Summary
Verschillende methoden zijn beschikbaar voor de fabricage van alle zenders van niet-rechthoekige stukken ingesloten in Polydimethylsiloxaan microfluidic apparaten. De meeste van hen betrekken meerstaps productie en uitgebreide uitlijning. In deze paper is een one-step-aanpak voor het fabriceren van microfluidic kanalen van verschillende geometrische kruissecties gerapporteerd door Polydimethylsiloxaan sequentiële nat etsen.
Abstract
Polydimethylsiloxaan (PDMS) materialen zijn aanzienlijk benut om het fabriceren van microfluidic apparaten met behulp van zachte lithografie replica molding technieken. Aangepaste kanaal lay-out ontwerpen zijn nodig voor specifieke functies en geïntegreerd performance van microfluidic apparaten in talrijke biomedische en chemische toepassingen (bijvoorbeeld de cultuur van de cel, biosensing, chemische synthese en vloeibare behandeling). Vanwege de aard van de molding benaderingen silicium-wafels met fotoresist lagen patroon door fotolithografie als master mallen, hebben de microfluidic kanalen vaak regelmatige kruissecties van rechthoekige vormen met identieke hoogten. Meestal kanalen met meerdere hoogten hebben of met verschillende geometrische secties zijn ontworpen om bepaalde functies bezitten en in diverse microfluidic toepassingen uit te voeren (bijvoorbeeld, hydrophoresis wordt gebruikt voor het sorteren van deeltjes en in continue stromen voor scheiden van bloedcellen6,,7,,8,9). Daarom is een grote hoeveelheid inspanning geboekt bij de bouw van kanalen met diverse secties door meerdere stappen benaderingen zoals fotolithografie met behulp van verschillende fotoresist lagen en assemblage van verschillende PDMS dunne vellen. Echter sprake een dergelijke aanpak van meerdere stappen meestal van vervelende procedures en uitgebreide instrumentatie. Bovendien, de gefabriceerde apparaten mogen geen consequent uitvoeren en de leidde tot experimentele gegevens kan onvoorspelbaar. Hier, is een one-step-aanpak ontwikkeld voor de eenvoudige vervaardiging van microfluidic kanalen met verschillende geometrische doorsneden door PDMS sequentiële nat etsen processen, die etchant distributiekanalen geplande enkellaags lay-outs introduceert ingebed in PDMS materialen. Vergeleken met de bestaande methoden voor het vervaardigen van PDMS microfluidic kanalen met verschillende geometrieën, kan de ontwikkelde one-step-aanpak aanzienlijk vereenvoudigen het proces om kanalen met niet-rechthoekige stukken of verschillende hoogten. Bijgevolg, de techniek is een manier van construeren van complexe microfluidic kanalen, waarmee een fabricage-oplossing voor de voortgang van de innovatieve microfluidic systemen.
Introduction
Microfluidic technieken wordt gewezen in de afgelopen decennia heb vanwege hun intrinsieke voordelen voor een verscheidenheid van biomedische en chemische onderzoek en toepassingen. Tegenwoordig, zoals polymeren, keramische en silicium materialen vindt u verschillende materiaalgebruik opties voor de bouw van microfluidic chips. Om het beste van onze kennis, de microfluidic materialen, waaronder is PDMS de meest voorkomende vanwege haar gewenste materiële eigenschappen voor verschillende microfluidics onderzoek en toepassingen, met inbegrip van de optische en biologische verenigbaarheid met deeltjes, vloeistoffen en uiterst kleine levende organismen1,2,,3,,4,5. Bovendien, de oppervlakte chemische structuur mechanische eigenschappen en van PDMS materialen kunnen worden aangepast microschakelaars en mechanobiological studies te vergemakkelijken door het toepassen van dergelijke microfluidic polymeer gebaseerde apparaten10, 11,12. Met betrekking tot de vervaardiging van microfluidic apparaten met ontworpen kanaal patronen, zachte lithografie replica molding methoden worden meestal toegepast om te maken van de microfluidic kanalen door gebruik te maken van hun overeenkomstige master mallen, die zijn samengesteld uit fotolithografie-patroon fotoresist lagen en silicium wafer substraten12. Vanwege de aard van de molding benaderingen silicium-wafels met gedessineerde fotoresist lagen, hebben de microfluidic kanalen vaak regelmatige kruissecties van rechthoekige vormen met identieke hoogten.
Onderzoekers hebben onlangs aanzienlijke vooruitgang geboekt in de biomedische studies die zich met, bijvoorbeeld bezighouden, Sorteer deeltjes en cellen met behulp van hydrophoresis, het scheiden van bloed plasma en verrijken van witte bloedcellen door het toepassen van microfluidic chips met kanalen van verschillende hoogten hebben of met geometrische secties6,,7,,8,9. Dergelijke sorteren en het scheiden van de functies van microfluidics voor biomedische toepassingen worden gerealiseerd door de kanalen met verschillende geometrische secties aanpassen. Verschillende studies hebben besteed aan de vervaardiging van microfluidic kanalen met kruissecties van andere geometrie functies door meester mallen met specifieke oppervlakte patronen van verschillende hoogten hebben of met niet-rechthoekige kruissecties fabriceren. Deze studies op schimmel fabricage omvatten dergelijke technieken als scriptingregel fotolithografie, fotoresist opnieuw plaatsen en grijs-schaal lithografie13,14,15. De bestaande technieken betrekken onvermijdelijk, fijn bewerkte fotomaskers of een precieze uitlijning in scriptingregel fabricageprocessen, die de niveaus van de complexiteit van de overeenkomstige fabricage van microfluidic kanalen aanzienlijk kunnen versterken. Tot nu toe verschillende pogingen zijn gedaan op-voor-stapmodus productieprocessen voor microfluidic kanalen van verschillende secties, maar de respectieve technieken zijn zeer beperkt tot specifieke transversale shapes kanalen16.
