogeneizzare i componenti di gocce, ed entrambe le valvole completamente di tenuta e Sieve per consentire flussi di lavoro automatizzati che coinvolgono reagente multipla ingressi. Utilizzando multi-step fotolitografia, queste caratteristiche sono ogni fabbricati su un livello diverso in base all'altezza o fotosensibile; i seguenti strati sono costruiti in questo protocollo: (1) strato di flusso rotonda valvola (55 micron, AZ50 XT) (2) Flusso di bassa strato (55 micron, SU-8 2050) (3) alto flusso strato (85 micron, SU- 8 2025, 30 micron altezza additivi), e (4) a spina di pesce Grooves (125 micron, SU-8 2025, 40 micron altezza additivo) (Figura 3).

sfere di idrogel possono essere utilizzati per una varietà di applicazioni, tra cui funzionalizzazione selettiva di superficie per le analisi a valle, l'incapsulamento di droga, radiotracing e di imaging saggi, e l'incorporazione delle cellule; In precedenza avevamo usato una versione più complessa di questi dispositivi per la produzione di spettralmente codificati perline PEG idrogel che contengono nanophosphors lantanidi ^20. I disegni illustrati di seguito sono inclusi in Risorse aggiuntive per qualsiasi laboratorio da utilizzare nei loro sforzi di ricerca se lo si desidera. Prevediamo che questo protocollo fornirà una risorsa aperta per gli specialisti e non specialisti egualmente interessate a fare dispositivi microfluidici multistrato con valvole o geometrie complesse per abbassare la barriera all'entrata in microfluidica e aumentare le possibilità di successo di fabbricazione.

Protocol

1. multistrato disegno dispositivo NOTA: Caratteristiche di diverse altezze e / o fotosensibili devono essere aggiunti in sequenza al wafer durante le diverse fasi di fabbricazione per creare caratteristiche finali compositi. Pertanto, disegni per ogni altezza e photoresist separata da inserire su un wafer deve essere stampata sulla propria maschera (Figura 4). Scarica un design (CAD) programma di stesura assistita da computer (ad esempio, AutoCAD version…

Representative Results

Qui, dimostriamo la fabbricazione di valvolato, di altezza variabile stampi microfluidica multistrato facendo dispositivi in ​​grado di generare poli glicole etilenico (PEG) perle di idrogel da goccioline (Figura 2). Una panoramica del processo di fabbricazione completa è inclusa nella Figura 3. Utilizzando elementi di design da lavoro precedente, il sintetizzatore tallone impiega 4 altezze nel suo strato di flusso compreso (1) ar…

Discussion

Questo lavoro dimostra un completo protocollo di fotolitografia multi-step per un dispositivo microfluidica multistrato con valvole e la geometria di altezza variabile che può essere regolato per qualsiasi applicazione con semplici modifiche ai parametri di fabbricazione sulla base delle nostre strumento online ²⁶ e costruttore istruzioni ^25. Questo protocollo ha lo scopo di demistificare fotolitografia multistrato per i ricercatori che desiderano costruire dispositivi mi…

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.