Der findes flere metoder til fremstilling af kanaler af ikke-rektangulære sektioner indlejret i Polydimethylsiloxan mikrofluid enheder. De fleste af dem involverer omstændelig fremstilling og omfattende tilpasning. I dette papir, er en et-trins tilgang rapporteret for at fabrikere mikrofluid kanaler af forskellige geometriske tværsnit af Polydimethylsiloxan sekventielle våde ætsning.
Polydimethylsiloxan (PDMS) materialer udnyttes væsentligt for at fabrikere mikrofluid enheder ved hjælp af bløde litografi replika molding teknikker. Brugerdefinerede kanal layout design er nødvendige for bestemte funktioner og integreret ydeevne af mikrofluid enheder i talrige biomedicinske og kemiske applikationer (f.eks. cellekultur, biosensing, kemisk syntese og flydende håndtering). Paa grund af støbning metoder bruger silicium wafers med photoresist lag mønstret af fotolitografi som master forme, har mikrofluid kanalerne normalt regelmæssig tværsnit af rektangulære figurer med identiske højder. Typisk, kanaler med flere højder eller forskellige geometriske sektioner er designet til at have særlige funktioner og til at udføre i forskellige mikrofluid applikationer (f.eks.hydrophoresis bruges til at sortere partikler og kontinuerlige strømme for adskille blodlegemer6,7,8,9). Derfor er en stor indsats gjort i opbygningen kanaler med forskellige sektioner gennem flere trin tilgange som fotolitografi bruger flere photoresist lag og samling af forskellige PDMS tynde plader. Ikke desto mindre indebære sådan flere trin tilgange normalt at trivielle procedurer og omfattende instrumentation. Desuden, de opdigtede enheder kan ikke udføre konsekvent og resulterede eksperimentelle data kan være uforudsigelig. Her, er en et-trins tilgang udviklet til det ligetil fabrikation af mikrofluid kanaler med forskellige geometriske tværsnit gennem PDMS sekventielle våde ætsning processer, der introducerer TIPkan i kanaler af planlagte enkeltlags layout indlejret i PDMS materialer. I forhold til de eksisterende metoder til fremstilling af PDMS mikrofluid kanaler med forskellige geometrier, kan udviklede et-trins tilgang væsentligt forenkle processen for at fabrikere kanaler med ikke-rektangulære sektioner eller forskellige højder. Teknikken er derfor en måde at opbygge komplekse mikrofluid kanaler, som giver en fabrikation løsning til fremme af innovative mikrofluid systemer.
Mikrofluid teknikker har henledt opmærksomheden i de seneste årtier på grund af deres iboende fordele for en bred vifte af biomedicinske og kemiske forskning og anvendelser. Der findes flere materialeforbrug muligheder til at konstruere mikrofluid chips i dag, som polymerer, keramik og silicium materialer. Til bedste af vores viden, blandt mikrofluid materialerne, er PDMS den mest almindelige, på grund af dens passende materiale egenskaber for forskellige mikrofluidik forskning og applikationer, herunder dets optiske og biologiske kompatibilitet med partikler, væsker, og ekstremt lille levende organismer1,2,3,4,5. Derudover overflade kemisk og struktur mekaniske egenskaber af PDMS materialer kan justeres for at lette undersøgelser microelectromechanical og mechanobiological ved at anvende sådanne polymer-baserede mikrofluid enheder10, 11,12. Med hensyn til fremstilling af mikrofluid udstyr med designet kanal mønstre, bløde litografi replika støbning metoder anvendes normalt til at oprette mikrofluid kanalerne ved at udnytte deres tilsvarende master forme, som er sammensat af fotolitografi-mønstrede photoresist lag og silicium wafer substrater12. Paa grund af støbning metoder bruger silicium wafers med mønstrede photoresist lag, har mikrofluid kanalerne normalt regelmæssig tværsnit af rektangulære figurer med identiske højder.