In de afgelopen twee decennia, naast de molding benaderingen voor het fabriceren van PDMS zijn microfluidic kanalen met verschillende secties, etsen van technieken voor PDMS kanalen met geometrische kenmerken patronen geworden de fabricage van keuze in een verscheidenheid van microfluidic toepassingen. Bijvoorbeeld, wordt PDMS nat etsen benut samen met multi-layer PDMS lijmen voor de opbouw van een pneumatisch bediende cel cultuur apparaat van microfluidics met gereconstitueerde orgel-niveau Long functies17. De PDMS natte ETS techniek wordt gebruikt samen met de PDMS gieten op cilindrische microwells machinaal door computer-aided controlesystemen voor het fabriceren van 3D PDMS microneedle arrays18. PDMS droge etsen wordt gebruikt om PDMS microstructuren als delen van micro-elektromechanische actuatoren19,20. Poreuze PDMS membranen met ontworpen porie lay-outs zijn ook vervaardigd door droge etsen processen21. Zowel de natte en de droge etsen technieken kunnen worden geïntegreerd in het PDMS films met aangewezen geometrische vormen22patronen.
Echter, de etsen-technieken voor het vormen van PDMS kanaal structuren met complexe sectie shapes niet vaak vanwege hun intrinsieke beperkingen op microfluidic fabricage zijn toegepast. Ten eerste, terwijl de technieken van PDMS nat etsen met behulp van laminaire stromen van chemische stoffen voor het maken van microfluidic kanalen van verschillende secties zijn vastgesteld, de latere kanaal sectie vorming is nog steeds beperkt vanwege de fundamentele kenmerken voor isotrope chemische etsen verwerkt23. Bovendien, hoewel er lijkt te zijn van redelijke ruimte voor het beheersen van de geometrieën sectie kanaal in een verzinsel van de microfluidics met behulp van het PDMS droge technieken20etsen, de vereiste etsen tijd wordt meestal lang (in termen van uren) worden praktisch voor het vervaardigen van microfluidic chips. Bovendien, de etsen selectiviteit tussen PDMS materialen en de bijbehorende maskering fotoresist lagen mogelijk is er onvoldoende in het algemeen, en het resulteerde geëtste diepten voor de kanalen zijn, dus niet aanvaardbaar20.
In deze paper ontwikkelen we een one-step benadering om het fabriceren van microfluidic kanalen van verschillende geometrische doorsneden door PDMS sequentiële nat etsen processen (hierna "SWEP" genoemd). De SWEP beginnen met een PDMS microfluidic apparaat met enkellaags kanalen. Met diverse lay-out ontwerpen van de kanalen, kan fabriceren van microfluidic kanalen met verschillende geometrische onderdelen van verschillende soorten worden bereikt door middel van opeenvolgende etsen processen. De sequentiële etsen moet alleen een etchant specifieke kanalen van de geplande enkellaags indelingen ingebed in PDMS materialen worden binnengebracht. Vergeleken met conventionele PDMS fabricage processen, vereisen de SWEP enkel een verdere stap bij het fabriceren van microfluidic kanalen voor niet-rechthoekige stukken of verschillende hoogten. De voorgestelde SWEP bieden een eenvoudige en eenvoudige manier van fabriceren van microfluidic kanalen met diverse secties in de stroomrichting, die aanzienlijk de processen in de bovengenoemde methoden vereenvoudigen kan.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. fabricage van Microfluidic apparaten met één laag kanaal-indelingen
Opmerking: In dit document, de zachte lithografie methode3 wordt vastgesteld voor het fabriceren van microfluidic apparaten gemaakt van PDMS materialen, om aan te tonen hoe voor de vervaardiging van kanalen met verschillende secties.
-
Creatie van meester mallen voor een laag PDMS met ontworpen topologie functies
- Ontwerp kanaal lay-outs op een PDMS laag voor een single ETS proces of etsen in volgorde.
- Maak een schets van de kenmerken van de omgekeerde topologie van de ontworpen PDMS laag met behulp van een CAD-tekenprogramma.
- De schets-bestand aan een fotolithografie faciliteiten om te verkrijgen van een patroon photomask met de functies van de hoge-precisie omgekeerde topologie van het kanaal lay-outs afgedrukt op een transparantie24te leveren.
- Gebruik isopropylalcohol (2-Propanol (IPA), ≥ 99,9%), aceton (propaan-2-one, ≥ 99,5%) en gebufferde oxide etch (BOE, NH4F:HF (v/v) = 6:1) op de oppervlakken van een 4-inch silicium wafer voorkomen verontreinigingen te verwijderen van stof en reststromen.
- Gebruik ongeveer 500 mL gedeïoniseerd water te spoelen van de silicium wafer voor een definitieve polijsten en vervolgens toepassen stikstofgas om te drogen de gespoeld wafer.
- Plaats een negatieve Toon fotoresist van ongeveer 20 gram op de wafer. Dan draai jas het zegel op 500 rpm voor 15 s en 2.000 rpm voor 30 s tot het produceren van een fotoresist laag van ongeveer 75 µm in dikte.
Opmerking: Verschillende fotoresist diktes kunnen worden bereikt via negatieve Toon photoresists met verschillende productnummers en met andere spin coating, bakken en ontwikkeling voorwaarden, volgens de gebruiker handleidingen25,26. - Bak de wafer zacht door het verhitten van het op een kookplaat bij 65 ° C gedurende 3 minuten en vervolgens bij 95 ° C gedurende 9 min.
- Zet de wafer in een photomask aligner machine samen met de patroon transparantie uit stap 1.1.3 als een masker.
- In de machine aligner, ultraviolet (UV) licht op 300 mJ/cm2 bloot de wafer gedekt door de transparantie van toepassing.
- Na blootstelling aan het UV-licht, plaatst u het zegel op een kookplaat bij 65 ° C gedurende 2 minuten, waarna bij 95 ° C gedurende 7 minuten als de post-exposure bak (PEB).
- Na de PEB, sterk doorroeren de wafer ondergedompeld in een negatieve Toon fotoresist ontwikkelaar, of plaats de ondergedompeld wafer in een ultrasoonbad (37 kHz, effectiefvermogen van 180 W) gedurende 7 minuten.
- Schoon de hele wafer weer met isopropyl alcohol te elimineren elke ontwikkelaar die nog op het oppervlak van de wafer.
- Om te voorkomen dat ongewenste bonding, silanize het oppervlak van het zegel door de wafer samen met 100 µL van 97% silane (1H1H, 2H, 2H- perfluorooctyl-trichlorosilane) in een 6 cm petrischaal in een exsiccator.
- De exsiccator verbinden met een vacuümpomp en stel de vacuüm druk op 760 mmHg.
- Vervolgens zet de pomp voor 15 min. Switch het af, en laat vervolgens de wafer om uit te rusten in een vacuüm in de exsiccator voor 30 min.
Let op: De verdampte silane is uiterst schadelijk voor de mens; dus moet de hele wafer oppervlakte passivering plaatsvinden in een zuurkast. - Haal de gesilaneerde wafer, die was ondergaan oppervlakte passivering. Corrigeer de wafer in een 15 cm petrischaal voor verder gebruik.
Opmerking: Het patroon wafer is klaar om te worden gebruikt als een mal om te repliceren de indelingen ontworpen kanaal omgekeerd door PDMS materialen.
-
Fabricage van PDMS kanaal lay-outs door te repliceren de omgekeerde topologie op de mallen
- Zet de basis PDMS (monomeer) samen met de bijbehorende katalysator (genezen agent) bij een volumeverhouding van 10:1 in een schone en eenmalig gebruik plastic beker.
- Meng het mengsel PDMS prepolymer (uit stap 1.2.1) homogeen met behulp van een power-roerder.
- Zet de beker in de exsiccator verbonden met de vacuümpomp voor 60 min voor het verwijderen van alle gevangen bubbels in het PDMS mengsel.
- Giet 20 g (voor sectie 2) of 8 g (voor afdeling 3) van het PDMS prepolymer mengsel op de top van de meester mal (gemaakt in stap 1.1) met de kenmerken van de omgekeerde topologie van de ontworpen kanaal lay-outs, en verwijder vervolgens elke mogelijke bubbels ingebed in de PDMS materialen met behulp van t Hij exsiccator (gedurende 60 minuten).
- Zet de mal uitvoering van het PDMS mengsel in een oven bij 60 ° C gedurende 4 uur om te genezen van de siliconen gebaseerde vloeibare prepolymer materialen.
- Na afkoeling de wafer samen met de PDMS tot kamertemperatuur voor ongeveer 20 min, loskoppelen de uitgeharde PDMS van de schimmel met een scalpel en pincet.
- Passen de vrijstaande PDMS laag naar een gebied (ongeveer 6 x 6 cm2 voor sectie 2 of 2 x 7,5 cm2 voor afdeling 3) bekleding het hele kanaal lay-outs met behulp van een scalpel.
- Maak toegang Kanaalhavens (inhammen en verkooppunten) met behulp van een punch van de biopsie van 1,5 mm in diameter.
Opmerking: De cijfers en de standpunten van de inhammen en de verkooppunten zijn ontworpen op basis van de ETS-processen voor het fabriceren van specifieke microfluidic kanalen. - Giet 30 g van het PDMS prepolymer mengsel in een petrischaal, en verwijder vervolgens elke mogelijke bubbels ingebed in de PDMS materialen met behulp van de exsiccator (gedurende 60 minuten).
- Zet de petrischaal met de uitvoering van het PDMS mengsel in een oven bij 60 ° C gedurende meer dan 4 uur om te genezen van de vloeibare prepolymer materialen.
- Na afkoeling de petrischaal samen met de PDMS tot kamertemperatuur voor ongeveer 20 min, loskoppelen de uitgeharde PDMS van de schotel met een scalpel en pincet.
- Met behulp van een scalpel, passen de vrijstaande PDMS laag zonder enige functies afmetingen gelijk is aan die van de bovengenoemde PDMS laag (ongeveer 6 x 6 cm2 voor sectie 2 of 2 x 7,5 cm2 voor sectie 3).
- Activeren van de oppervlakken van beide PDMS lagen (gemaakt in stap 1.2.7 en 1.2.12) met de ontworpen kanaal lay-outs en zonder enige functies door bloot te leggen van de bovenste PDMS materialen aan zuurstof plasma in een oppervlaktebehandeling machine op 90 W voor 40 s.
- Bond de 2 PDMS lagen door het maken van contact tussen hun behandelde oppervlakken rechts na het plasma van de oppervlakte activeren van zuurstof. Vervolgens laat de gekleefde PDMS lagen in een oven bij 60 ° C gedurende meer dan 30 min.
Opmerking: Er is geen bovenste tijdslimiet voor het verlaten van het entrepot PDMS lagen in de oven. - Na de 2 gebonden PDMS lagen zijn afgekoeld, trim de overtollige PDMS materialen uit de buurt van het gefabriceerde apparaat voor een later experimentele opstelling.
2. de aanpak van One-Step fabriceren PDMS Microfluidic kanalen van verschillende secties
Opmerking: Nat etsen tarief karakteriseren de PDMS, een microfluidic-apparaat met een enkellaags en rechte kanaal van rechthoekige vormen wordt voorgesteld kan alleen worden misbruikt voor het identificeren van specifieke etsen tarieven overeenkomt met bepaalde experimentele instellingen.