For nylig, forskere har gjort betydelige fremskridt i biomedicinsk undersøgelser, der beskæftiger sig med, for eksempel, sortering partikler og celler ved hjælp af hydrophoresis, adskille blodplasma og berigende hvide blodlegemer ved at anvende mikrofluid chips med kanaler forskellige højder eller geometrisk afsnit6,7,8,9. Sådan sortering og adskillelse af funktioner af mikrofluidik for biomedicinske programmer er realiseret ved at tilpasse kanaler med forskellige geometriske sektioner. Flere undersøgelser har afsat til fremstilling af mikrofluid kanaler med tværsnit af forskellige geometri funktioner ved opdigte master forme med specifikke overflade mønstre i forskellige højder eller ikke-rektangulært tværsnit. Disse undersøgelser på mug fabrikation omfatte sådanne teknikker som Multi-trins fotolitografi, photoresist omløb og grå-skala litografi13,14,15. Uundgåeligt, de eksisterende teknikker indebærer fint udformet komponeneter eller en præcis tilpasning i flere trin i produktionen, som kan væsentligt øge kompleksiteten-niveauet af den tilsvarende fabrikation af mikrofluid kanaler. Hidtil har været flere forsøg på trinvis fremstillingsprocesser for mikrofluid kanaler af forskellige sektioner, men de respektive teknikker er meget begrænset til bestemte tværsnits figurer af kanaler16.
I de seneste to årtier, ud over støbning metoderne for at fabrikere PDMS er mikrofluid kanaler med forskellige sektioner, ætsning teknikker til mønster PDMS kanaler med geometriske funktioner blevet fabrikation af valg i en række mikrofluid applikationer. For eksempel, udnyttes PDMS våde ætsning sammen med multi-lag PDMS limning til at konstruere en pneumatisk aktiveret celle kultur enhed af mikrofluidik med rekonstitueret orgel-niveau lunge funktioner17. Den PDMS våde ætsning teknik er ansat med PDMS støbning på cylindriske microwells bearbejdet af computer-aided kontrolsystemer for at fabrikere 3D PDMS microneedle arrays18. PDMS tør ætsning bruges til at gøre PDMS mikrostrukturer som dele af mikro-elektriske aktuatorer19,20. Porøse PDMS membraner med designet pore layout er også fremstillet gennem tør ætsning processer21. Både våde og tørre ætsning teknikker kan integreres i mønster PDMS film med udpegede geometriske figurer22.
Dog kanal ætsning teknikker til at danne PDMS strukturer med komplekse afsnit figurer ikke er blevet almindeligt anvendt på grund af deres iboende begrænsninger på mikrofluid fabrikation. Først, mens teknikker til PDMS våde ætsning udnytte laminar strømme af kemikalier for at skabe mikrofluid kanaler af forskellige sektioner har været fastlagt, efterfølgende kanal sektion dannelsen er stadig begrænset på grund af de grundlæggende egenskaber af isotropic kemisk ætsning processer23. Desuden, selv om der synes at være rimelig plads til at kontrollere kanal sektion geometrier i mikrofluidik opdigtet benytter PDMS kemisk ætsning teknikker20, kræves ætsning tiden er normalt for lang tid (i timer) at være praktisk til fremstilling af mikrofluid chips. Hertil kommer, ætsning selektivitet mellem PDMS materialer og den tilsvarende maskering photoresist lag kan være lavt i almindelighed, og de resulterede ætset dybder for kanalerne er således ikke acceptabelt20.
I dette papir udvikler vi en et-trins tilgang for at fabrikere mikrofluid kanaler af forskellige geometriske tværsnit af PDMS sekventielle våde ætsning processer (herefter benævnt SWEP). SWEP begynder med en PDMS mikrofluid enhed med enkeltlags kanaler. Med assorterede layout design af kanalerne, kan opdigte mikrofluid kanaler med forskellige geometriske sektioner af forskellig art der opnås gennem sekventielle ætsning processer. Den sekventielle ætsning behøver kun en TIPkan skal indføres i specifikke kanaler af de planlagte enkeltlags layouts indlejret i PDMS materialer. Sammenlignet med konventionelle PDMS fabrication processer, SWEP bare kræve et yderligere skridt til at fabrikere mikrofluid kanaler af ikke-rektangulære sektioner eller forskellige højder. Den foreslåede SWEP giver et enkelt og ligetil måde at opdigte mikrofluid kanaler med forskellige sektioner langs strømningsretning, som kan være en væsentlig forenkling processer i de ovennævnte metoder.
I de seneste årtier, har mikrofluidik tilbudt lovende middel som eksperimentelle platforme for kemiske og biomedicinsk forskning kan være konstrueret systematisk1,2,3,4, 5. Platformene har også fremlagt deres kapaciteter for at undersøge flere cellulære funktioner in vivo på fysiologiske mikromiljø betingelser via in vitro celle under…
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne taknemmeligt anerkender støtte af National Health Research institutter (NHRI) i Taiwan under Innovative forskning tilskud (IRG) (EX106-10523EI), Taiwan Ministeriet for videnskab og teknologi (mest 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), og Academia Sinica karriere udvikling Award. Forfatterne vil gerne takke Heng-Hua Hsu for korrekturlæsning håndskriftet.
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 |