-
Experimentele karakterisering van PDMS nat etsen
- Bereid de oplossing van een etchant door het mengen van tetra-n-butylammonium-fluoride (TBAF, een 1 M-oplossing in tetrahydrofuraan (THF)) met 1-Methyl-2-pyrrolidinone (NMP) met een snelheid van v: v = 1:10.
Opmerking: NMP is geschikt voor het efficiënt oplossen van chemische storingswaarden geïnduceerd door de etchants. In het algemeen, PDMS materialen zijn marginaal gezwollen door de NMP, en het PDMS microfluidic apparaten zijn stilstaand kundig voor behouden hun vorm, volumes, en het zegel van de voorwaarden. - De gemengde TBAF/NMP etchants trekken in een 10 mL spuit verbonden met een RVS botte naald (16 G).
- Een spuitpomp instellen als controller van de druk-gedreven vloeistoffen in de kanalen.
- Sluit de botte naalden van het spuiten gevuld met de oplossing van de etchant voor de channel-poort van de bovengenoemde eenvoudige apparaat en begeleiden van de respectieve poort uit het stopcontact naar een afval container buizen zoals in Figuur 1.
- De uitvoering van het spuiten met de gemengde TBAF/NMP-etchant-oplossing bij een 150 µL/min debiet voor het karakteriseren van de PDMS-spuitpomp nat etsen uitvoeren
- Helder-veld microscopische weergaven gebruiken en ervoor te zorgen dat de geëtste kanaal langs de stroomrichting een uniforme breedte heeft, derhalve bevestigen dat de mengverhouding van de etchants volume en de stroomsnelheid etchant volstaan.
- Vastleggen van de beelden van de tijd-serie van de zender doorsnede onder een omgekeerde Microscoop met een 4 X vergroting tijdens het ETS proces PDMS.
- Het analyseren van de opgeslagen beelden door de functie van de fundamentele meting in een 2D analyse van de beeldvorming verwerking programma voor het verzamelen van een tijd-volgorde van nummers voor de breedte van het kanaal tijdens het nat etsen proces van PDMS materialen toe te passen.
- Evalueren van de tijd-serie etsen tarieven door de vergelijking weergegeven in Figuur 2, die is 50% van de wijziging van de breedte kanaal verdelen (ΔW / 2) door de duur van het PDMS etsen (t).
- Uitvoeren van een lineaire regressie van de verzamelde gegevens verwijst naar een globale schatting etsen tarief van de gemengde TBAF/NMP-etchants met het specifieke volume mengverhouding van 1:10 voor de PDMS materialen zoals afgebeeld in Figuur 2.
- Bereid de oplossing van een etchant door het mengen van tetra-n-butylammonium-fluoride (TBAF, een 1 M-oplossing in tetrahydrofuraan (THF)) met 1-Methyl-2-pyrrolidinone (NMP) met een snelheid van v: v = 1:10.
-
PDMS sequentiële nat etsen voor het fabriceren van microfluidic kanalen van verschillende geometrische onderdelen
- Het ontwerp van een regeling van etchant inhammen voor de enkellaags PDMS kanaal indeling dienen de corresponderende etsen processen in volgorde, zodat een specifieke kanaaltype voor verschillende transversale vormen zoals afgebeeld in Figuur 3 kan worden vervaardigd.
- Volg de procedures die zijn beschreven in stap 2.1.1 - 2.1.7 voor het PDMS nat etsen aanpak.
Opmerking: Het debiet is ingesteld als 50 μl/min. - Terwijl de TBAF/NMP etchants stromen, inspecteren de geëtste kanalen onder de Microscoop te zien als er belangrijke problemen zoals een merkbare hoeveelheid bubbels, een rest van verschillende chemische storingswaarden geïnduceerd door de etchants, een lekkage van de etchants, of een stroom van etchants op een hellend vlak.
- Observeren van de microfluidic kanaal muur dikte variatie door omgekeerde microscopie, en tijd het nat etsen proces om ervoor te zorgen dat het juiste kanaal geometrieën worden bereikt.
3. het ontwerp van een Microfluidic Mixer
Opmerking: Een ontwerp voor de microfluidic-mixer die kan efficiënt mix 2 ongelijke vloeistoffen is hier gedemonstreerd om te laten zien van een voordelige toepassing van microfluidic kanalen met verschillende secties.
-
Fabricage van een microfluidic mixer met verschillende kanaalprofielen
- Een PDMS apparaat met een enkellaags microfluidic kanaal van het ontwerp weergegeven in Figuur 4 door de zachte lithografie replica spuitgiet techniek (sectie 2) maken.
- In de enkellaags microfluidic kanaal indeling, introduceren de TBAF/NMP etchant oplossing bereid volgens de procedures die zijn beschreven in stap 2.1.1 van de haven gemarkeerd als "outlet" op een 20 µL/min debiet in Figuur 4.
- Observeren van de microfluidic kanaal muur dikte variatie onder de Microscoop, en tijd het nat etsen proces om ervoor te zorgen dat het juiste kanaal meetkundes, zoals wordt weergegeven in Figuur 5 worden bereikt.
-
Experimentele karakterisering van de microfluidic mixer
- Nadat het microfluidic kanaal met secties van verschillende vormen in een alternatieve patroon wordt gerealiseerd, pomp 2 ongelijke vloeistoffen met inbegrip van een oplossing van fluoresceïne natrium zout met een concentratie van 50 µg Mo/mL en gedestilleerd water in 2 afzonderlijke kanalen op een 20 µL/min debiet.
- Neem fluorescentie Microscoop beelden van het kanaal in bovenaanzicht op de posities die zijn gemarkeerd als A, B, C en D onder een omgekeerde Microscoop (4 X vergroting) voor de 2 mixers met uniforme (vóór etsen) en verschillende geometrische afdelingen (na 2 h van SWEP), respectievelijk) Figuur 6).
Opmerking: De fluorescentie Microscoop images zijn geschoten terwijl de stabiele stromen plaatsvinden, op het punt van de tijd van 5 min, gerekend vanaf het begin momenten van het mixen via de kanalen van de mixer. - De fluorescerende opnames analyseren met behulp van een beeldbewerkingsprogramma van verwerking te schatten de corresponderende efficiëntie nummers die worden gedefinieerd door de mengen resterende mengen (MR, 0,5 = onvermengde, 0 = volledig gemengd) in de volgende vergelijking27, 28:
Hier,
t = de etsen,
L is de breedte van het kanaal op een bepaalde positie van belang,
S is een lijnsegment over het kanaal op de positie, en
Ik is de fluorescentie intensiteit verdeling over S t. - Uitzetten van de fluorescentie intensiteit verdeling over S over het kanaal op de posities gemarkeerd als A, B, C en D voor de 2 mixers met uniforme (vóór etsen) en verschillende geometrische afdelingen (na 2 h van SWEP), respectievelijk. Schatten de overeenkomstige MR zoals afgebeeld in Figuur 6.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Onlangs, een groot aantal studies zijn verricht op de fabricage van microfluidic apparaten met kanalen van verschillende secties door litho replica molding13,14,15 en PDMS etsen technieken17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22. echter, bestaan er nog steeds aanzienlijke beperkingen van patronen van vormen en moeilijkheden met vervaardiging operaties16,23. In deze paper wordt een one-step benadering van fabriceren PDMS microfluidic kanalen van verschillende geometrische secties door SWEP voorgesteld.
Figuur 1 schematisch toont de microfluidic enkellaags kanaal lay-outs voor het maken van PDMS kanalen van verschillende secties door SWEP en toont de experimentele opzet van het systeem van bijbehorende leidingen. NMP is een buffer die wordt gebruikt voor de SWEP-experimenten, zoals in Figuur 1a en 1b. In de experimenten van SWEP is het belangrijk om te kiezen van een juiste oplosmiddel te elimineren van de ETS-producten in de kanalen voor het handhaven van laminaire stromen uitgebuit door de etsen-processen. Bijgevolg is de NMP-buffer gekozen als het oplosmiddel te ontbinden effectief de producten van de SWEP22,23.
De geëtste kanalen zijn ook gevuld met blauwe voedsel kleurstoffen om aan te tonen de evolutie van de kanaalprofielen binnen in het apparaat microfluidic. Door het organiseren van etchant inhammen van het patroon ontworpen enkellaags kanaal, kunnen microfluidic kanaal secties met diverse eigenschappen van de meetkunde van verschillende soorten verkregen worden door de SWEP zoals aangetoond in Figuur 3.
Te karakteriseren de PDMS nat etsen, een microfluidic-apparaat met een enkellaags en rechte kanaal van rechthoekige vormen wordt benut voor het identificeren van een algemene ETS tarief van de gemengde TBAF/NMP-etchants met een specifieke volume-mengen verhouding voor de PDMS materialen. Door de lineaire regressie van de verzamelde gegevenspunten van het kanaal breedte variaties met betrekking tot bepaalde etsen tijden, de algemene verwachting etsen tarief van de etchant oplossing experimenteel 2.714 µm/min (Figuur 2).
In microfluidic kanalen met uniforme kruissecties stromen vloeistoffen meestal langs kanaal muren, die onderdrukken van willekeurige contacten tussen stof deeltjes; vloeistof mengen gedreven door diffusie wordt daarom meestal bereikt door de bijzonder lange kanalen. Dientengevolge, worden microfluidic kanalen van verschillende geometrische secties verwacht om vloeistof mengen met de hulp van de laterale vloeistof ontwerpresoluties over kanaalprofielen. In deze studie, een ontwerp van de microfluidic mixer (Figuur 4) waar twee ongelijke vloeistoffen efficiënt worden gemengd, blijkt hier voor de presentatie van een voordelige toepassing van microfluidic kanalen met verschillende secties. Figuur 5 geeft de tijd-serie beelden van het microfluidic mixer kanaal vervaardigd door de SWEP met behulp van PDMS materialen in bovenaanzicht op stadia 0 h, 0,25 h, 0,40 h, h 0.55, 0.70 h, 1.00 h en 2.00 h etsen in volgorde.
Na het microfluidic kanaal met secties van verschillende vormen in een alternatieve patroon wordt gerealiseerd en twee ongelijke vloeistoffen met inbegrip van een oplossing van fluoresceïne natrium zout en gedestilleerd water zijn vervolgens gepompt in twee afzonderlijke kanalen, fluorescentie de beelden van de Microscoop van het kanaal in bovenaanzicht op de posities die zijn gemarkeerd als A, B, C en D zijn gevangen onder een omgekeerde Microscoop voor de twee mixers met uniform (vóór etsen) en verschillende geometrische secties (na 2 h van SWEP), respectievelijk (Figuur 6). Deze images zijn geschoten terwijl de stabiele stromen plaatsvinden, op het punt van de tijd van 5 min, gerekend vanaf het begin momenten van het mixen via de kanalen van de mixer. Vervolgens worden deze fluorescentie Microscoop beelden geleverd aan een geautomatiseerd programma ontwikkeld in deze studie uitpakken van de overeenkomstige heer getallen vertegenwoordigen de mengen efficiëntie van de mixer.
Voordat het ETS proces had het kanaal van de mixer met een serpentijn kanaal indeling identiek kruissecties van rechthoekige vorm. Als gevolg van de voldoende kanaal lengte nodig voor verspreiding mechanismen, de microfluidic mixer heeft een essentiële mengen efficiëntie vertegenwoordigd door 0.4607, 0.3403, 0.2450 en 0.1940 heer getallen bij A, B, C en D posities, respectievelijk. Na 2 uur van SWEP, met een gelijke lengte kanaal naar de oorspronkelijke map, heeft de microfluidic mixer kanaalprofielen van verschillende vormen in een alternatieve patroon. Het is belangrijk dat de mixer met de verschillende kanaalprofielen een duidelijke stijging biedt in het mengen van efficiëntie, vertegenwoordigd door merkbaar afneemt heer aantallen 0.3875, 0.1915, 0.1336 en 0.0680 op A, B, C en D posities, respectievelijk, vanwege de laterale vloeistof bewegingen leiden tot advectie naast diffusie mechanismen. Bovendien, vanaf positie B - D, dergelijke advectie mechanismen die zich in kanaal secties resultaat in een duidelijk en uniform toename van de mengen efficiëntie van de mixer vervaardigd door de SWEP.
Figuur 1: buis set-up in microfluidic enkellaags kanaal lay-outs voor het PDMS kanalen van verschillende geometrische kruissecties maken door sequentiële nat etsen processen (SWEP). (een) dit schema toont de microfluidic apparaten met één laag kanalen. De bovenste laag wordt vervaardigd met behulp van PDMS van meerdere kanaal ontwerpen voor natte etchant inlaat regelingen. De onderste laag bestaat uit PDMS met een lege patroon. (Top: één etchant inlaat; midden: twee etchant inhammen.) De onderkant is de mal voor de fabricage van de toplaag. (b) deze panelen tonen het gemonteerde apparaat voor de fabrikatie van kanalen van verschillende secties. De breedte van de kanalen en de dikte van de wanden zijn 50 µm en 100 µm, respectievelijk. (c) deze panelen tonen de experimentele foto's van de buis set-up in de microfluidic enkellaags kanaal lay-outs voor de SWEP. (Bovenste rij: één etchant inlaat, onderste rij: twee etchant inhammen.) Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: karakterisering van PDMS nat etsen. Deze afbeelding ziet u de lineaire regressie van het verzamelde halve kanaal breedte wijzigingen met betrekking tot de etsen-tijden voor het inschatten van een algemene ETS tarief van de gemengde TBAF/NMP-etchants met een specifieke volume-mengen verhouding voor de PDMS materialen. [De inzet is een schematische voorstelling van de transversale geometrie van het patroon van een eenvoudige en ongecompliceerde kanaal voor het nat etsen tarieven voor PDMS materialen karakteriseren. De algemene ETS tarief van TBAF/NMP (v: v = 1:10) 2.714 µm/min en de bijbehorende R2 (coëfficiënt) is 0.9913.] Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: microfluidic kanalen van verschillende geometrische onderdelen gefabriceerd door sequentiële PDMS nat etsen. Deze panelen tonen verschillende regelingen van etchant inhammen voor enkellaags PDMS kanaal lay-outs dienen de corresponderende etsen processen in volgorde voor het fabriceren van bepaald kanaal soorten verschillende transversale vormen zoals (een) cross-vormige, (b) halter-vormige, en (c) klokvormige transversale geometrieën. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: microfluidic mixers met behulp van kanalen met verschillende secties gefabriceerd. (een) dit paneel is een tekening van een enkellaags kanaal lay-out voor de fabricage van een microfluidic mixer met behulp van kanalen met verschillende secties ontwerp. De onderkant toont de mal voor de fabrikatie enkellaags kanaal. (b) deze panelen tonen de tegel scan Microscoop beelden van het hele mixer kanaal voor en na 1 en 2 h voor PDMS nat etsen. (c) deze panelen experimentele helder veld beelden van de mixer kanaal secties tonen die zijn vervaardigd door 1 en 2 h voor PDMS nat etsen in een top uitzicht (bovenste rij), in een scherpe weergave loodrecht op de stroomrichting langs de x-as (tweede van de boven), en snijd in een Sectieweergave op het A-A knippen (derde van boven) en B-B (onderste rij) posities. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5: tijd-serie beelden van microfluidic mixer kanalen van verschillende afdelingen die zijn vervaardigd door de sequentiële nat etsen van PDMS materialen. (een) dit paneel toont het schema een enkellaags kanaal lay-out voor de fabricage van een microfluidic mixer met verschillende kanaalprofielen. (b) deze panelen toont Microscoop beelden van het kanaal mixer in een top weergeven in elk stadia etsen in volgorde. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6: karakterisering van de mixer van de microfluidic vervaardigd door sequentiële PDMS nat etsen. (een) deze panelen fluorescentie Microscoop beelden tonen van het kanaal mixer op de posities die zijn gemarkeerd als A, B, C en D voor de invoering van etchants en bij 2 h nat etsen van PDMS materialen. (b) deze panelen gemeten fluorescentie intensiteit velden gepresenteerd in een genormaliseerde coördinaat over het kanaal mixer op de A, B, C en D posities vóór (boven) en op 2 uur van PDMS nat etsen (midden) weergeven. Het toont ook de geanalyseerde MR vertegenwoordigen de mengen efficiëntie voor de mixer (0,5: onvermengde, 0: volledig gemengd) op verschillende posities van de kanaal vóór en tijdens de 2 h van het ETS (onder). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In de afgelopen decennia, heeft microfluidics aangeboden veelbelovende middelen waarmee experimentele platforms voor chemische en biomedisch onderzoek kunnen worden geconstrueerd systematisch1,2,3,4, 5. De platforms hebben ook hun vermogens van het onderzoeken van de verschillende cellulaire functies in vivo onder fysiologische communicatie voorwaarden via in vitro cel studies6,7, gepresenteerd 8 , 9. in experimenteel onderzoek en verwante toepassingen, de meeste van het kanaal oversteken secties van microfluidic apparaten zijn uniforme en rechthoekige vorm. In deze microfluidic apparaten spelen de structuren van het kanaal een belangrijke rol in de communicatie-voorwaarden. Bijvoorbeeld, is een passieve controle over dergelijke chemische vervoer tijdens het gebruik microfluidics als een apparaat voor drug delivery, gemoduleerd door tuning debiet in het rechthoekig kanaal van standaard dwarsdoorsnede geometrie29. Voor een gewenste flux-distributie van het transport van de stof via het kanaal langs de stroomrichting, microfluidic kanalen met verschillende geometrische secties onder een algemene volumestroom tarief set-up kunnen nodig zijn. Een aanzienlijk aantal studies hebben enkele belangrijke stappen ondernomen om dergelijke chips met gewenste kanalen met verschillende afdelingen, met inbegrip van de bouw van meester mallen met bepaalde oppervlakte patronen van verschillende hoogten of met niet-rechthoekige Kruis fabriceren de artikelen13,,14,15 en PDMS etsen van technieken voor het maken van oppervlakken met geometrische kenmerken17,18,19,20 , 21 , 22. echter deze inspanningen niet alleen betrekking hebben op complexe productieprocessen, maar ook zijn beperkt tot specifieke transversale shapes van kanalen16,23.
In deze paper is een one-step benadering tot het creëren van PDMS kanalen met diverse secties gevorderd door de invoering van etchant in specifieke kanalen van geplande enkellaags lay-outs ingebed in PDMS materialen in een eenvoudige en consistente manier. Bovendien zijn de processen van de isotrope sequentiële nat etsen van de vorming van kanalen met verschillende transversale vormen geverifieerd met behulp van iteratieve numerieke berekeningen30. Blijkbaar is het moeilijk te fabriceren kanaal sectie meetkundes met scherpe hoeken vanwege de isotrope verwijdering van het PDMS materiaal tijdens de opeenvolgende natte processen etsen. In praktische toepassingen vereist de precieze controle over de verzonnen sectie Geometrie van microfluidic kanalen een nauwkeurige karakterisering van PDMS nat etsen tarieven en zorgvuldige regelingen van de bijbehorende leidingen systeeminstallatie. Vergeleken met de bestaande methoden voor het vervaardigen van PDMS microfluidic kanalen met verschillende geometrieën, kan de ontwikkelde one-step-aanpak aanzienlijk vereenvoudigen de processen van het fabriceren van kanalen met niet-rechthoekige stukken of verschillende hoogten. Bijgevolg biedt de ontwikkelde techniek een manier om complexe microfluidic kanalen die tot de ontwikkeling van innovatieve microfluidic systemen voor diverse toepassingen leiden kunnen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te verklaren.
Acknowledgments
De auteurs mijn dankbaarheid uitspreken voor de ondersteuning die wordt geboden door de nationale gezondheid onderzoek instituten (NHRI) in Taiwan onder de innovatieve onderzoek Grant (IRG) (EX106-10523EI), het Taiwan ministerie van wetenschap en technologie (meest 104-2218-E-032-004, 104 - 2221 - E-001-015-MY3, 105-2221-E-001-002-MY2, 105-2221-E-032-006, 106-2221-E-032-018-MY2), en de Academia Sinica Career Development Award. De auteurs bedank Heng-Hua Hsu voor proeflezen van het manuscript.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1-Methyl-2-Pyrrolidinone | Tedia, Fairfield, OH | ME-1962 | NMP |
| 10 ml Syringe | Becton-Dickinson, Franklin Lakes, NJ | 302151 | |
| 150 mm Petri dish | Dogger Science | DP-43151 | |
| 1H,1H,2H,2H- Perfluorooctyltrichlorosilane | Alfa Aesar, Ward Hill, MA | L16606 | 97 % silane |
| 4'' Silicon Dummy Wafer | Wollemi Technical, Taoyuan, Taiwan | - | |
| Acetone | ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan | AH3102-000000-72EC | |
| AG Double Expose Mask Aligner | M&R Nano Technology, Taoyuan, Taiwan | AG500-4D-D-V-S-H | |
| Biopsy Punch | Miltex, Plainsboro, NJ | 33-31 | |
| Blunt Needle | Jensen Global, Santa Barbara, CA | Gauge 16 | |
| Buffered Oxide Etch | ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan | PH3101-000000-72EC | |
| Desicattor | A-VAC Industries, Anaheim, CA | 35.10001.01 | |
| Fluorescein Sodium Salt Water | Sigma-Aldrich Co., St Louis, MO | F6300 | |
| ImageJ | National Institutes of Health, Bethesda, MD | Ver. 1.51 | Imaging Processing Program |
| Inverted Fluorescence Microscope | Leica Microsystems, Wetzlar, Germany | DMI 6000 B | |
| Isopropyl Alcohol (IPA) | ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan | CMOS112-00000-72EC | |
| Leica Application Suite | Leica Microsystems GmbH | LAS X | |
| MATLAB | MathWorks, Natick, MA | R2015b | Programming for MR evaluation |
| Mechanical Convention Oven | ThermoFisher Scientific,Waltham, MA | Lindberg Blue M MO1450C | |
| Plasma Tretment System | Nordson MARCH, Concord CA | PX-250 | Oxygen plasma surface treatment |
| Polydimehtylsiloxane (PDMS) | Dow Corning, Midland, MI | SYLGARD 184 | |
| Polyethylene Tubing | Becton-Dickinson and Company, Sparks, MD | 427446 | PE 205, 10' |
| Spin Coater | ELS Technology, Hsinchu, Taiwan | ELS 306MA | |
| Negative Tone Photoresist | MicroChem, Westborough, MA | SU-8 2050 | |
| Negative Tone Photoresist Developer | MicroChem, Westborough, MA | Y020100 | SU-8 Developer |
| Surgical Blade | Feather, Osaka, Japan | 5005093 | PDMS cutting |
| Syringe Pump | Chemyx, Houston, TX | Fusion 400 | |
| Tetra-n-butylammonium Fluoride (TBAF) | Alfa Aesar, Ward Hill, MA | A10588 |
References
- Tung, Y. -C., et al. Optofluidic Detection for Cellular Phenotyping. Lab on a Chip. 12, 3552-3565 (2012).
- Lu, Y., Yang, L., Wei, W., Shi, Q. Microchip-based Single-cell Functional Proteomics for Biomedical Applications. Lab on a Chip. 17, 1250-1263 (2017).
- Jensen, K. F., Reizman, B. J., Newman, S. G. Tools for Chemical Synthesis in Microsystems. Lab on a Chip. 14, 3206-3212 (2014).
- Chang, C. -W., et al. A Polydimethylsiloxane-polycarbonate Hybrid Microfluidic Device Capable of Generating Perpendicular Chemical and Oxygen Gradients for Cell Culture Studies. Lab on a Chip. 14, 3762-3772 (2014).
- Mosadegh, B., et al. Integrated Elastomeric Components for Autonomous Regulation of Sequential and Oscillatory Flow Switching in Microfluidic Devices. Nature Physics. 6, 433-437 (2010).
- Choi, S., Park, J. -K. Tuneable Hydrophoretic Separation Using Elastic Deformation of Poly(Dimethylsiloxane). Lab on a Chip. 9, 1962-1965 (2009).
- Choi, S., Song, S., Choi, C., Park, J. -K. Microfluidic Self-Sorting of Mammalian Cells to Achieve Cell Cycle Synchrony by Hydrophoresis. Analytical Chemistry. 81, 1964-1968 (2009).
- VanDelinder, V., Groisman, A. Separation of Plasma from Whole Human Blood in a Continuous Cross-Flow in a Molded Microfluidic Device. Analytical Chemistry. 78, 3765-3771 (2006).
- VanDelinder, V., Groisman, A. Perfusion in Microfluidic Cross-Flow: Separation of White Blood Cells from Whole Blood and Exchange of Medium in a Continuous Flow. Analytical Chemistry. 79, 2023-2030 (2007).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J., Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Analytical Chemistry. 70 (23), 4974-4984 (1998).
- Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Annual Review of Material Science. 28, 153-184 (1998).
- Mello, A. Plastic Fantastic? Lab on a Chip. 2, 31N-36N (2002).
- Choi, S., Park, J. -K. Two-step Photolithography to Fabricate Multilevel Microchannels. Biomicrofluidics. 4, 046503 (2010).
- Zhong, K., Gao, Y., Li, F., Zhang, Z., Luo, N. Fabrication of PDMS Microlens Array by Digital Maskless Grayscale Lithography and Replica Molding Technique. Optik. 125, 2413-2416 (2013).
- Brower, K., White, A. K., Fordyce, P. M. Multi-step Variable Height Photolithography for Valved Multilayer Microfluidic Devices. Journal of Visualized Experiments. (119), e55276 (2017).
- Lai, D., et al. Simple Multi-level Microchannel Fabrication by Pseudo-grayscale Backside Diffused Light Lithography. RSC Advances. 3, 19467-19473 (2013).
- Huh, D., et al. Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip. Science. 328, 1662-1668 (2010).
- Deng, Y. -L., Juang, Y. -J. Polydimethyl Siloxane Wet Etching for Three-Dimensional Fabrication of Microneedle Array and High-Aspect-Ratio Micropillars. Biomicrofluidics. 8, 026502 (2014).
- Tung, Y. -C., Kurabayashi, K. Nanoimprinted Strain-controlled Elastomeric Gratings for Optical Wavelength Tuning. Applied Physics Letters. 86, 161113 (2005).
- Tung, Y. -C., Kurabayashi, K. A Single-Layer PDMS-On-Silicon Hybrid Microactuator with Multi-Axis Out-Of-Plane Motion Capabilities-Part II: Fabrication and Characterization. Journal of Microelectromechanical Systems. 14, 558-566 (2005).
- Chen, W., Lam, R. H. W., Fu, J. Photolithographic Surface Micromachining of Polydimethylsiloxane (PDMS). Lab on a Chip. 12, 391-395 (2012).
- Balakrisnan, B., Patil, S., Smela, E. Patterning PDMS Using a Combination of Wet and Dry Etching. Journal of Micromechanics and Microengineering. 19, 047002 (2009).
- Takayama, S., et al. Topographical Micropatterning of Poly(dimethylsiloxane) Using Laminar Flows of Liquids in Capillaries. Advanced Materials. 13, 570-574 (2001).
- Friend, J., Yeo, L. Fabrication of Microfluidic Devices Using Polydimethylsiloxane. Biomicrofluidics. 4, 026502 (2010).
- NANO SU-8 2000 Negative Tone Photoresist formulations 2002-2025. , MicroChem Corporation. Newton, MA. Available from: https://www.seas.upenn.edu/~nanosop/documents/SU8_2002-2025.pdf (2000).
- NANO SU-8 2000 Negative Tone Photoresist formulations 2035-2100. , MicroChem Corporation. Newton, MA. Available from: https://www.seas.upenn.edu/~nanosop/documents/SU8_2035-2100.pdf (2000).
- Hardt, S., Schönfeld, F. Laminar Mixing in Different Interdigital Micromixers: II. Numerical Simulations. AIChE Journal. 49, 578-584 (2003).
- Hessel, V., Löwe, H., Schönfeld, F. Micromixers-A Review on Passive and Active Mixing Principles. Chemical Engineering Science. 60, 2479-2501 (2005).
- Damiati, S., Kompella, U., Damiati, S., Kodzius, R. Microfluidic Devices for Drug Delivery Systems and Drug Screening. Genes. 9, 103 (2018).
- Wang, C. -K., et al. Single Step Sequential Polydimethylsiloxane Wet Etching to Fabricate a Microfluidic Channel with Various Cross-Sectional Geometries. Journal of Micromechanics and Microengineering. 27, 115003 (2017).
